Introdução(Eletrônica 1)

CIN-UFPE

Prof. Renato Mariz de Moraes

Slides gentilmente cedidos pelo Prof. Manoel Eusebio de Lima

Programa do curso Primeira Unidade

– Introdução (revisão)• Sistemas elétricos x Sistema eletrônicos• Fonte de tensão• Fonte de Corrente• Transformador/auto-transformador

– Tensão e corrente eficazes (RMS)• Conversão AC/DC

– Diodos• Diodo de retificação• Diodo Zener • Aplicações

– Transistor bipolar• Polarização de transistores BJT• Amplificadores: classe A, Push-pull, classe

AB, BC, CC

– Fontes básica de alimentação• Fontes paralelas• Fontes seriais

– Laboratórios/Tutoriais• Polarização de transistores• Amplificadores• Fontes

– Projetos• Amplificador Classe AB, Push-pull e Fontes

Segunda Unidade– Amplificadores diferenciais

(conceito)– Amplificadores Operacionais e

aplicações– Filtros analógicos– Conversões AD e DA– Famílias lógicas:

• DL, DTL, TTL, MOS, CMOS

– Projetos de portas Lógicas com CMOS (básico)

– Osciladores– Projeto/Laboraório:

• Kit Arduino, sensores, conversão AD e DA, atuadores, ....

Infra-estrutura/Laboratório– Instrumentação

básica/ferramentas• Osciloscópio Digital• Fontes de alimentação• Gerador de funções• Multímetro Digital• Protoboard

– Ferramenta de Simulação• LTSpice – esquemático e simulação

– Monitores

Algumas referências

1. Eletrônica, Malvino, Vols I e II, 8a Ed, McGraw Hill, 2016.

2. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad,

Louis Nashelsky, 8a edição, Pearson Education – Prentice Hall,

2004.

3. Eletrônica, Vols I e II, J. Millman, C. C. Halkias, McGraw Hill, 1981.

4. Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 5ª edição.

5. Sistemas Digitais, Tocci, 1ª edição.

Avaliação

Média = (1a Prova*0,3) + (2a Prova*0,2) + (Labs*0,15) + (LTSpice*0,15) + (Projeto*0,2)

Programa do curso

O que são sistemas eletrônicos?

Sistemas elétricos, como os circuitos de nossas casas, usam

tensão e correntes elétricas alternadas (60Hz no Brasil), para

alimentar coisas como lâmpadas, aquecedores, ventiladores, etc.

Os sistemas eletrônicos são sistemas que controlam estas

tensões e correntes, modificando suas flutuações, direção e

tempo, de várias formas, para realizar uma série de funções, tais

como:

– diminuir o brilho de lâmpada

– comunicar-se com satélites

– amplificar sons

– ………

Sistema eletrônicoA eletrônica do dimmer neste circuito controla o fluxo da corrente elétrica para a lâmpada.

Sistemas eletrônicosSistemas elétricos

Por que estudar Eletrônica 1?

Para entendermos como manipular de forma adequada acorrente elétrica em sistemas que interagem em nosso cotidiano:– Amplificadores– Interfaces de comunicação– Sensores– Conversão AD e DA– Famílias lógicas– ………………

Como gerar esta corrente elétrica?- Reação química - Força eletromagnética- Sistema eólico- Energia solar- …………

Sistemas eletrônicos

Estes sistemas precisam de fontes de tensão e corrente

constantes, ou seja, fontes que possam garantir a entrega de

energia necessária para o funcionameto correto de um

determinado circuito.

Podemos assim definir dois conceitos importantes:– Fonte de tensão

– Fonte de corrente

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 ao 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

?

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 a impedância RL 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=12VRL ≥ 6

I = V/RL

+

RS = 0,06

Exemplo:

VL < V

VL = 12 - IRS

RL >> RS

Fonte de tensão é quase

ideal quando Rs 0,01RL

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 << RS

I = V/(RS+RL) Constante

RS (ideal)

Como RL é bem menor que a resistência interna

da fonte, a corrente quase não se altera no

circuito (I constante)

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=12VRL = 10 K

RS = 10 M

I = 12

(10x106+RL)

Exemplo:Fonte de corrente Real

(simbologia)

RS

Fonte de corrente

RS (10M) RL

I RL (K) I(A)

0 1,200

1 1,199

10 1,198

100 1,188

1000 1,090

I = 12 A

(10x106+RL)

RL (K)

I(A)

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

+

-

DC (ou CC) – Direct (constant) current

AC – Alternating current

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 alternada da rede, antes de se efetivar a

retificação.

220V Vac

+

-/

Circuito retificador

Vdc

Transmissão de energia elétrica

A energia elétrica produzidanas usinas hidrelétricas,solares ou eólicas é levada,mediante condutores deeletricidade, aos lugares maisadequados para o seuaproveitamento. Para otransporte da energia até ospontos de utilização, nãobastam fios e postes. Toda arede de distribuição dependeestreitamente dostransformadores, que oraelevam a tensão, ora areduzem.

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

Transformador isolador– Este transformador se chama isolador

porque separa galvanicamente a tensãode entrada da tensão de saída (ou seja,não há condução metálica), através dedois enrolamentos totalmente separados,colocados em volta de um núcleomagnético que realiza a transferência deenergia. O enrolamento da tensão deentrada é chamado de primário e o datensão 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.

Se o enrolamento interno se

partir não há problema

Se o enrolamento interno se

partir pode haver problema

Transformador X Auto-transformador

Vantagens econômicas do Auto-transformador => transformador– Economiza-se cobre, correspondente ao enrolamento secundário. No

entanto é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na

parte comum (secundárioxprimário) circula-se a mesma corrente para

ambos os estágios.

– Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e

portanto as perdas no ferro e o tamanho físico.

– Com perda menor, o rendimento também melhora.

Desvantagens do Auto-transformador => transformador– Os autotransformadores tem o inconveniente de manter eletricamente

unidos os circuitos primário e secundário.

– Se houver um rompimento na bobina no secundário, a tensão do

primário fica igual a do secundário (isso pode causar danos).

O transformador

Onde:

N2 = Número de espiras (voltas) 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

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 (root-mean-square) de uma corrente

alternada é o valor equivalente a de uma corrente contínua queproduz a mesma dissipação de potência em um resistor.

A potência média produzida por uma corrente alternada durante umciclo T (ou =2) é dada por:

A potência média produzida por uma corrente contínua na mesmaresistência é dada por:

P= E/T = 0𝑇𝑃(𝑡)𝑑𝑡 = (1/T) R i(t)2 dt

T

0

P= R.I2.

+V

R

I = Constante

P= R.I2 V

R

i(t) = alternada

-

P= (1/T) R.i(t)2. dtT

0

Assim:

A corrente I define a corrente alternada em função da razão

média de energia (calor) que ela produz em uma resistência.

Esta corrente é denomindada de corrente média quadrática ou

root mean square (rms) current ( Irms).

R.I2 = (1/T) R.i(t)2. dt => I = (1/T) i(t)2. dt = i(t)2médio

T

0

Valores de tensão/corrente gerados

Irms = i(t)2médio

i(t)2médio= Irms

i(t)2médio

i(t)2

RI2 = (1/T) i(t)2. dt,

Irms2 = (1/T) ip

2sen2(t) dt => Irms2 = (1/T) ip

2 sen2(t) dt=>

Irms2 = (1/T) ip

2 0𝑇

(1/2−(1/2)cos(2t)) dt

Irms2 = (1/T) ip

2 [ (1/2)T ] => Irms2 = ip

2/2

Irms = ip/ 2 Valor Eficaz ou valor RMS (~70% do valor máximo)

i(t)

Se i = i(t) = ipsen(t), em termos de potência:

ip

Considerando i = i(t) = ipsen(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 multímetrorepresentam 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 paraalimentar 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 passagem da corrente elétrica

pelo 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.

RLV2(rms)V1(rms)

N1 : N2

5 : 1

Vdc = ?

0

V(volts)

2

Vp

α=t 2

α=t

Retificação de meia onda

Tensão de pico no primário:

Vp1 = V1 2 = 120.1,414 = 170V

Tensão de pico no secundário:

Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 34V => V2 = V1 /5 = Vp2/ 2 = 24V

A frequência do sinal de meia onda é igual à frequência 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

V1

170

- 170

V(volts)

t(ms)

= 16,7

Retificação em meia onda

T = 16,7 ms

T/2 T

1N4001

V2 = 24 V

N1 : N2

5: 1

RLV1 = 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 (nesse

caso área da meia onda) dividido pela base (T)

Vdc = (1/T) V(t)dt ,onde T=2.

para meia onda (onda retificada):

Vdc=(1/T) Vp sen(wt). dt = Vp/ = 0,318 Vp .

Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V

Frequência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz

T/2

0

rms rms

V(volts)

t(ms)

T = 16.7 V234

- 34

Fator de ondulação

Vdc = Vp / = 0,318 Vp = 10,8 V

Retificação em meia onda

T = 16,7 ms

T/2 T

Fator de Ondulação (FO) é definido por:

tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(Vp/) =

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 (derivação) 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 retificadorsuperior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante osemiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.

RL VdcVE = 120V

rms

N1 : N2

5 : 11N4001

1N400124 V

rms

+

-+

-

=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 Vp= Vp2/2 = 17V.

- O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é

dado por:

Vdc = 2.(Vp/) = 0,636*Vp’ = 10,8V, com Vp = Vp2/2=17V.

A frequência 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 (tensão de pico/ valor médio da tensão retificada) = Vp/(2.Vp/) = /2

VE = 120V

N1 : N2

5 : 11N4001

(f1 = 60Hz)

(f2 = 120Hz)

diodo

T/2 T

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 trafosem tap central (tomada central aterrada).

A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificadana carga é o dobro daquela que teríamos com o circuito de retificaçãode onda completa, com tomada central (tap central).

D1

D2

D3

D4

V

24 V (rms)

V1 = 120V (rms)(60hZ)

-

+

-

34 V170V

-170V

Tensão reversa

Tensão reversa

+

-TT/2

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 há necessidade de tomada central no enrolamento secundário.

- O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por:

Vdc = 2(Vp/) = 0,636 Vp = 21,6V Observe que a tensão de pico aqui é

duas vezes a tensão de pico na retificação com tap central.

Obs: A frequência 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/) = /2

34V

T/2 T

Comparação dos métodos de retificação

Obs:•Vp é a tensão total na saída do secundário do transformador.

(Tap central)

Tensão de

ondulação

Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)

Tp = tempo entre picos na tensão de saídaFuncionamento:

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 se 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

Fator de ondulação

Para um circuito com retificação de meia onda T2-T1=T, logo

Vr(pp) = Vmax/fRC

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

VmaxVmin

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:

Vdc(com ripple) = Vdc (sem ripple) – Vr(pp)/2

Este é um valor médio utilizado na prática.

Na prática, o valor de pico a pico da tensão de ripple deve ser

menor que 10% do valor de pico na entrada do secundário, isto é,

Vr(pp) << Vmax

Observações: Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por:

– ID= 0,5.IL (metade da corrente média na carga por ciclo)– 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.

Existe uma tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.– Vreversa = Vp -Vdiodo

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 égeralmente muita rápida para danificar o diodo.

• Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários ciclosaté sua carga, ele pode danificar o diodo.

Tutorial

Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:– Tensão: 9*1.414 = 12.76 V DC (Trafo: 220/18V (9V-0-9V))– Retificação onda completa com tap central– Corrente máxima = 100mA (plena carga)

Retificação:– Ondulação máxima menor que 5%Vmax

– Considerar apenas a retificação com capacitores

Obs:– Utilizar a retificação onda completa– Demonstrar projeto no LTSpice

Material disponível– Transformador 220/18 V (com tap central (9V-0V-9V))– Diodos retificadores 1N4001– Capacitor (a ser especificado)– Carga para teste

Cálculos

Cálculo dos componentes:– Capacitor retificador:

Dado que o valor de ripple é 5% do valor de pico e Vmax = 9* 2=12,76V, temos que:

Assim, o valor da capacitância da fonte pode ser dado por:

C = Vmax/(2fRVr(pp))

Onde:

f= 60 Hz

Vmax = 12,76V

R(carga máxima) V/I = (12,76/100*10-3)Ω = 127,6 Ω

Daí:

C = 12,76/(2*60*127,6*0,635) = 0,001312 F ≅ 1312 μF

* Utilizamos o valor comercial de 1500μF

Vr(pp)= 5% de Vmax => Vr(pp) = 0,635VVr(pp)=Vmax/2fRC

Conversão AC – DC - Exemplo

Inversão de fase

Conversão AC - DCVr(pp)

Canal B

(ripple)

Canal B

Canal A

Revisão

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