introdução - cin.ufpe.bres238/arquivos/aula_01.pdf · dispositivos eletrônicos e teoria de...
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Programa do curso Introdução (conceitos)
– Fonte de tensão – Fonte de Corrente – Resistores/capacitores (revisão)
Diodos – Diodo de retificação – Diodo Zener – Aplicações
Transistor bipolar – Polarização, amplificadores,
seguidor de emissor, ... Famílias lógicas:
– DL, DTL, TTL, CMOS Amplificadores Operacionais e
aplicações Conversões AD e DA
Instrumentação/ferramentas – Osciloscópio Digital – Fontes de alimentação – Gerador de funções – Multímetro Digital
Ferramenta de CAD (Multsim)
Laboratórios Projetos do curso Dois Exercícios escolares
Programa do curso Aplicações/projetos
– 1a unidade • Fontes de alimentação • amplificador
– 2a Unidade • Conversores A/D e D/A • Interfaces
Projeto da disciplina – Casa Inteligente/granja
Referências 1. Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4a Edição, Pearson Education –
Makron Books, 2004. 2. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad,
Loius Nashelsky, 8a edição, Pearson Education – Prentice Hall, 2004. 3. Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 4ª edição.
Avaliação – 2 Unidades – Cada unidade:
• 1 exercício teórico • 1 exercício prático • 1 Projeto • Laboratórios (listas)
Fontes de alimentação Fonte de alimentação
– Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário uma fonte de energia:
• Fonte de tensão – Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a
ela.
• Fonte de corrente – Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a
ela.
Fonte de tensão Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão
constante a circuito conectado a ele, “independente” de sua carga elétrica. – Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta
uma resistência interna igual a “zero”. Ou seja, apenas a corrente muda no circuito em função da carga RL.
0 Ω
∞
?
Não existe fonte de tensão capaz de fornecer uma corrente de valor infinito desde que toda fonte de tensão possui uma resistência interna
RS
– Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a mesma sempre possui uma pequena resistência interna.
VL < V
+ V
RL
I = V/RL
-
Fonte de tensão Real
Características – Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a
resistência de carga. – Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da
fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a resistência equivalente da carga do circuito.
V=12V RL ≥ 6 Ω
I = V/RL
+ RS = 0,06 Ω
Exemplo:
VL < V
VL = 12 - IRS
RL >> RS
Fonte de corrente Fonte de corrente é um equipamento que fornece uma
corrente constante ao circuito conectado a ela, “independente” de sua carga elétrica. – Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta
uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda no circuito em função da carga RL
– Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase constante quando o valor da resistência de sua carga é bem inferior a sua resistência interna.
+ V
RL
I = V/(RS+RL)≈ Constante
RS ∞
Como RL é bem menor que a resistência interna da fonte, a corrente quase não se altera no circuito (I constante)
<< RS
Fonte de corrente
Características – Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal
seria RS -> ∞) que a resistência de carga. – Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de
carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que a resistência interna da fonte.
+ V=12V RL = 10KΩ
RS = 10 MΩ I = 12 (10x106+RL)
Exemplo: Fonte de corrente Real (simbologia)
RS
Fonte de corrente
RS (10M Ω) RL
I RL (KΩ) I(µA)
0 1,200 1 1,199
10 1,198 100 1,188
1000 1,090 I = 12 µA (10x106+RL)
RL (KΩ)
I(µA)
100
Ponto de 99%
Região quase ideal
V=12V
Como obter fontes de alimentação DC?
Bateria
Fonte AC/DC
∼ ∼ 220V Vac + -
∼/±
Circuito retificador
Vdc
AC DC
+ -
Fontes de alimentação AC-DC Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no
Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz (senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de redução aplicado.
Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa tensão, o que implica na necessidade de um transformador para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a retificação.
∼ ∼ 220V Vac + -
∼/±
Circuito retificador
Vdc
Transmissão de energia elétrica
A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende estreitamente dos transformadores, que ora elevam a tensão, ora a reduzem.
http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm
Transformador (eleva a tensão)
Transformador (baixa a tensão)
Linhas de transmissão de alta tensão
O transformador
Onde: N2 = Número de espiras do secundário do transformador N1 = Número de espiras do primário do transformador
Considere que não há perda no circuito magnético do transformador (transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída (P1=P2). Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ;
Relação tensão/número de espiras em um transformador: como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja,
I1 = (N2 /N1). I2 e I2 = (N1 /N2). I1
Voltagem secundária
espiras N2
espiras N1
Voltagem primária
∼ ∼ V1
N1 : N2
V2
primário secundário
I1 I2
carga
Transformador Transformador isolador
– Este transformador se chama isolador porque separa galvanicamente a tensão de entrada da tensão de saída, através de dois enrolamentos totalmente separados, colocados em volta de um núcleo magnético que realiza a transferência de energia. O enrolamento da tensão de entrada é chamado de primário e o da tensão de saída, secundário.
Auto-Transformador – O transformador que só apresenta um
enrolamento, onde o primário e o secundário são eletricamente conectados, é chamado de autotransformador.
Tensão/Corrente Alternada (AC)
Tensão/corrente alternada Corrente: i = Ip sen(wt) Tensão: v = Vp sen(wt + ø)
Legenda:
v - tensão instantânea i - corrente instantânea Vp - tensão de pico Ip - corrente de pico f - freqüência w - freqüência angular t - tempo ø - ângulo de fase T - período (1 / f)
Valores de tensão/corrente gerados Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada é o valor
equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma dissipação de calor em um resistor.
A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante um ciclo é dada por
A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na mesma resistência é dada por:
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt 2π
0
P= R.I2.
+ V
R
I = Constante
P= R.I2 V
R
i(t) = alternada
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt 2π
0 ≡
-
Assim:
A corrente I define a corrente alternada em função da razão média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado de “valor médio quadrado (vmq ou rms)” , Irms.
R.I2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt => I = √ (1/T)∫ i(t)2. dt = √ i(t)2médio
2π
0
Valores de tensão/corrente gerados
Irms = √ i(t)2médio
√ i(t)2médio = Irms
i(t)2médio
i(t)2
i(t)
RI2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt, Irms
2 = (1/T)∫ ip2sen2(ωt) dt => Irms2 = (1/T) ip2 ∫sen2(ωt) dt =>
Irms2 = (1/T) ip2 ∫((1/2-1/2.cos(2ωt)) dt =>
Irms2 = (1/T) ip2 [ ((1/2.T-1/4.sen2(2π/T)) ] => Irms
2 = ip(t)2/2
Irms = ip(t)/ √ 2 Valor Eficaz ou valor RMS
Se i = i(t) = ipsen(ωt), em termos de potência:
ip(t)
Valores de tensão gerados Corrente e tensão eficazes:
Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%.
Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, faz-se referência ao seu valor eficaz.
– A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro representam seus valores eficazes.
– Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS).
Irms= ip(t)/√2 Vrms = Vp(t)/√2
o Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas. Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para alimentar nossos circuitos eletrônicos?
∼ ∼ 220V Vac + -
∼/±
Circuito retificador
Vdc
AC DC
Retificação de tensão
Existem várias formas de retificação de onda alternada para contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica por seu corpo em uma só direção.
Dentre as formas de retificação podemos destacar: – Retificação de meia onda – Retificação de completa com tap central – Retificação de onda completa em ponte
Retificação de meia onda
Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com uma componente não zero, é chamado retificador.
∼ RL V2(rms) V1(rms)
N1 : N2
5 : 1
Vdc = ? ∼
0
V(volts)
α=ϖt π 2π
Vp
α=ϖt π 2π
Retificação de meia onda
Tensão de pico no primário: Vp1 = Vrms.√2 => (120.1,414) V = 170 V
Tensão de pico no secundário: Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V
A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha: f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms
Considere que o diodo é um diodo ideal
∼ ∼ RL
1N4001
V2 = 24 V V1 = 120V
N1 : N2
5 : 1
Vdc = ? rms rms
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
T/2 T
V1
170
- 170
V(volts)
t(ms)
= 16.7
∼
1N4001
V2 = 24 V
N1 : N2
5: 1
RL ∼ V1 = 120V
Vdc =10,8 V
O valor médio de uma função periódica é dado por Vdc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área da meia onda) dividido pela base (T= 2 π ) Vdc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π. para meia onda (onda retificada):
Vdc=(1/T)∫ Vp sen(wt). dt = Vp/π = 0,318 Vp .
Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz
T/2
0
rms rms
V(volts)
t(ms)
T = 16.7 V2
34
- 34
Fator de ondulação
Vdc = Vp/π = 0,318 Vp = 10,8 V
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
T/2 T
Fator de Ondulação(F.O) é dado por: tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(Vp /π) = π
170
- 170
V(volts)
t(ms)
= 16.7
∼ ∼ RL
1N4001
V2 = 24 V V1 = 120V
N1 : N2
5 : 1
rms rms
Retificação de onda completa Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é
equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador
superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.
RL Vdc V1 = 120V ∼ ∼
∼
N1 : N2
5 : 1 1N4001
1N4001 24 V
+
- +
-
=12V
=12V
As duas tensões V1 e v2 são idênticas
RL Vdc=10,4V
1N4001
17V
- Tensão de pico no primário: Vp1 = (120.1,414) V = 170 V
- Tensão de pico no secundário: Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V (total)
- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V. - O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é dado por:
Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp = 10,8V A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/π) = π/2
V1 = 120V ∼ ∼
N1 : N2
5 : 1 1N4001
(f1 = 60Hz)
(f2 = 120Hz)
diodo
Retificação de onda completa em ponte Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que
diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada).
A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central.
D1
D2 D3
D4
V
∼ ∼ V1 = 120V (6OhZ)
24 V
D1
D2 D3
D4
V
∼ ∼
Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por: Vp = 24/0.707 = 34 V Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V Vantagens deste modelo: 1. saída em onda completa 2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário 3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário. - O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por:
Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp .Observe que a tensão de pico aqui é duas vezes a tensão de pico na retificação com tap central.
Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação ≈ Vp/(2.Vp/π) = π/2
34V
Comparação dos métodos de retificação
Obs: Vp na retificação em ponte é igual ao dobro do valor de Vp para as retificação meia onda e onda completa com tap central.
(Tap central)
Tensão de ondulação
Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico) Tp = tempo entre picos na tensão de saída
Funcionamento: 1. Inicialmente o capacitor está descarregado. 2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico. 3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave
aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl). 4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do
capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco até o próximo ciclo.
Reduzindo Fator de ondulação - filtro
Redução do F.O através da introdução de um capacitor em paralelo com a carga do circuito
Capacitor – curva de carga Equação de carga do capacitor
V
V0
0,63 V0
Em t = RC V0 V0 V0
Em t = 2RC 0,86V0
A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta como na descarga do capacitor, dada por:
Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial
como Assim,
Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por:
Vmax Vmin
A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:
T1-T2
Fator de ondulação
Para um circuito com retificação de meia onda Vr(pp) = Vmax/fRC
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
Vmax Vmin
Circuito retificador em ponte
A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte retificadora: – Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda
de tensão. Vdc = Vp – 1.4V – Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos
estimar que:
Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2
Este é um valor médio utilizada na prática. O valor de pico a pico do valor da tensão de ondulação é menor que 10% do valor de pico.
Circuito retificador em ponte Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por:
– ID= 0,5.IL – Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo. – Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga
máxima do circuito deveria ser de 2 A.
Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução. – PIV = Vp2
Corrente de surto – Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o
capacitor está descarregado. – O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo
determinado. • Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de
surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo. • Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários
ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.
Tutorial Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:
– Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V) – Corrente máxima = 100mA (carga)
Retificação: – Retificadora de onda completa com tap central
• Sem filtro capacitivo • Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax)
Obs: – Utilizar a retificação onda completa – Especificar todos os componentes – Demonstrar projeto no Multsim
Fazer o tutorial acima para uma fonte retificadora em ponte