Introdução (Eletrônica 1)

GRECO-CIN-UFPE Prof. Manoel Eusebio de Lima

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

-

+

-

34 V 170V

-170V

Tensão reversa

Tensão reversa

+

-

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

  Equação de descarga do capacitor

V

Vo

Vo

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

Conversão AC - DC

Inversão de fase

Conversão AC - DC Vr(pp)

Revisão

http://wiki.cecm.usp.br/wiki/Integral_do_quadrado_de_seno