livro- diodo e transistores bipolares_rev03 (1).doc

Diodos

e

Transistores Bipolares:

Teoria e Práticas de Laboratório

Fabiola Fernandes AndradeFrancisco José Alves de Aquino

3

Fabiola Fernandes AndradeFrancisco José Alves de Aquino

Diodos e Transistores Bipolares:

Teoria e Práticas de Laboratório

IFCEFortaleza, 2010

4

Sumário

CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES....................................................................................................................7Introdução..............................................................................................................................................................71.1 Materiais semicondutores.................................................................................................................................7

1.1.1 O átomo de silício.....................................................................................................................................81.1.2 O átomo de germânio................................................................................................................................9

Exercícios.............................................................................................................................................................101.1.3 Semicondutores do tipo P e N.................................................................................................................111.1.4 O diodo....................................................................................................................................................12

1.2 Polarização do diodo......................................................................................................................................131.2.1 Polarização direta....................................................................................................................................141.2.2 Polarização reversa..................................................................................................................................14

Exercícios.............................................................................................................................................................151.3 Informações Práticas......................................................................................................................................16Exercícios.............................................................................................................................................................18Experiência no Laboratório..................................................................................................................................19

CAPÍTULO 2 – TEORIA DOS DIODOS...............................................................................................................21Introdução............................................................................................................................................................212.1 Curva característica do diodo.........................................................................................................................212.2 Polarização Direta..........................................................................................................................................222.3 Polarização Reversa...................................................................................................................................222.4 Modelos Do Diodo.........................................................................................................................................22

2.4.1 Diodo Ideal..............................................................................................................................................222.4.3 Modelo linearizado..................................................................................................................................24

Exercícios.............................................................................................................................................................24Experiência no Laboratório..................................................................................................................................25

CAPÍTULO 3 – CIRCUITOS COM DIODOS........................................................................................................29Introdução............................................................................................................................................................293.1 Tensão Senoidal.............................................................................................................................................293.2 Transformador................................................................................................................................................303.3 Circuito Retificador de Meia-Onda................................................................................................................313.4 Circuito Retificador de Onda Completa.........................................................................................................353.5 Retificador Em Ponte.....................................................................................................................................403.6 Comparação Entre As Frequências Dos Circuitos Retificadores...................................................................43Exercícios.............................................................................................................................................................44Experiência no Laboratório..................................................................................................................................47Capacitor variável................................................................................................................................................49

CAPÍTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO.........................................................................50Introdução............................................................................................................................................................504.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo............................................................................504.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivação Central e Filtro Capacitivo....................................534.3 Retificador em Ponte com Filtro....................................................................................................................56Exercícios.............................................................................................................................................................59Experiência no Laboratório..................................................................................................................................62

CAPÍTULO 5 – OUTRAS APLICAÇÕES PARA O DIODO................................................................................66Introdução............................................................................................................................................................665.1 Rádio elementar.............................................................................................................................................665.2 Diodo nos circuitos de proteção.....................................................................................................................665.3 Circuito Tanque..............................................................................................................................................67

5

5.3.1 Propriedades do indutor..............................................................................................................................675.4 Circuito ressonante.........................................................................................................................................685.5 Circuito tanque na geração de sinais de rádio................................................................................................70Exercícios.............................................................................................................................................................71Experiência no Laboratório..................................................................................................................................71

CAPÍTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES (CEIFADORES) E GRAMPEADORES.....................................74Introdução............................................................................................................................................................746.1 Circuitos Limitadores.....................................................................................................................................746.2 Circuitos Grampeadores.................................................................................................................................80Exercícios.............................................................................................................................................................84Experiência no Laboratório..................................................................................................................................85

CAPÍTULO 7 – DIODOS ESPECIAIS...................................................................................................................88Introdução............................................................................................................................................................887.1 Diodo Zener...................................................................................................................................................887.2 Diodo Emissor De Luz (LED).......................................................................................................................927.3 Diodo Túnel...................................................................................................................................................947.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC)................................................................................................................96Revisão.................................................................................................................................................................97Experiência no Laboratório................................................................................................................................100

CAPÍTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR............................................................................................................105Introdução..........................................................................................................................................................1058.1 Constituição de um transistor bipolar..........................................................................................................1058.2 Polarização do Transistor.............................................................................................................................1068.3 Configurações Básicas do Transistor...........................................................................................................109

8.3.1 Configuração Emissor comum..............................................................................................................1098.3.2 Configuração Base comum...................................................................................................................112

8.4 Transistor como Chave................................................................................................................................1258.5 Transistor como Fonte de Corrente..............................................................................................................126Exercícios...........................................................................................................................................................131Experiência no Laboratório................................................................................................................................138Alarme para porta com transistor.......................................................................................................................140Alarme de passagem..........................................................................................................................................141

CAPÍTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRÔNICOS...........................................................................143Introdução..........................................................................................................................................................1439.1 Transistor de Unijunção (TUJ).....................................................................................................................143

9.1.1 Funcionamento......................................................................................................................................1439.1.2 Aplicação típica: oscilador de relaxação...............................................................................................144

9.2 DIODO DE QUATRO CAMADAS............................................................................................................1459.2.1 Funcionamento......................................................................................................................................145

9.3 Diodo controlado de silício (SCR)...............................................................................................................1479.3.1 Estrutura e funcionamento do SCR.......................................................................................................1479.3.2 Aplicações em CC típicas para o SCR..................................................................................................148

9.4 Diac..............................................................................................................................................................1499.5 Triac.............................................................................................................................................................150

9.4.2 Aplicações típicas para o TRIAC..........................................................................................................151Exercícios...........................................................................................................................................................154

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.......................................................................................................................155

6

CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES

Introdução

Antes de iniciar o estudo sobre materiais semicondutores, vamos compreender a sua importância e exemplos de aplicações dos componentes que será abordado neste livro.

O homem contemporâneo utiliza no seu dia a dia muitos equipamentos eletrônicos, tais como celular, computador, televisão e vários outros dispositivos. Todos estes equipamentos, no qual o homem faz uso é constituída a base de materiais semicondutores.

Como ocorreu a descoberta destes materiais?Na década de 1940, um grupo de pesquisadores que trabalham no laboratório Bell

Telephone, nos Estados Unidos, estudava um dispositivo eletrônico para substituir os relés que eram utilizados no sistema telefônico. O grupo era formado pelo físico William Schockey, o engenheiro eletricista Jonh Bardeen e o físico Walter Brattain. Este grupo observou que alguns materiais não se comportavam nem como condutores nem como isolantes, ou seja, ora conduzia corrente elétrica ora a bloqueava. Após a descoberta dos materiais semicondutores, foi possível a implementação de diodos, transistores, CIs, etc.

Os países que investiram em materiais semicondutores tiveram um grande avanço em sua economia, uma vez que, constitui em um dos setores mais ativo da indústria.

Com exemplo, podemos citar Taiwan, no qual, antes da década de 1970 era uma economia agrícola, produzia arroz, cana-de–açúcar e abacaxi. A partir da década de 1970 investiu em tecnologia, especialmente em semicondutores. A sua estratégica para o desenvolvimento de uma política industrial e tecnológica foi baseada na experiência de parques tecnológicos (vale do silício).

Na década de 2000, a China inspirou-se no modelo de Taiwam e também investiu em semicondutores com o objetivo de tornar a China o líder mundial em semicondutores em 2010.

Compreender a estrutura química dos materiais semicondutores é de total importância para que possamos entender o funcionamento dos principais componentes da eletrônica como o diodo e o transistor que será abordado com detalhes neste livro.

1.1 Materiais semicondutores

Para o perfeito entendimento sobre os materiais semicondutores, iniciamos fazendo uma revisão sobre a estrutura atômica.

Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por prótons e nêutrons.

7

“Manter a liderança dos EUA em micoreletrônica é criticamente importante para a economia e a segurança nacional dos EUA”China´s Emerging Semiconductor Industry, Documento da Semiconductor Industry Association, outubro de 2003.

Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem-definidos, conhecidos com K, L, M, N, O, P e Q, que representa o modelo atômico de Bohr, como mostra a Figura 1.1.

Figura 1.1 - Estrutura do átomo

A última órbita de um átomo define a sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento dos elétrons da camada de valência com os elétrons da camada de valência de outro átomo).

Os materiais semicondutores apresentam 4 elétrons na sua camada de valência (tetravalentes). Não sendo classificados como bons isolantes, nem como bons condutores.

Os semicondutores mais utilizados são o silício e o germânio.

1.1.1 O átomo de silício

O átomo de silício contém 14 prótons e 14 elétrons distribuídos como indicado na Figura 1.2.

Figura 1.2 – átomo de silício

8

núcleo

K

L

MN

OP

Q

órbitas

Quanto maior a energia do elétron, maior é o seu raio.

1º órbita – 2 elétrons2º órbita – 8 elétrons3º órbita – 4 elétrons

+14

1.1.2 O átomo de germânio

O átomo de germânio contém 32 prótons e 32 elétrons assim distribuídos:

Figura1.3- átomo de gemânio

Devido os átomos de silício e de germânio serem tetravalentes, ou seja, possuir quatro elétrons na última camada, para conseguir a configuração de gás nobre necessitam de mais 4 elétrons para a sua estabilidade.

Quando se tem vários átomos de silício, cada átomo compartilha 4 elétrons com seus átomos vizinhos através da ligação covalente formando uma estrutura molecular forte.

Figura 1.4 - Ligação dos átomos de silício

9

+32

1º órbita – 2 elétrons2º órbita – 8 elétrons3º órbita – 18 elétrons4 ºórbita – 4 elétrons

Forma-se então uma estrutura cristalina.

Uma estrutura cristalina é caracterizada quando os átomos ficam bem organizados, ou seja, em uma forma bem definida. Se a forma fosse desorganizada seria chamada estrutura amorfa.

Quando o cristal de silício é colocado em uma temperatura superior ao zero absoluto (-273 ºC), alguns elétrons da camada de valência se tornam elétrons livres, ou seja, passam para a camada de condução (banda de condução), sendo capazes de se movimentar pelo material. São estes elétrons livres que, sob a ação de um campo elétrico, formam a corrente elétrica.

O elétron ao se tornar livre deixa no lugar um buraco (lacuna).Na temperatura ambiente um cristal puro, ou seja, formado apenas por um tipo de

átomo, ocorre a formação de elétrons livres e lacunas, porém a quantidade de elétrons livres é igual ao número de lacunas, por isso, a neutralidade deste cristal se mantém. (O número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas).

Em um cristal formado por germânio na temperatura ambiente a quantidade de elétrons livres e lacunas são maiores do que no cristal de silício.

Vale ressaltar que a formação de elétrons livres é chamada de GERAÇÃO, e quando se tem um cristal puro, ele é chamado de semicondutor INTRÍNSECO.

Em um semicondutor intrínseco, como existem elétrons livres e lacunas formadas pela energia térmica, os elétrons livres se movem randomicamente através do cristal, que ocasionalmente ocupa uma lacuna (sendo atraído pela lacuna). Quando isto ocorre temos o que é chamado de RECOMBINAÇÃO. A recombinação é o fenômeno que ocorre quando elétrons livres ocupam a lacuna, neste caso, o desaparecimento da carga negativa é acompanhado pelo desaparecimento da carga positiva. A neutralidade do cristal, deste modo é mantida.

O tempo entre a geração e a recombinação é chamado de TEMPO DE VIDA.Em um semicondutor com o aumento da temperatura temos uma diminuição de sua

resistividade, dizemos que estes materiais possuem coeficiente negativo de temperatura, ou seja, qualquer aumento de temperatura corresponde a uma diminuição de sua resistência. Sendo, portanto, diferente do comportamento elétrico dos metais comuns, uma vez que com o aumento da temperatura a corrente terá maior dificuldade de passar, já que o número de elétrons livres é bastante elevado e qualquer aumento da temperatura não causará a libertação de muitos elétrons a mais, mas contribuirá de modo acentuado para um aumento da agitação térmica dos átomos.

Nos metais com o aumento da temperatura a resistência aumenta. Os metais têm, portanto, coeficiente positivo de temperatura.

Exercícios

1. Complete

a) Os semicondutores mais utilizados e mais comuns são o ______________ e o _____________.

b) O átomo de sílicio contém ______________elétrons. Com _______elétrons na camada de valência.

c) O átomo de germânio contém_____________elétrons. Com________elétrons na camada de valência.

10

d) Os átomos de silício e de germânio por serem _____________, necessitam de mais________ elétrons para conseguir a configuração de gás nobre.

e) Cada átomo compartilha ______elétrons com seus átomos vizinhos através da ligação ___________________.

f) Na temperatura ambiente, alguns elétrons da camada de valência se tornam ____________________________.

g) A formação de elétrons livres é chamada ________________________.h) A ocupação de um elétron livre na lacuna é chamada __________________________.i) O tempo entre a geração e recombinação é chamado ______________________.

1.1.3 Semicondutores do tipo P e N

Em um semicondutor podem-se acrescentar impurezas para se obter excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas.

O silício e o germânio são tetravalentes, isto é possuem 4 elétrons na camada de valência.

Quanto substâncias pentavalentes (possuem 5 elétrons na camada de valência), são adicionadas ao cristal puro, a configuração de gás nobre não é obtida, como se observa na Figura 1.5.

Figura 1.5 – Estrutura de silício dopada com antimônio (Sb).

A cada átomo pentavalente que é adicionado, sobra um elétron, pois apenas 4 elétrons se ligam aos átomo de silício, pois o silício possui 4 elétrons e só necessita de mais 4 elétrons para conseguir a configuração de gás nobre.

11

Sb

Si

Si

Si

Si

Elétronlivre

Nesse semicondutor temos o chamado material tipo N, pois em toda a sua estrutura, a quantidade de elétrons livres é superior à quantidade de lacunas, como indica a Figura 1.6.

Figura 1.6 – Material tipo N.

Como a quantidade de elétrons livres é maior do que a quantidade de lacunas, os elétrons livres são chamados portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários.

Se, no entanto, acrescentarmos impurezas trivalentes, para que ocorra a estabilidade, irá faltar um elétron, ou seja, sobra uma lacuna, como mostra a Figura 1.7. Temos a formação de um material tipo P, onde as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons livres portadores minoritários.

Figura 1.7 – (a) Estrutura de silício dopada com boro (B), (b) material tipo P correspondente.

1.1.4 O diodo

Ao unir um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N, temos a formação do componente eletrônico chamado diodo, como mostra a Figura 1.8. Componente este que será de grande importância para a construção de fontes de alimentação e muitas outras aplicações posteriormente discutidas.

12

B

Si

Si

Si

Si

Lacuna

P

N

Figura 1.8 – Diodo formado pela junção dos materiais tipo N e tipo P.

Na junção PN os elétrons livres do material tipo N é atraído pelas lacunas do material tipo P. Então alguns elétrons passa do material tipo N para o material tipo P, os átomo que perde o elétron fica ionizado positivamente (cátions) e os que recebem ficam ionizado negativamente (ânions). Na junção cria-se um campo elétrico impedindo que outros elétrons passem do material tipo N para o material tipo P.

Observe que no material tipo N, embora tenham elétrons livres em excesso quem perde elétrons são os átomos, e como no átomo o número de lacunas ficará maior que o número de elétrons, ficará ionizado positivamente.

Na junção PN, temos o que é chamado de camada de depleção, ou seja, a camada de depleção é definida como a junção PN onde se encontra os cátions e ânions. Devido à camada de depleção, ocorre a barreira de potencial, diferença de potencial na junção.

A barreira de potencial na temperatura de 25ºC é de aproximadamente 0,7V para os diodos de silício e 0,3V para os diodos de germânio.

Simbologia do diodo é mostrada na Figura 1.9.

Figura 1.9 – Símbolo do diodo de junção PN.

1.2 Polarização do diodo

Para o seu funcionamento, o diodo precisa ser polarizado. Diferentemente do que ocorre com um resistor, na operação do diodo é essencial saber a polaridade da fonte de tensão.

13

_

_

_

+

+

+

Junção PN

anodo

catodo

Anodo- material tipo PCatodo – material tipo N

1.2.1 Polarização direta

Na polarização direta, o potencial positivo da fonte é ligado ao anodo (material tipo P) e o potencial negativo da fonte ligado ao catodo (material tipo N), como mostra a Figura 1.10.

O potencial negativo repele os elétrons do material tipo N, onde se a tensão da fonte de alimentação for maior do que a barreira de potencial os elétrons atravessam a junção PN, passa pelo material tipo P e é atraído pelo potencial positivo da fonte.

Ao polarizar diretamente um diodo ideal ele se comporta como uma chave fechada, isto é, irá circular uma corrente elétrica pelo dispositivo.

Figura 1.10 – Diodo polarizado diretamente.

1.2.2 Polarização reversa

Na polarização reversa o potencial positivo da fonte é ligado ao catodo (material tipo N) e o potencial negativo da fonte é ligado ao anodo (material tipo P), como mostra a Figura 1.11.

Na polarização reversa um diodo ideal se comporta como uma chave aberta. No entanto, na prática, temos duas pequenas correntes que circulam no diodo. A corrente de saturação e a corrente de fuga de superfície.

A corrente de saturação existe devido à energia térmica uma vez que são gerados pares de elétrons livres e lacunas. Os portadores minoritários podem dentro da camada depleção, atravessar a junção ocasionando uma pequena corrente.

A corrente de fuga de superfície é ocorre na camada mais externa do diodo. Os átomos na superfície não possuem vizinhos para fazer a ligação covalente, esta quebra forma na superfície lacunas se comportando como um material tipo P. Por isso, os elétrons podem entrar no material N atravessar toda a superfície do diodo passado pelo material tipo P indo para a polaridade positiva da fonte.

14

_

_

_

+

+

+

N P

Figura 1.11 – Diodo polarizado inversamente.

Exercícios

1. Dado os circuitos, indique qual das lâmpadas irá acender.

a)

b)

15

_

_

_

+

+

+

N P

1.3 Informações Práticas

- Diodo de germânio

Este tipo de diodo é utilizado com correntes muito fracas, mas pode operar em velocidades muito altas, assim ele é utilizado principalmente na detecção de sinais de altas frequências (rádio). Tipos conhecidos desta família são o 1N34, 1N60, OA79 etc.

Estes diodos são especificados segundo uma codificação: para os diodos de origem americana temos a sigla “1N”, enquanto que para os diodos de origem européia temos a sigla “AO” ou ainda “BA”.

- Diodo de silício de uso geral

São diodos de silício fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade, da ordem de no máximo 200mA e tensões inversas que não vão além dos 100 V. São utilizados em circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização etc. O 1N4148 é um dos tipos mais populares deste grupo de silício de uso geral.

- Diodos retificadores de silício

Estes são destinados à condução de correntes intensas e também operam com tensões relativamente elevadas que podem chegar a 1000V ou 1200V, quando polarizando reversamente.

Uma série muito importante destes diodos é a formada pelo “1N4000”e que começa com o 1N4001. Todos os diodos da série podem conduzir uma corrente direta de até 1 A, mas a tensão reversa vai aumentando à medida que o número do componente também aumenta. A Tabela 1 indica essa variação. A Figura 1.12 mostra a página de um datasheet do fabricante Fairchild para esta série de diodos.

Tabela 1. Diodos Retificadores.Tipo PIV

1N4001 50V1N4002 100V1N4003 200V1N4004 400V1N4005 600V1N4006 800V1N4007 1000V

16

Figura 1.12. Características elétricas dos diodos da série 1N4000.

17

Exercícios

1.Complete

a) Quando átomos pentavalentes são adicionados ao cristal puro, temos a formação de um semicondutor do tipo __________.b) Quando átomos trivalentes são adicionados ao cristal puro, temos a formação de um semicondutor do tipo ___________.c) No material do tipo P as lacunas são portadores________________________.d) No material do tipo N as lacunas são portadores_______________________.e) Na junção PN temos a camada de ___________________.f) Na camada de depleção origina a barreira de _________________________.g) Se o diodo for de silício a barreira de potencial é de_______________V.h) Se o diodo dor de germânio a barreira de potencial é de___________V.j) Na polarização direta o diodo ideal se comporta como uma_____________________.k) Na polarização reversa o diodo ideal se comporta como ________________________.l) Na polarização reversa, na prática temos duas correntes a corrente de

____________________________ e a corrente _________________________.

2.(CHESF 2002) Dispositivos elétricos e eletrônicos são construídos com os mais variados tipos de materiais elétricos e magnéticos. Os diodos e os transistores, sejam os bipolares de junção ou os de efeito de campo, utilizam materiais semicondutores em sua estrutura. A respeito de materiais semicondutores e de dispositivos eletrônicos, julgue os itens subseqüentes.

I Ao longo da história da eletrônica, o germânio e o silício podem ser citados como importantes materiais semicondutores.

II Cristal semicondutor do tipo n tem as lacunas como principais portadores móveis de carga.

III Cristal semicondutor extrínseco é aquele dopado com elementos denominados impurezas.

IV Um transistor bipolar de junção basicamente caracteriza-se por possuir três junções pn.

V O diodo semicondutor apresenta uma junção pn.

Estão certos apenas os itens

A I, II e IV. C I, III e V. E III, IV e V.B I, II e V. D II, III e IV.

2. (ELETRONORTE 2006) Considerando que os diodos D1, D2 e D3 do circuito abaixo são ideais, é possível afirmar que:

a. D1, D2 e D3 estão cortados;

18

b. D1, D2 e D3 estão conduzindo;c. D1 e D2 estão conduzindo e D3 está cortado;d. D1 está cortado e D2 e D3 estão conduzindo;e. D1 está conduzindo e D2 e D3 estão cortados.

Experiência no Laboratório

Experiência 1 – Compreendendo a polarização em um diodo

Neste circuito, devem-se identificar os terminais anodo e catodo em um diodo com o auxílio de um multímetro digital. Posteriormente, deve-se montar um circuito simples para compreender a polarização em um diodo.

Material necessário:

- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 led;- 1 resistor de 470; ¼ w- 1 Fonte de alimentação de 6V;- 1 multímetro digital.

Procedimento 1: Identificação dos terminais anodo e catodo

1. Coloque a chave seletora do multímetro na indicação do diodo.2. Segure uma ponta de prova do multímetro em perna do diodo.3. Observe que:Se o valor que aparecer no display for de 600mV, significa que você está polarizando

diodo diretamente, logo, onde está à ponta de prova vermelha refere-se ao anodo e a ponta de prova preta ao catodo.

Se o valor que aparece no display se refere o infinito, significa que você está polarizando diodo reversamente, logo, onde está à ponta de prova vermelha refere-se ao catodo e a ponta de prova preta ao anodo.

Procedimento 2: Compreendendo a polarização direta e reversa em um diodo

1. Monte o circuito da figura 1.12

19

Figura 1.12 Polarização reversa

2. Inverta o diodo, veja a figura 1.13.

Figura 1.13 Polarização direta

20

CAPÍTULO 2 – TEORIA DOS DIODOS

Introdução

A tensão que chega a nossas residências é uma tensão alternada de 220V (região nordeste do Brasil). No entanto, a maioria dos equipamentos eletrônicos necessita de uma tensão contínua para funcionar. O que fazer?

A tensão para alimentar a grande maioria dos equipamentos deve passar por uma fonte de alimentação. Esta fonte transforma o sinal que é alternado em uma tensão contínua, como mostra a Figura 2.1.

Figura 2.1 Fonte de alimentação DC

Uma das principais aplicações do diodo, no qual, iremos estudar servirá para a montagem de uma fonte de alimentação.

2.1 Curva característica do diodo

A curva característica do diodo é um gráfico(figura 2.2), no qual, relaciona a tensão que é aplicada com a corrente que circula pelo diodo.

Figura 2.2 Curva característica do diodo

21

V

I

Joelho (0,7V) para diodo de silício

ruptura

Polarização direta

Polarizaçãoreversa

2.2 Polarização Direta

Na polarização direta, será aplicada uma fonte de tensão contínua no diodo, no qual, o pólo positivo da fonte será ligado ao anodo do diodo e o pólo negativo da fonte ao catodo, como mostra a figura 2.3.

Figura 2.3 Polarização direta

Observe no gráfico(figura 2.2), do lado direito, a polarização direta. Quando a tensão for maior do que a barreira de potencial (0,7V para o diodo de silício), a corrente circula livremente.

2.3 Polarização Reversa

Na polarização reversa, será aplicada uma fonte de tensão contínua no diodo, no qual, o pólo positivo da fonte será ligado ao catodo do diodo e o pólo negativo da fonte ao anodo como mostra a figura 2.4.

Figura 2.4 Polarização reversa

Na polarização reversa, o diodo funciona basicamente como uma chave aberta, existindo apenas duas pequenas correntes, como já foi visto no capítulo1, a corrente de saturação e a corrente de fuga da superfície. Se continuarmos aumentando a tensão da fonte, irá chegar um instante em que o diodo não suporta e termina queimando (ruptura) então a corrente passa a circular livremente. Esta tensão máxima em que o diodo suporta é denominada tensão de pico inversa (PIV).

2.4 Modelos Do Diodo

2.4.1 Diodo Ideal

Um diodo ideal, na polarização direta, a barreira de potencial e a resistência de corpo não são considerados. Na polarização reversa, a corrente de fuga de superfície e a corrente de saturação são desprezados.

22

Na polarização direta um diodo ideal se comporta como uma chave fechada e na polarização reversa como uma chave aberta, como mostra a figura 2.5b e 2.6b.

POLARIZAÇÃO DIRETA

Na figura 2.5(a), temos o circuito em que o diodo está polarizado diretamente, na figura 2.5(b), o circuito equivalente com o diodo polarizado diretamente.

Figura 2.5(a) Polarização direta, (b)Circuito equivalente do diodo na polarização direta

POLARIZAÇÃO REVERSA

Figura 2.6(a) Polarização reversa, (b)Circuito equivalente do diodo na polarização reversa

2.4.2 Modelo Simplificado

Considera-se a barreira de potencial. Para o silício a barreira de potencial é de 0,7V e para o germânio a barreira de potencial é de 0,3V.

POLARIZAÇÃO DIRETA

Na figura 2.7(a), temos o circuito em que o diodo está polarizado diretamente e a figura 2.7(b), o circuito equivalente para a polarização direta, no qual foi considerado a barreira de potencial de 0,7V para o diodo de silício.

23

Figura 2.7(a) Polarização direta (b) Circuito polarização direta para o segundo modelo do diodo

POLARIZAÇÃO REVERSA

Na figura 2.8(a), temos o circuito em que o diodo está polarizado reversamente e a figura 2.8(b), o circuito equivalente para a polarização reversa.

Figura 2.8(a) Polarização reversa (b) Circuito polarização reversa para o segundo modelo do diodo

2.4.3 Modelo linearizado

Considera-se a barreira de potencial e a resistência de corpo. Como a resistência de corpo são valores muito baixos, podendo variar de 0,1 a 10 dependendo da dopagem. Não iremos usar este modelo neste livro.

Exercícios

1. Considere o segundo modelo para o diodo, calcule a corrente que passa no amperímetro (Figura 2.9).

2.3.4.

Figura 2.9

24

0.7V

3,9K

5,6K

5V

2. Considerando o segundo modelo para o diodo, calcule a tensão que o voltímetro deve indicar (Figura 2.10).

Figura 2.10

3.Considere o diodo ideal, calcule a tensão no resistor de 1k (Figura 2.11).

Figura 2.11


Experiência 1- A curva do Diodo

Nesta experiência, vamos montar o circuito básico com o diodo e polarizar diretamente e reversamente para que possamos medir a tensão e a corrente e, consequentemente desenhar a curva característica do diodo.


- 1 Fonte de alimentação cc variável de 0 a 10V;- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);

25

Procedimento:

1- Monte o circuito abaixo (Figura 2.12):

Figura 2.12

2- Preencha a tabela abaixo:

VF A V12345678910

26

Monte o circuito abaixo:

Figura 2.13

4- Preencha a tabela abaixo:

VF A V12345

DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA

Sequência de Leds

Neste circuito, você irá observar através de leds a influência da barreira de potencial em cada diodo.

Matérial necessário:

-1 bateria de 12 V;- 1 capacitor de 2200F, 16V; - 1 resistor de 1,2K; 1/4W;- 4 leds;- 4 diodo 1N4001.

O circuito é apresentado na Figura 2.14.

27

Figura 2.14

Neste circuito, quando a chave estiver na posição 1 o capacitor deve carregar instantaneamente. Ao colocar a chave na posição 2 os quatros leds devem acender, a medida que o capacitor irá de descarregar os led irão apagar na sequência 4,3,2 e 1.

28

CAPÍTULO 3 – CIRCUITOS COM DIODOS

Introdução

Neste capítulo, vamos estudar os circuitos retificadores que servirão para a montagem de uma fonte de alimentação.

3.1 Tensão Senoidal

Uma tensão senoidal pode ser representada graficamente de duas formas: nos domínios temporal e angular como mostram as Figuras 3.1 e 3.2, respectivamente.

Figura 3.1 Domínio temporal

Figura 3.2 Domínio Angular

Onde:Vp – tensão de pico (amplitude máxima positiva ou negativa, que a tensão senoidal

pode atingir).Vpp – Tensão de pico a pico (amplitude total, entre os valores máximos positivo e

negativo).

29

2Wt = (rd)

Vp

-Vp

T/2 T

T(s)

Vp

-Vp

Matematicamente, os gráficos da tensão senoidal nos domínios temporal e angular podem ser representados, respectivamente, por:

V(T) = Vpsen wt e V() = Vp sent

Onde:

V(t) = V() = valor da tensão no instante t ou para o ângulo (em V)

3.2 Transformador

O transformador é um dispositivo que permite modificar a amplitude de uma tensão alternada, aumentando ou diminuindo-a. Pode-se também utilizar para isolar o circuito do lado do primário, do circuito do lado do secundário, neste caso, a amplitude não será alterada.

Ele consiste em duas bobinas isoladas eletricamente, montadas em um mesmo núcleo de ferro (usado para concentrar as linhas de campo).

Figura 3.3 transformador

Na figura 3.3, observamos que a bobina no qual recebe a tensão a ser transformada (Vp) denomina-se primário, e segunda bobina, no qual foi criado a tensão induzida (Vs) denomina-se secundário.

Funcionamento.

Ele funciona a partir do fenômeno da indução mútua. Quando uma corrente alternada ou pulsante passa no enrolamento primário o fluxo magnético variável que ele cria envolve as espiras do enrolamento secundário, causando o aparecimento de uma f.e.m induzida nos terminais do secundário.

Em um transformador ideal (que não possui perdas), a potência entregue ao primário(Pp) é igual à potência que o secundário (Ps) entrega à carga, ou seja:

30

VsVp

Você sabe o que é flybacks?

Os flybacks são transformadores de alta tensão presentes nos televisores comuns de todos os tipos e também nos monitores de vídeo de computadores.

Ps = Pp

Pp = Vp.Ip

Logo:

Vp.Ip = Vs.Is

Vp/Vs = Np/Ns e Is/Ip = Np/Ns

Valor eficaz

Para sinais senoidais, existe um conceito muito importante denominado valor eficaz ou rms.

O valor eficaz Vef ou Vrms de uma tensão alternada é a tensão que equivale a uma tensão contínua, de tal forma que, ao aplicar uma tensão contínua a uma resistência faria com que ela dissipasse a mesma potência média caso fosse aplicado essa tensão alternada.

Vp =

3.3 Circuito Retificador de Meia-Onda

O circuito retificador de meia-onda é constituído por um transformador, um diodo e a carga, como mostra a Figura 3.4.

Figura 3.4 Circuito retificador de mei-onda

Funcionamento

No semiciclo positivo, o diodo conduz (polarização direta) e a tensão no resistor é a mesma do secundário do transformador. Observe as Figuras 3.5(a) e3.5(b).

31

2 Veficaz

Figura 3.5 (a)Circuito retificador de meia-onda, (b) Forma de onda no resistor no semiciclo positivo.

No semiciclo negativo o diodo estará reversamente polarizado, portanto funcionando como uma chave aberta, logo a corrente não passará no resistor e a tensão na carga será zero, como mostra as Figura 3.6(a) e 3.6(b).

Figura 3.6 (a)Circuito retificador de meia-onda, (b) Forma de onda no resistor.

Observe que a onda na qual era alternada no secundário do transformar ao passar pelo diodo fica contínua, mais precisamente contínua pulsante.

A finalidade deste circuito é transformar a tensão que era alternada(primário do transformador) em contínua( sinal na carga).

Qual valor o multímetro indicará ao ler a tensão no resistor, já que a tensão é pulsante.?O multímetro indicará o valor médio, calculado da seguinte forma:

onde f(t) = Vp sen no intervalo de 0 a e o período é de 2

32

Logo:

Wt =

logo:

, e T = 2, logo w = 1

Vdc =

Exemplo:

1) Em um circuito retificador de meia-onda, a tensão no secundário do transformador é 12V. Calcule a tensão no resistor.

Solução:

Vst refere-se a tensão no secundário do transformador

Vp = Vst

Vp = . 12 = 16,97V

Vdc = Vp Vdc = 16,97 Vdc = 5,4V

ESPECIFICAÇÕES DO DIODO

33

2

2

Qual diodo poderá ser colocado neste circuito?

O diodo deverá suportar a tensão máxima que ficará nele quando reversamente polarizado e a corrente média quando diretamente polarizado.

Logo temos duas especificações:

PIV – Tensão de pico inversaIo – Quantidade de corrente que o diodo deve suportar

PIV – O diodo quando reversamente polarizado (semiciclo negativo), funcionará como uma chave aberta, com mostra a Figura 3.7.

Figura 3.7 – Circuito equivalente no diodo para o semiciclo negativo

PIV = Vpst (Tensão de pico do secundário do transformador)

Determinação do Io

Io - É a corrente média, quando o diodo está diretamente polarizado, logo a corrente que passa por ele é igual a corrente que passa no resistor.

No semiciclo positivo o diodo conduz. Tem corrente passando no diodo e tem corrente no resistor.

No semiciclo negativo o diodo não conduz. Não tem corrente passando no diodo e também não tem corrente no resistor.

Logo:

Io = Idc

34

Toda a tensão do secundário do transformador deve estar no diodo.

A quantidade de corrente que passa no diodo é igual a quantidade de corrente que passa no resistor. Logo: Idc = Vdc/R

Exemplo:

1)Em um circuito retificador de meia-onda a tensão no secundário do transformador é 9V. Calcule as especificações do diodo. Dado: R= 3.9K

Solução:

Vp = Vst

Vp = . 9 = 12,72V

Vdc = Vp Vdc = 12,72 Vdc = 4,05V

PIV = 12,72V

Io = Idc = Vdc Io = 4,05 = 1,03mA

3.4 Circuito Retificador de Onda Completa

No circuito retificador de onda completa com derivação central(Figura3.8), deve-se utilizar um transformador com derivação central, dois diodos e a carga.

Figura 3.8 Circuito retificador de onda-completa com derivação central

Na montagem do circuito, utiliza-se de um transformador com derivação central, conhecido também como tomada central ou, em inglês “central – tap”( Figura 3.9).

Nestes transformadores, o enrolamento secundário apresenta uma derivação no centro. Esta derivação fará com que a tensão fique dividida igualmente da metade para uma das estremidades.

35

2

2

R 3,9K

Rl

Ex:

Figura 3.9 Transformador com derivação central

Funcionamento do circuito

No semiciclo positivo D1 conduz e D2 abre, como mostram as Figura 3.8(a) e 3.8(b).

Figura 3.10 (a) Circuito retificador de onda completa com derivação central, (b) Forma de onda no resistor no semiciclo positivo.

A tensão no resistor será a metade da tensão total do transformador.

No semiciclo negativo D1 abre e D2 conduz, como mostra as Figuras 3.11(a) e 3.11(b).

36

9V

9V

18V

+

-

Vst

+

Vdc

T

T

+

- Vst

+

Vdc

T

-

T

Figura 3.11(a) Circuito retificador de onda completa com derivação central, (b) Forma de onda no resistor no semiciclo negativo

Observe que a polaridade no resistor permanece a mesma e a freqüência em relação a tensão no secundário do transformador é o dobro pois o período é a metade.

A tensão Vdc será:

onde:

f(t) = Vp sen para o intervalo de 0 a e –Vp sen para o intervalo de a 2

Devemos integrar o sinal até 2, logo W = 2 f = 1

logo:

OBS: Como apenas a metade da tensão no secundário irá para o resistor temos que:

37

2 . Vst

Vp =

Exemplo;

1) Em um circuito retificador de onda completa com derivação central a tensão no secundário do transformador é 16V. Calcule a tensão no resistor de 5,6K.

Solução:

Vp = =

Vp = 11,31V

Vdc = 2.(11,31)/ = 7,2V


PIV – Quando D1 está aberto D2 está conduzindo e a tensão que fica em D1 é a tensão total do secundário do transformador.

Figura 3.12 Circuito equivalente do circuito retificador de onda completa com derivação central no semiciclo positivo

PIV = Vpst

38

2

2 . Vst

2 2

2 . 16

+

-

Io – No semiciclo positivo D1 conduz e tem corrente no resistor, no semiciclo negativo D1 estará aberto mais D2 conduz e existirá corrente no resistor logo: A quantidade de corrente que passa no diodo é a metade da quantidade de corrente que passa do resistor.

Io = Idc

Exemplo:

1) Em um circuito retificador de onda completa com derivação central , a tensão no secundário do transformador é 12V . Calcule as especificações do diodo para um resistor de 2,7 K.

Solução:

Vp = =

Vp = 8,48V

Vdc = 2.(8,48)/ = 5,4V

PIV = . 12 = 16,97V

Io = Idc Idc = 5,4/2,7K = 2mA

Io = 2m/2 = 1mA

39

2

2 . Vst

2 2

2 . 12

2

2

3.5 Retificador Em Ponte

No circuito retificador em ponte (Figura 3.13), será utilizado quatro diodos para aproveitar os dois semiciclos(positivo e negativo) do sinal alterado. Outrosim, toda a tensão do secundário do transformador chegue na carga.

Figura 3.13 Circuito retificador em ponte

Durante o semiciclo positivo D2 e D3 conduzem e D1 e D4 funcionarão como uma chave aberta, como mostram as Figuras 3.14(a) e 3.14(b).

Figura 3.14 (a)Circuito retificador em ponte, (b) Forma de onda no semiciclo positivo

Durante o semiciclo negativo D1 e D4 conduzem, D2 e D3 funcionarão como uma chave aberta, como mostram as Figura 3.15(a) e 3.15(b).

40

Rl

D2

D4

D1

D3

Figura 3.15 (a) Circuito retificador em ponte, (b) Forma de onda no semiciclo negativo

Como a forma de onda é igual a do circuito retificador de onda completa com derivação central, o cálculo da tensão Vdc é igual.

Vdc = 2Vp

A vantagem do circuito retificador em ponte em relação ao circuito retificador de onda completa com derivação central é que não necessita de um transformador com derivação central e a tensão total do transformador é aproveitada.

Exemplo:

1) Em um circuito retificador em ponte a tensão no secundário do transformador é de 12V. Calcule a tensão na carga.

Solução:

Vdc = 2VP/

Vp = . 12 = 16,97V

Vdc = 2.16,97/ = 10,8V

41

2


São duas as especificações do diodo: Tensão máxima de pico que fica no diodo quando o mesmo está inversamente polarizado, denominado PIV(Tensão de pico inversa) e o valor médio a corrente no diodo quando o mesmo está diretamente polarizado, denominado Io.

PIV- No semiciclo positivo D1 está funcionando como uma chave aberta e D3 está conduzindo, observe na Figura 3.12, que a tensão em D1 é igual a tensão total do secundário do transformador.

PIV = Vpst

Io – Durante o semiciclo positivo a corrente não passa sobre D1, mas tem corrente no resistor. No semiciclo negativo tem corrente no diodo e também tem corrente no resistor, logo:

Io = Idc

Exemplo

1)Em um circuito retificador em ponte, a tensão no secundário do transformador é 9V. Calcule as especificações do diodo sabendo que o resistor é de 2,7K.

Solução:

Vdc = 2VP/

Vp = . 9 = 12,72V

Vdc = 2.12,72/ = 8,1V

PIV = 12,72V

Io = Idc/2 Idc = Vdc/R = 8,1/2,7K = 3mA

Io = 3m/2 = 1,5mA

42

2

2

3.6 Comparação Entre As Frequências Dos Circuitos Retificadores

Para compreender a freqüência do sinal na carga, vamos analisar o período entre o sinal no secundário do transformador e o sinal na carga.

Na comparação entre o período do sinal no secundário do transformador e o período do sinal na carga em um circuito retificador de meia-onda, observando a Figura 3.16, verificamos que o período do sinal no secundário do transformador terá o mesmo período do sinal no resistor em um circuito retificador de meia-onda.

Figura 3.16 Comparação entre o período da onda no secundário do transformador e na carga no circuito retificador de meia onda.

Na Figura 3.16, verificamos que ao comparar o período do sinal da linha com a do circuito retificador de meia-onda , o período permanece o mesmo, ou seja 2. Logo, a frequência, é a mesma . Se a frequência da linha for de 60Hz, em um circuito retificador de meia-onda, a frequência também será de 60Hz.

Na comparação entre o período do sinal no secundário do transformador e o período do sinal na carga em um circuito retificador de onda completa, (Figura 3.17) iremos fazer a seguinte análise:

43

+

Vdc

T

-

Vst

FORMA DE ONDA DA LINHA

FORMA DE ONDA NO RESISTOR PARA O CIRCUITO RETIFICADOR DE MEIA-ONDA

2

2

Figura 3.17 Comparação entre o período da onda no secundário do transformador e na carga no circuito retificador de onda-completa.

O período da linha é 2, porém, nos circuitos retificadores de onda completa, no resistor, o período é , logo, a frequência no circuito retificador de onda completa é o dobro da frequência da linha. Exemplificando, se na linha a frequência for de 60Hz, em um circuito retificador de onda completa a freqüência na carga será de 120Hz.

Exercícios

1. Preencha os espaços em branco.

A . Em um circuito retificador de meia-onda a tensão no resistor será calculado pela seguinte equação: Vdc =___________B . Em um circuito retificador de meia-onda PIV = _____________ e Io = __________C . Em um circuito retificador de onda completa com derivação central a tensão no resistor será calculado pela seguinte equação: Vdc =__________, onde Vp = _________ da tensão no secundário do transformador.D . Em um circuito retificador de onda completa com derivação central temos: PIV = ___________ e Io = ______________.E . Em um circuito retificador em ponte a tensão no resistor será calculado pela seguinte equação: Vdc = ______________F . Em um circuito retificador em ponte temos: PIV = ___________ e Io = ___________G . Se a frequencia da linha for de 50Hz, em um circuito retificador de meia-onda a frequência será de _____________ no circuito retificador de onda completa com derivação central a frequência será de _________e no circuito retificador em ponte a frequência será de ___________.

2. Em um circuito retificador de meia-onda a tensão no secundário do transformador é de 18V, sabendo que Rl = 6,8K. Calcule as especificações do diodo.

44

Vst

+

Vdc

T

-

T

FORMA DE ONDA DA LINHA.

FORMA DE ONDA NO CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TAP CENTRAL E RETIFICADOR EM PONTE.

2

2

3. Em um circuito retificador de onda-completa com derivação central a tensão no secundário do transformador é de 25V. Sabendo que Rl = 5,6K. Calcule as especificações do diodo.

4. Em um circuito retificador em ponte a tensão no secundário do transformador é de 16V, sabendo que Rl = 8,2K. Calcule as especificações do diodo.

5. Um aluno montou em laboratório o circuito da Figura 3.18, no qual verificou a forma de onda no resistor com o osciloscópio, como mostra a figura. Se o aluno utilizasse o multímetro para medir a tensão no resistor, qual tensão ele iria ler?

Figura 3.18

6. Dado o circuito(Figura 3.19) determine a tensão V1. Dado: Vst = 25V, R1 = 10k, R2 = 15k e R3 = 22K.

Figura 3.19

7. Dado o circuito (Figura 3.20), determine a tensão V1 e as especificações do diodo. Dado: Vst = 26V, R1 = 1K, R2 = 3,3K e R3 = 5,7K

45

Figura 3.20

8- Dado o circuito (Figura 3.21), determine a forma de onda no diodo D1.

Figura 3.21

9. Um aluno montou em laboratório o circuito (Figura 3.22), no qual observou a forma de onda com o osciloscópio no resistor, como mostra a figura. Determine a tensão que ele irá ler ao medir a tensão no resistor com o multímetro.

Figura 3.22

46

V1


Experiência 2 – Circuito retificador de meia-onda

Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de meia-onda, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.


- 1 transformador, 110V/220V – 9V, 500mA- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:

1- Monte o circuito da Figura 3.23:

Figura 3.23

2- Com o uso do osciloscópio, observe a forma de onda no resistor.3- Utilize as expressões matemáticas e calcule a tensão Vdc.4- Com o multímetro meça a tensão no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado.5- Inverta o diodo e observe a forma de onda no resistor.

Experiência 3 – Circuito retificador de onda completa com derivação central

Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivação central, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.


47

- 1 transformador com derivação central, 110V/220V – 12V+12V, 500mA- 2 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:

1.Monte o circuito da Figura 3.24:

Figura 3.24

2. Com o uso do osciloscópio, observe a forma de onda no resistor.3. Utilize as expressões matemáticas e calcule a tensão Vdc.4. Com o multímetro meça a tensão no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado.5. Inverta os diodos e observe a forma de onda no resistor.

Experiência 4 – Circuito retificador em Ponte



- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

48

Rl

Procedimento:

1.Monte o circuito da Figura 3.25:

Figura 3.25

2.Com o uso do osciloscópio, observe a forma de onda no resistor.3.Utilize as expressões matemáticas e calcule a tensão Vdc.4.Com o multímetro meça a tensão no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado.5.Inverta os diodos e observe a forma de onda no resistor.


Capacitor variável

Neste circuito será construído um capacitor variável de estado sólido, servindo para substituir capacitores variáveis comuns em circuito de sintonia.


2 baterias de 12V;1 resistor de 8,2K 1/4W;1 resistor de 1M;1 potenciômetro de 1M;1 diodo varicap ( qualquer um serve);1 capacitor 10nF

Circuito da Figura 3.26:

Figura 3.26

49

Rl

D2

D4

D1

D3

CAPÍTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO

Introdução

Nos circuitos retificadores visto até agora, verificamos que a tensão já é contínua, no entanto, o sinal continua pulsando. O próximo passo para construirmos uma fonte de alimentação é aplicar um filtro capacitivo, para que o sinal fique o mais próximo de uma tensão contínua constante.

4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo

No circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo, foi introduzido um capacitor em paralelo a carga como mostra a Figura 4.1

Figura 4.1 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo

No semiciclo positivo do diodo conduz e o capacitor começa a carregar até atingir a tensão de pico no secundário do transformador.

Quando a tensão do secundário do transformador diminuir (sendo menor do que Vp) o diodo abre, pois a tensão no capacitor será maior do que a tensão no secundário do transformador (o diodo estará polarizado reversamente). Então o capacitor começa a descarregar pelo resistor, para este circuito utilizado-se valores relativamente altos para C, de tal forma que = RC, será maior do que o período da onda no secundário do transformador (T= 1/60 s).

Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e o capacitor continua descarregando pelo resistor.

Novamente no semiciclo positivo, quando Vst > Vc (tensão no secundário do transformador maior do que a tensão no capacitor) , o diodo conduz e o capacitor carrega até atingir a tensão de pico do secundário do transformador, como mostra a Figura 4.2.

50

Figura 4.2 Forma de onda no resistor

Vdc = Vp - Vond

Vond = I

Onde:

I = Corrente no resistor, no entanto iremos aproximar a Vp/RF = frequência da forma de onda no resistorC = Capacitância

Obs: Quanto maior = RC, menor será a tensão de ondulação, logo maior será a tensão Vdc e mais contínua será a forma de onda no resistor.

51

Vst

Vdc

T

T

2

FC

De: I = C dVdt dV = Vond



PIV

A tensão no diodo terá o maior valor, quando em um circuito o capacitor tiver um valor muito elevado não tendo tempo para descarregar e a tensão no secundário do transformador estiver no semiciclo negativo como mostra Figura 4.3.

Figura 4.3 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo no semiciclo negativo

Ao fechar a malha, a tensão máxima que chegará ao diodo será:

PIV= 2Vps

Io

A quantidade de corrente que passa no diodo será a maior possível quando em um circuito o valor da resistência e o valor do capacitor forrem muito baixo, de tal forma que o capacitor de descarrega quase que totalmente, ficando a forma de onda muito parecida com a do circuito retificador de meia-onda.

Exemplo:

1)Dado o circuito, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 12V e Flinha = 60Hz

52

Io = Idc

Figura 4.4 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo

Solução:

Vdc = Vp - Vond onde : Vond = I

Para o circuito retificador de meia-onda a frequência da onda no resistor é igual a frequência da linha logo:

F= 60Hz

Vp = . 12 = 16,97V

I Vp/R = 16,97/5,6K = 3mA

Vond = 3 = 0,5V

Vdc = 16,97 – 0,5/2 = 16,7V

PIV = 2(16,97) = 33,94V

Io = Idc = 16,7/5,6K = 2,98mA

4.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivação Central e Filtro Capacitivo

No circuito retificador de onda completa com derivação central e filtro capacitivo, foi introduzido um capacitor em paralelo com a carga como mostra Figura 4.5.

53

2 FC

2

60.100

Figura 4.5 Circuito retificador de onda completa com derivação central e filtro capacitivo

Durante o primeiro semiciclo positivo, D1 conduz e o capacitor começa a carregar até atingir a tensão no secundário do transformador.

Quando Vst diminui D1 abre e o capacitor começa a descarregar pelo resistor.No semiciclo negativo, quando Vst > Vc , D2 conduz e o capacitor carrega até atingir

Vpst. Quando Vst for menor do que Vpst, D2 abre e o capacitor novamente começa a descarregar pelo resistor.

No semiciclo positivo quando Vst > Vc, D1 conduz e o capacitor carrega até atingir Vpst. Novamente quando Vst< Vp, o diodo abre e o capacitor começa a descarregar pelo resistor e assim sucessivamente como mostra Figura 4.6.


54

C

Rl

D1

D2

Vst

Vdc

T

T

Logo:

Vdc = Vp - Vond

OBS: A frequência é o dobro da frequência da linha



PIV = Vpst

Io = Idc

Exemplo:

1) Dado o circuito, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 12V Flinha = 60Hz

Figura 4.7

55

2

2

100F5,6K

D1

D2

Solução:

Vp = =

Vp = 8,48V

I = Vp/R = 8,48/5,6K = 1,51mA

Vond = 1,51m = 0,12V

Vdc = 8,48 – 0,12/2 = 8,41V

PIV = . 12 = 16,97V

Io = Idc/2 Idc = Vdc/R = 8,41/5,6K = 1,5mA

Io = 1,5m/2 = 0,75mA

4.3 Retificador em Ponte com Filtro

No circuito retificador em ponte com filtro capacitivo, foi introduzido um capacitor em paralelo a carga como mostra a Figura 4.8.

Figura 4.8 Circuito retificador em ponte com filtro capacitivo

56

120.100

2

Rl

D2

D4

D1

D3C

2 . Vst

2 2

2 . 12

No início do primeiro semiciclo positivo D2 e D3 conduzem, logo o capacitor começa a carregar até atingir a tensão de pico do secundário do transformador. Quando Vst<Vpst, D2 e D3 abrem e o capacitor começa a descarregar pelo resistor.

No semiciclo negativo, quando Vst > Vc, D1 e D4 conduzem e o capacitor começa a carregar até atingir Vpst.

Novamente, quando Vst < Vp, D1 e D4 abrem e o capacitor começa a descarregar pelo resistor.

No semiciclo positivo, quando Vst> Vc, D2 e D3 conduzem e o capacitor carrega até atingir Vpst, quando Vst<Vp =Vc, D2 e D3 abrem e o capacitor começa a descarregar pelo resistor e assim sucessivamente. como mostra a Figura 4.9.


Logo:

Vdc = Vp - Vond

OBS: A frequência é o dobro da frequência da linha

57

Vst

Vdc

T

T

2



PIV = Vpst

Io = Idc

Exemplo:

1)Dado o circuito, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 12V Flinha = 60Hz

Figura 4.10

Solução:

Vp = =

Vp = 16,97V

I = Vp/R = 16,97/5,6K = 3 mA

58

2

2 . Vst 2 . 12

5,6K

D2

D4

D1

D3100F

Vond = 3 m = 0,25V

Vdc = 16,97 – 0,25/2 = 16.84V

PIV = . 12 = 16,97V

Io = Idc/2 Idc = Vdc/R = 16,84/5,6K = 3mA

Io = 3m/2 = 1,5mA

Exercícios

1. Preencha os espaços em branco.

A . Em todos os circuitos retificadores com filtro, observa-se que a forma de onda é a mesma sendo calculado a tensão Vdc pela seguinte equação_________________________Onde Vond = ________________B . O que difere os circuitos retificadores com filtro como o circuito retificador de meia-onda do circuito retificador de onda completa é a __________________________C. Em um circuito retificador de meia-onda com filtro se a frequência da linha for de 60Hz, a frequência será_________ e no circuito retificador de onda completa a frequência será__________________. D. O PIV para o circuito retificador de meia-onda com filtro será igual a ______________E . O PIV para os circuito retificadores de onda completa com filtro será igual a__________

F. O Io para o circuito retificador de meia-onda com filtro é igual a____________G.O Io dos circuitos retificadores de onda completa com filtro será igual a ___________

2. Dado os circuitos das Figura 4.11, 4.12 e 4.12, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 18V e Flinha = 60Hz

a)

Figura 4.11

59

120.100

2

47F2,7 K

Figura 4.12

c)

Figura 4.13

3. Dado o circuito da Figura 4.14, determine Vdc. Dado: Vst= 24sen100t, Rl = 15K e C= 1F

Figura 4.14

60

D1b)

47F2,7K

D2

2,7K

D2

D4

D1

D347F

c)

4. Dado o circuito da Figura 4.15, determine a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 40V, Rl = 3,9K.

Figura 4.15

5. A Figura 4.16, mostra dois circuitos retificadores de onda completa com carga RL idênticas, alimentados por fontes de tensão senoidal V(t), com mesmas especificações e utilizando diodos considerados ideais. Medidas de tensão e freqüências foram efetuadas nas saídas dos circuitos em cima das cargas Rl, obtendo:V1 e f1 para C1V2 e f2 para C2Com relação às medidas obtidas, é correto afirmar que:

a) V2 = 2V1 e f2 = f1b) V2 = 2V1 e f2 = 2f1c) V2 = 0,5 e f2 = f1d) V2 = 0,5 e f2 = 0,5f1e) V2 = V1 e f2 = f1

Figura 4.16

61


Experiência 5 – Circuito retificador de meia-onda com filtro capacitivo

Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de meia-onda com filtro capacitivo, no qual, será observado como a tensão de saída será influenciada de acordo com o valor do capacitor.


- 1 transformador, 110V/220V – 9V, 500mA- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 3 Capacitores; 1μF,10μF,47μF;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:

1.Monte o circuito da Figura 4.17, primeiramente, utilize o capacitor de 1μF.

Figura 4.17

2.Com o uso do osciloscópio, observe a forma de onda no resistor.3.Utilize as expressões matemáticas e calcule a tensão Vdc.4.Com o multímetro meça a tensão no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado.5.Troque o capacitor pelo valor de 10 μF e novamente observe a forma de onda no resistor.6. Troque o capacitor pelo valor de 47μF e novamente observe a forma de onda no resistor

62

Experiência 6 – Circuito retificador de onda completa com derivação central com filtro capacitivo



- 1 transformador com derivação central, 110V/220V – 12V+12V, 500mA- 2 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 3 Capacitores; 1μF,10μF,47μF;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:

1.Monte o circuito da Figura 4.18.

Figura 4.18


63

Experiência 7 – Circuito retificador em Ponte com filtro capacitivo



- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:


Figura 4.19


64

Rl

D2

D4

D1

D3C


Acendendo um led com energia eólica


1- Alternador ( pode ser um dínamo para bicicleta);1- capacitor eletrolítico de 220F,16V;1- resistor 470Ω, 1/8W;1 – led;4- diodos 1N4001 ou equivalente.

Circuito da Figura 4.20.

Figura 4.20

Neste circuito, a energia eólica fornecida pelo ventilador, servirá para mover um alternador e desta forma gerar energia elétrica. Como a tensão gerada pelo dínamo é uma tensão alternada de baixo valor (aproximadamente 6V), ao passar pelo circuito retificador em ponte com filtro capacitivo, a tensão servirá para acender um led.

65

O estado do Ceará vem se tornando referência no Brasil, como geradora de fonte de energia limpa e renovável, a energia eólica. Neste circuito, temos um exemplo da utilização da energia eólica para acender um led.

Parque Eólico na Prainha, em Aquiraz, é a maior usina do gênero da América Latina e produz 10 Megawatts .

(Foto: Fco. Fontenele)

CAPÍTULO 5 – OUTRAS APLICAÇÕES PARA O DIODO

Introdução

Existem muitas outras aplicações para os diodos além da retificação. Os diodos de pequena capacidade de corrente, por exemplo, chamados de diodo de sinal podem ser usados como “detectores de envolvente” em circuitos de rádio.

5.1 Rádio elementar

Como exemplo, utilizaremos o circuito de rádio elementar mostrado na Figura 5.1.

Figura 5.1. Rádio elementar ou rádio de galena.

A antena capta os sinais emitidos pela estação, havendo então a indução de uma corrente de alta frequência, que deve circular em direção á terra passando pela bobina e capacitor que formam o circuito de sintonia:

Este circuito se caracteriza por impedir a passagem dos sinais de uma única frequência, ou seja, da estação sintonizada, que são desviados para o diodo. O diodo funciona como retificador de alta frequência, deixando passar apenas os semiciclos positivos do sinal, ou seja, fazendo sua detecção. Este sinal que é composto de duas partes, uma de alta frequência que é a “portadora”, e outra baixa que á a “modulada”, pode ser levado a um processo de separação.

O capacitor depois do diodo filtra o sinal, desviando para a terra a componente de alta frequência e deixando apenas a envolvente, ou seja, a modulada, que corresponde justamente ao som que é captado nos microfones da emissora ou obtido de um toca-disco ou toca-fitas.

Aplicando este sinal de baixa frequência a um fone de ouvido ou então a um amplificador, podemos ouvir os sons transmitidos pela estação de rádio.

5.2 Diodo nos circuitos de proteção

Outra função importante do diodo é nos circuitos de proteção. Quando uma carga indutiva como, por exemplo, a bobina de um relé ou ainda um pequeno motor é acionado, é criado um forte campo magnético. Ao ser desligado, com a contração magnética, é induzida na carga uma tensão oposta.

66

CVfiltro fone

Diodo detectorantena

Figura 5.2. Diodo usado como proteção em circuitos indutivos.

Dependendo do tipo de carga, ou seja, de sua indutância quando no desligamento pode ser muitas vezes maior do que a aplicada quando ligamos. O componente que faz o acionamento pode então ser danificado com a presença desta tensão, com a ligação de um diodo, temos uma proteção contra este fenômeno.

Leitura Complementar

5.3 Circuito Tanque

O estudo do circuito tanque será de grande importância para que possamos compreender os circuitos utilizados para a sintonia de rádio, além de alguns circuitos osciladores e outras aplicações no qual se faz o uso de um circuito indutor – capacitor. Iniciamos fazendo uma revisão sobre as propriedades do indutor.

5.3.1 Propriedades do indutor

O indutor consiste basicamente em um bobina formada por voltas de fio esmaltado.Quando uma corrente contínua circula por um indutor ou bobina é criado um campo

magnético, no qual cria uma tensão induzida na bobina. Como experiência podemos mostrar a Figura 5.3. No qual o indutor funciona como eletroímã sendo capaz de atrair materiais condutores.

Figura 5.3. Atração de um prego (material ferromagnético) pelo indutor

67

Carga indutiva

Circuito de comutação

(+)

Diodo de proteção

Ao abrir o circuito da Figura 5.4. A energia armazenada no indutor volta ao circuito. A tensão criada é uma tensão auto-induzida que pode atingir valores extremamente altos, mesmo com a tensão na bobina de valor baixo.

Figura 5.4. Circuito RL série

De acordo com a expressão 1, ao abrir o circuito, ocorre uma variação bastante alta da corrente em pouquíssimo tempo (abertura da chave).

(1)

Exemplo: Se L= 10H, R = 3, VF= 12V, temos:

Durante o período no qual a chave está fechada, im = VF/R = 12/3 = 4ª. Após a abertura da chave e decorrido 0,00004 segundos, a corrente no circuito foi reduzida para:

= L/R = 10/3 = 3,33s

= = 3,999A

Logo:

i = 4-3,999=1mAt = 0,00004s

A tensão auto-induzida será:

= -250V

Uma tensão bastante elevada nos contatos da chave.

5.4 Circuito ressonante

O capacitor e o indutor possuem a característica de armazenar energia elétrica. A associação em paralelo da indutância com a capacitância é conhecida como circuito tanque. A Figura 5.5 ilustra um exemplo de circuito tanque.

68

Figura 5.5. Circuito tanque.

O funcionamento de um circuito tanque consiste na troca de energia entre a capacitância e a indutância. Quando uma tensão é momentaneamente aplicada a um circuito tanque, ocorre o procedimento descrito a seguir.

C se carrega a esse valor de tensão; removendo-se a tensão aplicada, C se descarrega através de L, e a corrente de descarga cria um campo magnético em torno de L. Esse campo, possui polarizada oposta ao que originou (lei de Lenz).

Quando C tiver se descarregado, o campo magnético se anula e essa variação induz uma corrente no mesmo sentido da corrente que originou o campo. Portanto, essa corrente carregará o capacitor no sentido oposto ao anterior.

Quando o campo em torno de L desaparecer, C irá se descarregar novamente, mas a corrente será oposta em relação à primeira descarga.

Essa corrente de descarga originará, novamente, um campo magnético em torno de L; este, quando se anular, fará com que C se carregue novamente, no mesmo sentido da primeira carga. A Figura 5.6 resume toda essa explicação.

Figura 5.6. Troca de energia entre o indutor e o capacitor em um circuito tanque.

A troca de energia e a corrente circulante continuariam, indefinidamente, produzindo uma série de onda senoidais, se o circuito tanque fosse ideal e não apresentasse resistência. Entretanto, a resistência está sempre presente, fazendo com que a corrente circulante diminua gradativamente, devido à dissipação de energia no circuito na forma de calor. Isto faz com que a corrente senoidal seja amortecida e desapareça, após um número finito de oscilações. Se aplicarmos, novamente, um pulso de tensão ao circuito, o processo voltará a se estabelecer.

A onda senoidal que se estabelece entre C e L possui uma freqüência, no qual, é denominado freqüência de ressonância.

A frequência de ressonância é a única frequência, no qual a reatância capacitiva é igual a reatância indutiva.

Xc = Xl 1/(2πFrC) = 2πFrL

Fr = 1/(2πLC)1/2

69

Na frequência de ressonância, a impedância é infinita, ou seja, a oposição à passagem de corrente é infinita.

Ao aplicar um sinal alternado ao circuito tanque, observamos que à medida que nos aproximamos da freqüência de ressonância, a oposição começa a crescer até atingir o máximo no valor exato desta freqüência. Depois deste ponto, a oposição começa novamente a diminuir.

Este circuito é utilizado num receptor de rádio em que deve ser feita a separação dos sinais da estação que queremos ouvir de todos dos demais sinais que chegam à antena. Se o sinal corresponde à freqüência para o qual o circuito está sintonizado, ele encontra forte resistência e é desviado para as etapas que fazem seu processamento. Já se o sinal não corresponde a esta freqüência, ela não encontra nenhuma oposição do circuito e é curto-circuitado para o terra. Na Figura 5.7, temos um sintonizador de rádio simples.

Figura 5.7- Sintonizador LC.

Das milhares de ondas senoidais de diferentes estações de rádio que chegam à antena, a onda senoidal que corresponde à freqüência de ressonância será amplificada, sendo as demais desviadas para o terra.

Em um rádio, o circuito tanque possui um capacitor variável, no qual, ao girar o botão que altera o valor do capacitor, muda a freqüência de ressonância e, portanto, muda a freqüência da onda senoidal que o ressonador amplifica. É desta forma que este circuito “sintoniza” as diferentes estações no rádio.

5.5 Circuito tanque na geração de sinais de rádio

Aprendemos que em um circuito tanque, ao aplicar uma onda senoidal, ocorre uma troca de energia entre o capacitor e o indutor, produzindo uma oscilação amortecida, com a alternância de campo elétrico em magnético. Se este circuito for ligado a uma antena, a energia gerada neste sistema pode ser irradiada na forma de onda eletromagnética, ou seja, ondas de rádio.

Para que a produção destas oscilações continue, deve-se repor a energia que vai sendo perdida em cada ciclo de carga e descarga do capacitor, quer seja porque é irradiada por uma antena, quer seja porque perde em calor nos próximos elementos do circuito. Isto pode ser feito com um amplificador.

70

Exercícios

1. (ELETRONORTE 2006) A rede abaixo(Figura 5.8):

Figura 5.8

(A) é um oscilador ideal;(B) tem fator de qualidade unitário;(C) tem ressonância na freqüência de 1 Hz;(D) na ressonância tem impedância equivalente a um circuitoaberto;

(E) na ressonância tem impedância equivalente a um curto-circuito.


Experiência 8 – Rádio elementar ou rádio Galena

Neste circuito, vamos montar um rádio bastante simples.O rádio é um dos meios de comunicações mais utilizado pelo homem moderno.

Compreender o funcionamento de um simples rádio ajudará a compreensão dos rádios mais complexos e mais bem elaborado.

O rádio Galena foi o primeiro rádio inventado pelo homem. Foi implementado na França por Radiguet e Massiot. O rádio Galena é bastante simples, os resultados obtidos na prática não são muito satisfatórios, pois não apresenta uma etapa para a amplificação do sinal captado pela antena.

A idéia fundamental em um rádio Galena é captar ondas eletromagnéticas por um receptor elétrico simples e reproduzir em um fone de ouvido.

De onde vêm estas ondas eletromagnéticas?As estações de rádio produzem uma quantidade bastante elevadas de ondas

eletromagnéticas em diversas freqüências.

Material necessário

1 Diodo de Germânio ( qualquer tipo de diodo de Germânio);1 Fone de cristal;1 capacitor variável;1 indutor 10mH;1 antena.

71

Procedimento:


Figura 5.9

2. Varie o valor do capacitor para sintonizar o rádio.


Rádio artesanal elementar

Neste circuito você irá montar um rádio, no qual a bobina será artesanal.


1 Diodo de Germânio ( qualquer tipo de diodo de Germânio);1 Fone de cristal (fone de alta impedância acima de 2000);100 gramas de fio esmaltado com número AWG entre 18 e 24 (diâmetros entre 1,0 a 0,5 mm) para a bobina;1 cabo de vassoura (madeira ou plástico) para enrolar a bobina de 18cm;1 capacitor poliéster de 1nF; 1 antena.

Fazendo a bobina

Pegue o cabo de vassoura e deixe um espaço de um centímetro de cada lado. Prenda no

início, o fio com fita isolante deixando sobrar 10cm de fio. Comece a enrolar, prestando

atenção para que os fios fiquem encostados um ao lado do outro e não passe por cima. Enrole

para que ainda sobre 1cm de cabo e 10cm de fio. Lixe o esmalte do fio que está sobrando os

10cm de cada lado.

72

Deixe um espaço de mais ou menos um centímetro de cada lado do tubo ou pedaço do

cabo de vassoura e comece a enrolar o fio. As voltas devem ficar bem próximas uma da outra,

encostadas mesmo, e uma volta não pode passar por cima da outra. Caso você esteja usando o

tubo, faça um ou dois furos para prender o fio antes de começar a enrolar e mais um ou dois

furos para prender na outra extremidade (oriente-se pelo desenho do rádio acima). Se você

está usando o cabo de vassoura, prenda o início e o fio do enrolamento com uma fita isolante.

Deixe sobrar de cada lado entre oito e dez centímetros de fio.

Antena

Como o rádio não possui uma etapa de amplificação, a antena deve ser bastante

comprida para captar o máximo de energia da estação. Pode ser um fio esticado de 10m de

comprimento.

Faça a seguinte montagem (Figura 5.10).

Figura 5.10

A seta que está ligada na bobina deve ser móvel e percorrer toda a bobina para sintonizar em uma determinada frequência.

73

CAPÍTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES (CEIFADORES) E GRAMPEADORES

Introdução

Os circuitos limitadores ou ceifadores limitam a tensão de saída, sendo útil em circuitos no qual o sinal de saída necessita ser limitado.

Os circuitos grampeadores possuem como objetivo, acrescentar um nível DC ao sinal alterando, deslocando o sinal para cima ou para baixo do eixo referencial. Uma das utilizações do circuito grampeador é em um amplificador classe C.

6.1 Circuitos Limitadores

As aplicações incluem a limitação de amplitude excessivas formação de ondas e o controle da quantidade de potência entregue a uma carga.

Na Figura 6.1(a), temos um limitador positivo, no qual limita a tensão positiva, só deixa passar a tensão negativa, como mostra a Figura 6.1(b). Observe que o funcionamento é igual ao circuito retificador de meia-onda.

Figura 6.1 (a) Circuito limitador positivo, (b) Forma de onda na carga

74

R

RlVsaídaVent

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

-Vp

Análise do circuito limitador positivo

No semiciclo positivo o diodo conduz logo: Vsaída =0No semiciclo negativo o diodo abre, logo : Vsaída Vent , uma vez que Rl R

Na Figura 6.2(a), temos um outro limitador positivo, no qual foi inserida uma fonte de tensão em serie com o diodo. A limitação da tensão será para tensões acima de V como mostra a Figura 6.2(b).

Figura 6.2 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga

Análise do Circuito limitador positivo polarizado

No semiciclo positivo, quando vent > V o diodo conduz , logo: Vsaída = VNo semiciclo como o diodo está sempre aberto, pois V e Vent polarizam reversamente

o diodo temos: Vsaída = Vent

- Outros circuitos limitadores

Nas Figuras 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 7.8, 6.9 e 6.10 temos exemplos de outros circuitos limitadores e as suas respectivas formas de onda na carga., no qual o funcionamento é semelhante aos circuitos já analisados.

75

R

RlVsaídaVent

V

Vp

Vsaída

T

VT

-Vp

-Vp

Vent

Figura 6.3 (a) Circuito limitador negativo, (b) Forma de onda na carga

Figura 6.4 (a) Circuito limitador positivo, (b) Forma de onda na carga

76

VsaídaVentRl

Vent

Vsaída

T

T

Vp

-Vp

VsaídaVentRl

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp


Figura 6.6 (a) Circuito limitador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga

77

VsaídaVentRl

V

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

-V+Vp

-V

VsaídaVent Rl

Vent

T

T

-V

-V

- Vp -V

+Vp

-Vp

V


Figura 6.8 (a) Circuito limitador negativo, (b) Forma de onda na carga

78

VsaídaVentRl

V

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

+V-Vp

R

RlVsaídaVent

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

+Vp

Figura 6.9 (a) Circuito limitador polarizado, (b) Forma de onda na carga

Figura 6.10 (a) Associação de limitadores, (b) Forma de onda na carga

79

R

RlVsaídaVent

V

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

+Vp

V

R

Vent

V1Rl

V2Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

V2

V1

6.2 Circuitos Grampeadores

Algumas vezes, um projeto de circuito requer a combinação de uma tensão CA com uma tensão CC. Em vez de mudar o aspecto da forma de onda, a operação modifica o nível da tensão de referência CC. Chamamos esse processo de grampeamento ou restauração CC.

Em todas as análises iremos admitir que a carga de um capacitor atinja o valor final em cinco constantes e tempo.

Na Figura 6.11(a), temos um circuito grampeador positivo, no qual no sinal CA(Vent) é adicionado uma tensão CC, com a polarização do capacitor. O sinal é deslocado para acima do eixo como mostra a Figura 6.11(b).

Figura 6.11 (a) Circuito grampeador positivo, (b) Forma de onda na carga

O capacitor se carrega no semiciclo negativo com Vp, posteriormente não se descarrega mais, uma vez que o diodo irá permanecer sempre aberto e a constante de tempo RC>>Tentrada, não havendo condições de descarregar por Rl.

O circuito se resume como mostra a Figura 6.12.

80

RlVent

C

Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

+2Vp

Figura 6.12 Circuito grampeador positivo

Análise do circuito grampeador positivo

No semiciclo positivo:

Vsaída = Vc + Vent

Quando Vent = 0 Vsaída = Vc = VpQuando Vent aumenta a tensão de saída também aumenta.Quando Vent = Vp. Vsaída = 2VpQuando Vent diminui , Vsaída diminui até Vp

No semiciclo negativo:

Vsaída = Vc – Vent

Quando Vent diminui, Vsaída diminuiQuando Vent = - Vp , Vsaída = 0Quando Vent aumenta, Vsaída também aumenta.

Outros Circuitos grampeadores

Nas Figuras 6.13, 6.14, 6.15, 6.16 e 6.17, temos mais exemplos de circuitos grampeadores e as suas respectivas formas de onda na carga. A análise é semelhante as análises já realizadas.

81

RlVent

Vp

Vsaída

+-

RVent

C

Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

-2Vp

Figura 6.13 (a) Circuito grampeador negativo, (b) Forma de onda na carga

Figura 6.14 (a) Circuito grampeador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga

Obs: O capacitor se carrega com - ( Vp – V )

82

Vent

RVent

V

C

Vsaída

Vsaída

T

T

+Vp

V

-2Vp+V

-Vp

Figura 6.15 (a) Circuito grampeador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga

Figura 6.16 (a) Circuito grampeador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga

83

RVent

V

C

Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

V

+2Vp+V

RVent

V

C

Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

+Vp

-Vp

-V

-V-2Vp

RVent

V

C

Vsaída

Vent

Vsaída

T

T

Vp

+ 2Vp -V

-V

Figura 6.17 (a) Circuito grampeador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga

Exercícios

1- Dado o circuito determine a forma de onda na saída.

Figura 6.18

2- Dado da Figura 6.19, determine a forma de onda na saída.

7V

84

R

RlVsaídaVent

4V

30V

Vsaída

T

T

-30V

Vent

Figura 6.19


Experiência 9 – Circuito Grampeador

Neste circuito, deve-se montar um circuito grampeador, com o objetivo de analisar e observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio.


- 1 gerador de áudio- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 1MΩ, 0,25W;- 1 capacitor 470μF;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.

Procedimento:

1. Monte o circuito da Figura 6.20, no qual vent corresponde o sinal do gerador de áudio em 1KHz e amplitude de 5V.

85

Figura 6.20

2. Com o uso do osciloscópio observe a forma de onda do resistor e analise o que acontece com o sinal se o valor do capacitor ou do resistor diminuir.


Fonte de alimentação para CIs da família TTL

Neste circuito, você irá montar uma fonte de alimentação para alimentar CIs da família TTL.

Os CIs da família TTL necessitam de uma fonte de 5V.


- 1 transformador -110V/220V ,12V, 500mA;- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 capacitor de 220F;- 1 capacitor 0,01F;- 1 CI 7805.


86

RVent

C

Vsaída

Figura 6.21

87

CAPÍTULO 7 – DIODOS ESPECIAIS

Introdução

O diodo zener é um diodo especial, no qual, a sua principal aplicação é regular a tensão na carga, ou seja, mantém a tensão constante na carga. Constitui o último componente em uma fonte de alimentação.

7.1 Diodo Zener

O diodo zener é um dispositivo semicondutor, fabricado especialmente para trabalhar na região de ruptura o que não ocorre nos diodos retificadores e de pequeno sinal.

Figura 7.1- Símbolo do diodo zener.

Na figura 7.2, temos o gráfico que relaciona a corrente e a tensão para o diodo zener, ou seja, este gráfica representa o funcionamento do diodo zener.

Figura 7.2- Curva característica de um diodo zener.

88

anodo

catodo

v

IRuptura ou Vz



Iz(mín)

Iz(máx)

Quando se polariza diretamente o diodo zener, ele se comporta da mesma forma que um diodo retificador, ou seja, conduz a partir do momento em que vence a barreira de potencial.

Na polarização reversa, enquanto a tensão que está sendo aplicada for menor do que a tensão de zener , ele funciona como uma chave aberta.

Quando a tensão que está sendo aplicado ao diodo zener for maior do que a tensão de zener, ele passa a conduzir, observando que a tensão nele permanece a mesma aumentando apenas a corrente que passa por ele, e existe a corrente máxima que o diodo zener suporta, maior do que esta corrente o diodo zener será danificado.

CIRCUITO BÁSICO

O menor circuito para a montagem com o diodo zener é apresentado na Figura 7.3, constituindo de uma fonte de alimentação e um resistor

Figura 7.3

Exemplo:

Se montássemos o circuito da Figura 7.4, e medíssemos a tensão no diodo zener e a corrente que passa por ele ao aplicar a tensão Vê, montaríamos a tabela 7.1. Esta tabela é importante para que possamos compreender o funcionamento do diodo zener.

Tabela 7.1

Figura 7.4

89

Ve

Rs

Vz

Ve = RsIs +Vz

Ve

1K

5V6

Quando Ve = 1V Vz = 1V e Is = 0Quando Ve = 2V Vz = 2V e Is = 0Quando Ve = 3V Vz = 3V e Is = 0Quando Ve = 4V Vz = 4V e Is = 0Quando Ve = 5V Vz = 5V e Is = 0Quando Ve = 6V Vz = 5,6V e Is = 0,4m AQuando Ve = 7V Vz = 5,6V e Is = 1,4mAQuando Ve = 8V Vz = 5,6V e Is = 2,4mAQuando Ve = 9V Vz = 5,6V e Is = 3,4mAQuando Ve = 10V Vz = 5,6V e Is = 4,4mA

Vz

Is = Ve- Vz

Especificação do diodo zener

Pz(máx) = Vz .Iz(máx)

CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO

A Figura 7.4, mosta o circuito regulador de tensão, para que possamos fazer uma análise matemática e poder calcular as corrente que circulam no circuito.

Figura 7.5 Circuito regulador de tensão

Cálculo da tensão de Thevenin

Vamos calcular a tensão que chega ao diodo zener, fazendo o equivalente de Thevenim. ( retira o diodo zener do circuito e calcula a tensão visto a apartir do diodo zener ou seja para este circuito será a tensão no resistor Rl )

Vth = R1 .Ve

Se Vth > Vz (significa que o diodo zener está operando)

90

Rs

Rl + Rs

Ve

Rs

Vz Rl

Is

IzIl Vl

Logo:

Is = Il + Iz

Onde:

Il = Vl Vl = Vz e Is = Ve - Vz

Ex: Dado o circuito (Figura 7.6), calcule Is, Iz e Il

Figura 7.6

Solução:

Vth = R1 .Ve Vth = 5,6K . 15

Vth = 10V Vth > Vz logo: O diodo zener está regulando.

Il = 3,2/5,6K = 0,57mA

Is = 15 – 3,2 Is = 4,3mA

Is = Il + Iz Iz = Is – Il = 4,3m – 0,57m = 3,73 mA

91

Rl Rs

Rl + RsRl + Rs 5,6K+2,7K

15V

2,7K

3V2 5,6K

Is

Iz Il

2,7K

Aplicação do Diodo Zener

Uma das principais aplicações do diodo zener é na construção de fonte de alimentação pelo qual servirá para manter a tensão na carga constante. A Figura 7.7, mostra uma fonte de alimentação.

Figura 7.7 Fonte de alimentação

Exemplo:

1)Se a tensão no capacitor oscilada de 5,6V à 6,3V e o diodo zener é de 3,2V, considerando que a queda em Rs seja de 0,8V ou seja a tensão que chega no diodo zener é 4,8 à 5,5V, então a tensão depois que passa pelo diodo zener será constante em 3,2V.

7.2 Diodo Emissor De Luz (LED)

Os diodos emissores de luz são fabricados a partir do GaAs( arsenieto de gálio) acrescidos de fósforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luzes vermelha, laranja, amarela, verde ou azul, são muitos utilizados como sinalizadores em instrumentos eletrônicos ou na fabricação de displays.

Enquanto que em um diodo comum na passagem de corrente, ocorre a liberação de energia em forma de calor, em um LED a liberação de energia é na forma de luz visível.

A simbologia para o led é apresentado na Figura 7.8.

SIMBOLOGIA

Figura 7.8

92

anodo

catodo

D2

D4

D1

D3C

Rs

Vz Rl

Na Figura 7.9, temos a curva característica para o led.

Figura 7.9

Os LEDs apresentam as mesmas características dos diodos comuns, ou seja só conduzem quando polarizados diretamente aplicando uma tensão maior do que a barreira de potencial, no entanto a barreira de potencial varia de 1,5V a 2,5V dependendo da cor.

Comercialmente, o led trabalha normalmente com corrente na faixa de 10mA a 50mA.

CIRCUITO BÁSICO:

O menor circuito que podemos construir com um led é apresentado na Figura 7.9. Não se deve ligar um led em paralelo com uma fonte de alimentação, pois danifica facilemnte, uma vez que a resistência da fonte é desprezível e a corrente que passará no led terá valor elevado.

93

v

I



1,5 a 2,5V

Para se polarizar um LED, deve-se utilizar um resistor limitador de corrente para que o mesmo não se danifique.

Figura 7.9

OBS: como Vled varia de 1,5 a 2,5V vamos adotar 2V

Exemplo:

1)Determine Rs para que o LED do circuito (Figura 7.10), fique polarizado no seu ponto quiescente (Vled = 2V e Id = 20mA)

Figura 7.10

Solução:

Rs = 200

7.3 Diodo Túnel

Este dispositivo possui uma característica não encontrada em nenhum outro de sua família, que é a região negativa.

Este fato implica que, se este componente estiver polarizado em uma determinada região de sua curva característica, se aumentarmos a tensão entre seus terminais, a corrente que atravessa diminuirá.

94

Ve

Rs

IsIs = Ve - Vled

Rs

6VIs

= Ve – Vled

RsIs

Rs = 6 – 220m

Ele foi desenvolvido pelo Dr. Leo Esaki em 1958 e , as vezes é chamado de diodo Esaki, em homenagem ao seu descobridor.

SIMBOLOGIAS

7.11 Simbologia para diodo túnel

A Figura 7.12, mostra a curva característica para o diodo túnel.

Figura 7.12

Por ser um diodo muito dopado, ao se polarizar diretamente conduz imediatamente, a corrente produz um valor máximo Ip. Um aumento de tensão maior do que Vp produz uma diminuição na corrente e a região entre os pontos de pico e do vale é chamado região de resistência negativa.

Na polarização reversa a ruptura ocorre próximo de 0V.

APLICAÇÕES

As características de resistência negativa os tornam úteis em circuitos de microondas, amplificadores, conversores, osciladores e circuitos de chaveamentos.

O fato deste dispositivo ser mais veloz do que todos os outros dispositivos ativos, faz com que ele seja encontrado também em circuitos de alta frequência e alta velocidade, especialmente em computadores, onde os tempos de comutação são da ordem de nano ou picossegundos.

São também encontrados em circuitos capazes de converter potência cc em ca.

95

V

I

Ip

Iv

VP Vv

7.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC)

Este diodo aproveita além dos efeitos na junção PN utilizados nos diodos comuns, o fato da capacitância existente na junção ser função da tensão de polarização. A Figura 7.14 mostra a simbologia para o diodo varicap.

Figura 7.14 Simbologia

A Figura 7.15, temos a curva característica para o diodo varicap.

Figura 7.15

Na polarização reversa em circuito de alta frequência, como o diodo funciona basicamente como um capacitor (as regiões P e N são como placas do capacitor e a camada de depleção se compara ao dielétrico) ao aumentar a tensão reversa a “capacitância” irá diminuir.

APLICAÇÕES

O Varactor é muito útil em diversas aplicações como em circuitos LC com sintonia por tensão, circuitos ponte autobalanceados e amplificadores paramétricos, dispositivos de controle de frequência automáticos, filtros de banda passante ajustáveis etc.

96

V

C

Revisão

1. Dado o circuito da Figura 7.16, calcule as correntes Is, Iz e Il.

Figura 7.16

2. Explique o que você entende por LED.3. Cite algumas aplicações do diodo túnel.4. Cite algumas aplicações do Varactor.

5. No circuito da Figura 7.18, V1 = 15V e no LED D1, Imin = 1mA, Imáx = 25mA e Vled = 2V.

Figura 7.18

Considerando a possibilidade de R1 assumir os valores de 110, 1400 e 690K, é correto, que o LEd:

a) acende normalmente nos 3 casos.b) Acende normalmente para 110 e 1400, mas não irá acender quando R1 for de

690K.c) Acende normalmente para 1400, mas com 690K não irá acender e quando R1 for

de 110 pode queimar.d) Não acende normalmente quando R1 vale 690K e pode queimar quando R1 for de

110 ou de 1400.e) Não acende normalmente quando R1 for de 1400 ou de 690 e pode queimar

quando R1 vale 110.

97

20V

3,9K

5V6 10K

Is

Iz Il

6. A Figura 7.19, ilustra um circuito alimentado por uma fonte de tensão senoidal da forma Ve(t) = 20sen(wt), onde Z1 é um diodo zener de 15V e D1 um diodo ideal. O sinal de saída Vs(t) deverá ser, aproximadamente, da forma:

Figura 7.19

7. A Figura 7.120, ilustra um circuito alimentado por uma fonte de tensão senoidal, cujo valor de pico é superior À tensão de diodo zener Z1, que pode ser considerado ideal. O sinal de tensão Vs(t) deverá ter, aproximadamente, a forma:

98

Figura 7.20

8. (ELETRONORTE – 2006) Na fonte da Figura 7.21, a tensão de entrada N V não é regulada, e varia de 15 a 20 V; o diodo zener tem tensão nominal Z V de 10 V, e requer no mínimo 5 mA de corrente para garantir a regulação; a carga L R é variante no tempo, e consome de 0 a 5 mA.

Figura 7.21

Em condições normais de funcionamento:(A) Rl < 2 k ;(B) R > 500 ;(C) se R = 500 , a corrente máxima no diodo zener é de 10 mA;(D) se R = 500 , a potência máxima exigida da fonte não regulada é de 400mW;(E) se R = 500 , pode ser um resistor de 1/8 W.

99


Experiência 10 – O diodo Zener

Neste circuito, deve-se montar um circuito básico com o diodo zener para compreender o seu funcionamento.


- 1 Fonte de alimentação variável (0-15V)- 1 diodo zener 5V6, 0,5W;- 1 resistor de 1KΩ, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);

Procedimento:


Figura 7.22

3. Preencha a tabela abaixo:

Vf A Vz12345678910

100

4. Qual o valor da tensão que se manteve constante? _________

Experiência 11 – Fonte de alimentação (eliminador de pilhas)

Neste circuito, vamos montar uma fonte de alimentação.


- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10KΩ, 3,3KΩ e 470Ω (0,25W);- 1 capacitor de 220F, 64V- 1 diodo zener 5,6V, 0,5W;- 1 multímetro (analógico ou digital).

Procedimento:


Figura 7.23

2. Meça a tensão no resistor de 10K.3. Substitua o resistor de 10K pelo resistor de 470 e um led, como mostra a Figura 7.24.

Figura 7.24

101


Alarme de subtensão

Descreveremos dois circuitos para um alarme de subtensão. No primeiro, quando a tensão diminuir abaixo de 12V um led deve acender. Porém, se a tensão voltar a aumentar o led irá apagar. No segundo circuito, quando a tensão diminuir abaixo de 12V, uma lâmpada irá acender, e mesmo que a tensão volte a aumentar, a lâmpada permanecerá acesa.

Circuito 1


-1 fonte de tensão variável;- 1 diodo 1N4004;- 1 led;- 1 diodo zener 12V, 0,5w;- 1 resistor 470;5,6K; 1K;- 1 transistor BC338.


Figura 7.25

O único componente não estudado até aqui é o transistor. Neste circuito, o transistor irá funcionar uma chave.

102

O funcionamento do circuito será da seguinte forma:Como a tensão de alimentação é 14V, o diodo zener estará regulando, ficando 12V no diodo zener e 2V no resistor de 1K. O transistor, neste caso, estará funcionado como uma chave fechada e toda a corrente passará por ele, como mostra a Figura 7.26.

Figura 7.26

Quando a tensão diminuir, abaixo de 12V, pode-se considerar que a corrente que passa no diodo zener será zero, logo, a tensão no resistor de 1K será zero e o transistor funcionará como uma chave aberta. Toda a corrente passará pelo led e acenderá.

Neste circuito quando a tensão cair abaixo de 12V o led acende, no entanto, se a tensão voltar a aumentar o led apaga.

Descrevemos a seguir um circuito no qual, quando a tensão baixar e voltar a aumentar uma lâmpada ficará acesa.


-1 fonte de tensão variável;- 1 diodo 1N4004;- 1 lâmpada de 12V;- 1 diodo zener 12V, 0,5w;- 1 resistor 2,2K, 10K;- 2 resistores 1K;- 1 transistor BC338;- 1 capacitor 1F, 16V- 1 SCR ( TIC106D);-1 relé 12V.

Circuito 2 (Figura 7.27)

103

Figura 7.27

Neste circuito, figura , foi utilizado um SRC, no qual, quando a tensão cair abaixo de 12V, o transistor funciona como uma chave aberta e toda a corrente desvia para o circuito do capacitor que dispara o SCR. A bobina do relé é acionada e o contato normalmente aberto do relé fechado, a lâmpada é acesa.

104

CAPÍTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR

Introdução

O transistor é um componente eletrônico formado por materiais semicondutores. Foi desenvolvido no laboratório Bell Telephone e demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley. Estes foram laureados com o prêmio Nobel da Física em 1956. O transistor começou a se popularizar na década de 1950 e ocasionou a revolução da eletrônica na década de 1960. As principais aplicações do transistor são: amplificar sinais elétricos e chavear circuitos.

8.1 Constituição de um transistor bipolar

A Figura 8.1 mostra a constituição do transistor, no qual é formado pela combinação de materiais semicondutores dopados com átomos trivalentes ou pentavalentes. A adição de átomos trivalentes no semicondutor constitui a formação do material do tipo P, e a adição de átomos pentavalentes a formação do material do tipo N. Um transistor é formado pela combinação do material N+P+N ou P+N+P, o que se denomina transistor NPN (Figura 8.3) e PNP (Figura 8.4), respectivamente (LALOND e ROSS, 1999).

Figura 8.1 – Estrutura física do transistor de junção bipolar NPN

As extremidades são chamadas emissor e coletor e a camada central é denominada base. O emissor é fortemente dopado e tem como função emitir portadores de carga para a base (elétrons no transistor NPN e lacunas no transistor PNP). A base é levemente dopada e muito fina. Ela permite que a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passe para o coletor. O nível de dopagem do coletor é intermediário entre a dopagem forte do emissor e fraca da base. O coletor, como o nome diz, recebe os portadores que vêm da base. É a camada mais extensa, pois é nela que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitos transistorizados (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998).

105

Fluxo de lacunas

np

n

EmissorBaseColetor

Fluxo de elétrons

http://pt.wikipedia.org/wiki/1956

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nobel_da_F%C3%ADsica

http://pt.wikipedia.org/wiki/William_Bradford_Shockley

http://pt.wikipedia.org/wiki/Walter_Houser_Brattain

http://pt.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen

http://pt.wikipedia.org/wiki/1947

http://pt.wikipedia.org/wiki/23_de_Dezembro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Bell_Labs

.Na Figura 8.2, o transistor foi redesenhado fixar o que foi dito. Comparando as três

camadas do transistor, elas não possui tamanhos iguais, nem apresentam a mesma dopagem. O emissor é o mais dopado dos três, o que significa que, na formação do materal do tipo N, a quantidade de impurezas (átomos pentavelentes) é superior a quantidade de impurezas do coletor. Portanto, no emissor temos uma maior quantidade de elétrons livres do que no coletor. A base é levemente dopada e o coletor é o mais extenso dos três.

Figura 8.2 – Transistor Bipolar

Figura 8.3 - Transistor NPN Figura 8.4- Transistor PNP

8.2 Polarização do Transistor

Polarizar um transistor é aplicar fontes de alimentação em seus terminais para que possamos analisar o que acontece, e desta forma, compreender o seu funcionamento.

- Polarização emissor -base reversamente e coletor – base reversamente.

106

coletor

emissor

basecoletor

emissor

base

Figura 8.5- Polarização emissor-base reversamente e coletor-base reversamente

Pela Figura 8.5, observa-se que tensão aplicada no emissor para a base (Veb) e a tensão aplicada do coletor para a base (Vcb) polarizam o transistor reversamente. Uma forma de visualizar este tipo de polarização é considerar entre o emissor e a base um diodo em que o catodo está no emissor e o anodo na base. A tensão positiva externa atrae o elétrons do emissor para a extremidade do transistor e o negativo da fonte externa aplicada na base atrae as lacunas, com isto aumenta a camada de depleção. Entre o coletor e base acontece o mesmo procedimento. O positivo da fonte externa atrae os elétrons do coletor e o negativo que está ligado na base atrae as lacunas, aumentando desta forma a barreira de potencial até se igualar a fonte Vcb. Neste tipo de polarização não haverá circulação de corrente se desprezar as corrente de fuga de superfície e a corrente produzido termicamente.

- Polarização emissor – base diretamente e coletor- base diretamente

.

Figura 8.6 Polarização emissor – base diretamente e coletor- base diretamente

107

Na Figura 8.6, a tensão aplicada no emissor para a base(Veb) e a tensão aplicada do coletor para a base(Vcb) polarizam o transistor diretamente. Neste caso, haverá uma grande circulação de corrente circulando pela base do transistor.

- Polarização emissor – base, diretamente e coletor- base, reversamente

Figura 8.7- Polarização emissor – base, diretamente e coletor- base, reversamente

Este tipo de polarização é o mais utilizado dos três. A fonte de tensão externa aplicada entre o emissor e a base polariza o transistor diretamente e a tensão aplicada do coletor para a base polariza o transistor reversamente, como mostra a Figura 8.7. A tensão Vcb faz com que aumente a camada de depleção entre a base e o coletor. A tensão Veb ao polarizar o transistor diretamente, faz o menos da fonte repelir os elétrons do emissor. Se a tensão Veb for maior do que a barreira de potencial , os elétrons passam do emissor para a base. Ao chegar na base ocorre o inesperado, a maior parte dos elétrons passam para o coletor , sendo atraído pelos íons positivo. Estes elétrons terminam indo para o positivo da fonte Vcb. Apenas uma pequena parcela desce pela base. Pode-se dizer que, na maioria das vezes aproximadamente de 95% a 99% dos elétrons que passaram do emissor para a base vão para o coletor e apenas 5% a 1% desce pela base. Neste tipo de polarização verifica-se que o nome coletor está indicando que ele coleta os elétrons e o emissor tem como função emitir elétrons. O emissor é o mais dopado ele tem com função emitir elétrons.

-Tensões e correntes no transistor

A Figura 8.8 e 8.9 mostram os sentidos das tensões e das correntes em um transistor NPN e PNP respectivamente.

108

Figura 8.8 Transistor NPN Figura 8.9 Transistor PNP

Podemos tirar as seguinte conclusões:

Transistor NPN

Ie = Ic +IbVce = Vcb +Vbe

Transistor PNP

Ie = Ic + IbVec = Vbc +Veb

8.3 Configurações Básicas do Transistor

Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: base comum, emissor comum e coletor comum. O termo comum se refere ao terminal que será comum ao sinal de entrada e ao sinal de saída.

8.3.1 Configuração Emissor comum

Um transistor encontra-se na configuração emissor comum (Figura8.10), quando o sinal de entrada está na base e o sinal de saída está no coletor. O emissor é comum aos sinais de entrada e saída.

109

Figura 8.10 Configuração Emissor comum

Nesta configuração na entrada temos ib, na saída Ic. Ie é comum ao sinal de entrada e de saída.

Ganho de corrente

O ganho de corrente relaciona a corrente de saída com relação a corrente de entrada.

O ganho de corrente para este tipo de configuração é Ic/Ib

Como esta configuração é a mais utilizada, os manuais dos fabricantes mostram este ganho de corrente, pelo qual é simbolizado pela letra beta cc.

Logo: = Ic/Ib

Embora este ganho de corrente tenha sido definido para a configuração emissor comum, este parâmetro serve também para o cálculo dos resistores de polarização para as outras configurações.

Devido a configuração emissor comum ser a mais utilizada, entraremos com mais detalhes estudando as curvas características de entrada e de saída.

Curva característica do sinal de entrada

A curva característica do sinal de entrada mostra o comportamento da corrente Ib com relação a tensão Vbe (Figura 8.11).

110

Figura 8.11 Curva característica do sinal de entrada

Entre o emissor e a base existe uma barreira de potencial. Para que os elétrons do emissor passem para a base, deve-se vencer esta barreira. Com o transistor construído com átomos de silício o valor da barreira de potencial é de 0,7V.

O que observamos é que quando uma fonte de tensão contínua é aplicada entre o emissor e a base, o funcionamento é semelhante a de um diodo.

Curva característica de saída

A curva característica do sinal de saída, mostra o comportamento da corrente Ic com relação a tensão Vce (Figura 8.12).

Figura 8.12 Curva característica do sinal na saída

Como a corrente que flui para o coletor depende também da quantidade de elétrons que flui do emissor para base, ou seja, da corrente da base, o gráfico é construído para os vários valores da corrente da base.

111

Observamos que, se a tensão entre o emissor e a base for zero, mesmo que a tensão entre o coletor e o emissor seja um valor elevado, como não há corrente na base, também não haverá corrente no coletor. O fato é que, a tensão entre o coletor e base, polariza o coletor e a base reversamente, aumentando a camada de depleção. Quando uma tensão entre o emissor e a base for suficiente para vencer a barreira de potencial e assim a base ter corrente, a maior parte dos elétrons é atraída pelo coletor devido aos cátions da camada de depleção. Quanto maior for a corrente que passa para a base, maior será a corrente que também passa para o coletor. Logo, a corrente do coletor não depende somente da tensão Vce, mas também da corrente Ib.

8.3.2 Configuração Base comum

Nesta configuração, a base está na entrada e na saída do circuito, ou seja, a base é o eletrodo comum. (Figura 8.13).

Figura 8.13 Configuração base comum

Definimos como entrada a tensão Vbe e a corrente Ie. Na saída está a tensão Vcb e a corrente Ic.

Ganho de corrente

= Ic/Ie

Definimos o ganho de corrente para este tipo de configuração, pois será útil para análise de circuitos para outras configurações.

Circuitos de polarização tendo como base a configuração emissor comum

Polarização da base

A Figura 8.15, mostra o circuito polarização da base

112

Figura 8.14 Circuito polarização da base

Malha de entrada

-Vbb + RbIb + Vbe = 0

Adotaremos Vbe sempre igual a 0,7V, qaunto a tensão Vbb for maior do que 0,7V, pois, entre a base e o emissor o transistor comporta-se como um diodo para uma tensão contínua.

Logo:

Vbb = RbIb + 0,7

Malha de saída

- Vce + RcIc + Vce = 0

Exercício Resolvido

Dado o circuito (Figura 8.15). determine Vce e Ic. Dado: Vbb = 6V, Rb = 220K, Rc = 3,3K, Vcc = 12V e o ganho de corrente é igual a 100.

Figura 8.15

Solução:

113

- Malha de entrada

6 = 220KIb + 0,7

Ib = 0,024mA

Ic = Ib logo: Ic = 0,024mx 100 Ic = 2,4mA

Malha de saída

12 = Rc.2,4m +Vce

12 = 3,3K. 2,4m + Vce

Vce = 4,08V

Reta de carga cc

Para saber os pontos de operação do transistor, faz-se necessário esboçar uma reta na curva característica de saída do transistor na configuração emissor comum, que intercepte todos os possíveis pontos de operação do transistor. Esta reta é definida como reta de carga cc. (Figura 8.16).

Figura 8.16 Reta de carga CC

Região de corte

A região de corte é definida como a região no qual a corrente da base é zero (idealmente) é consequentemente, Ic também é zero. Neste caso, o transistor funciona como uma chave aberta.

Exemplo:

114

1) Dado o circuito (Figura 8.17), determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 0,3V, Rb = 10K, Vcc = 10V, Rc = 2,2K e = 100.

Figura 8.17

Solução:

Malha de entrada

Vbb = RbIb + 0,7. onde a tensão Vbb não é suficiente para vencer a barreira de potencial, pois entre a base e o emissor, o transistor funciona como um diodo. Logo Ib = 0

Como Ic = Ib e Ib = 0, Ic = 0, mesmo tendo um valor de tensão Vcc. Vce = Vcc = 10V

Neste caso, o transistor funciona como uma chave aberta e está operando na região de corte.

Imagina-se o circuito da Figura 8.18.

Figura 8.18

Região de saturação

Um transistor está operando na região de saturação, quando a corrente Ib for um valor tão elevado que o transistor sature funcionando como uma chave fechada.

Exemplo

- Dado o circuito (Figura 8.19), determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 12V, Rb = 3,3K, Vcc = 15V, Rc = 2,2K e = 100.

115

Figura 8.19

Solução:

Malha de entrada

Vbb = RbIb + 0,7.

12 = 3,3KIb +0,7 Ib = 3,42mA

Ic = 100. 3,42m = 342mA

Malha de saída

15 = 2,2K. 342m + Vce Vce = - 737,4V

Como um transistor não gera tensão. A única tensão que temos na malha de saída é de 15V para ser divida pelo resistor e transistor.

O que temos neste caso, é que a corrente da base é um valor bastante elevado, sendo suficiente para saturar o transistor. O transistor neste caso funciona como uma chave fechada como mostra a Figura 8.20.

Figura 8.20

A corrente Ic será igual a Vcc/Rc, já que o transistor funciona como uma chave fechada e desta forma a tensão Vce será zero. Observe que a corrente que circula no coletor é o maior valor possível para este circuito.

Região ativa

A região ativa é a região intermediária entre a região de corte e saturação. Na região de corte a corrente Ic é igual a zero e a tensão Vce é o valor máximo possível. Na saturação a tensão Vce é igual a zero e a corrente Ic é o valor máximo possível para o circuito. Na região ativa, existe um valor de corrente Ic e tensão Vce que não são zero e também não possui o máximo valor possível para o circuito.

116

Exemplo

1) Dado o circuito (Figura 8.21).determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 10V, Rb = 330K, Vcc = 15V, Rc = 2,2K e = 100.

Figura 8.21

Solução:

Malha de entrada

Vbb = RbIb + 0,7.

10 = 330KIb + 0,7

Ib = 0.028mA

Ic = 2,8mA

Malha de saída

15 = 2.2K Ic + Vce Vce = 8,84V

Observe que, temos um valor positivo de corrente Ic e tensão Vce, que não são zero nem o máximo, logo, o transistor está operando na região ativa.

O transistor operando na região ativa será útil na construção de circuitos para amplificar um sinal, ou seja, na construção de amplificadores.

Cálculo da reta de carga cc

Para o circuito da Figura 8.22, o cálculo da reta de carga cc deve ser processado da seguinte forma:

117

Figura 8.22

Para determinar a reta de carga, deve-se calcular dois pontos. Iremos calcular na região de corte e na região de saturação.

Na região de corte:

Ic = 0

Vce = Vcc

Na região de saturação

Vce= 0

Fechando a malha temos:

Vcc = Rc i c + Vce

Logo: Vcc = Rc Ic Icsat = Vcc/Rcc

Ex: Dado o circuito(Figura 8.23), determine a reta de carga cc.

Dado: Rc= 3,3K; Rb = 270K; Vbb = 4V e Vce = 15V

Figura 8.23

Solução:

Na região de corte

118

Ic = 0

Vce = 15V

Na região de Saturação

Icsat = 15/3,3K = 4,54mA

Vce = 0

A reta de carga cc é mostrado na Figura 8.24.

Figura 8.24

Polarização da base

O circuito polarização da base é apresentado na Figura 8.25.


No circuito da Figura 8.25, conhecido como polarização da base é o circuito mais utilizado quando deseja colocar o transistor para que funcione como chave, ou seja, o

119

transistor esteja funcionando na região de saturação ou na região de corte. Geralmente, a fonte de alimentação da base é a mesma que alimenta o coletor, isto é, Vbb = Vcc. O circuito então, é desenhado como mostra a Figura 8.26.


Este tipo de polarização, porém, não é utilizado quando se deseja utilizar o transistor para que opere na região ativa. Coloca-se o transistor na região ativa quando deseja construir um circuito para amplificar um sinal ca Ao utilizar o circuito acima, colocando o transistor para operar no meio da reta de carga cc, com o aumento da temperatura o ponto quiescente é alterado indo para a saturação.

Demonstração

Na primeira malha temos:

Vcc = Rb ib + Vbe

Na segunda malha:

Vcc = Rc ic + Vce

Para que o transistor opere na região ativa, o ideal é que ele opere no meio da reta de carga cc. Para isto deve-se colocar Vce = 0,5Vcc.

Com o aumento da temperatura o ganho de corrente aumenta e consequentemente ic também aumenta, uma vez que, ic = ib.

Da segunda malha como Vcc e Rc são valores fixo, ou seja, não sofrem influência com a alteração da temperatura ambiente. Para que a equação continue válida, Vce diminui. Vce diminuindo o ponto quiescente na reta de carga cc deve subir, ou seja, o transistor tende a saturação.

Para polarizar o transistor na região ativa, foram implementados vários circuitos, até conseguir o circuito mais utilizado, que é o circuito polarização por divisor de tensão. Iremos analisar a evolução dos circuitos.

Polarização com realimentação do emissor

120

Na figura 8.27, temos o circuito polarização com realimentação do emissor,no qual foi inserido um resistor no emissor.

Figura 8.27 Polarização com realimentação do emissor

Malha I Temos:

Vbb = Rb ib + Vbe + Re Ie

Malha II temos

Vcc = Rc ic + Vce + Re ie

Exercício resolvido

Dado o circuito (Figura 8.28), determine Ib, Ie, Ic e Vce.

Vcc= 12V, Vbb = 6V, Rb = 470K, Rc = 2,7K e Re = 800, = 120.

Figura 8.28

121

Solução:

Vbb = RbIb + Vbe 6 = 470K ib + 0,7

Ib = 0,0112mA

Ic = Ib Ic = 1,34mA

Ie = Ic + Ib Ie = 1,34m + 0,011m Ie = 1,35mA

Vcc = RcIc + Vce + ReIe

12 = 2,7K. 1,34m + Vce + 800. 1,35m

Vce = 7,3V

Polarização por divisor de Tensão

Na Figura 8.29, temos o circuito polarização por divisor de tensão.

Figura 8.29 Circuito polarização por divisor de tensão

Para simplificar os cálculos, devemos determinar o equivalente de Thevenin, visto da base para o terra.

Rth = R1//R2

122

Circuito após o equivalente de Thvenin é apresentado na Figura 8.30.

Figura 8.30 Circuito equivalente de Thevenin

Malha I Temos:

VTh = RTh ib + Vbe + Re Ie

Malha II temos

Vcc = Rc ic + Vce + Re ie

Exercícios resolvidos

1.Dado o circuito (Figura 8.31), determine Vce e Ic. O ganho de corrente é igual a 100

Figura 8.31

Solução:

123

Rth =

O circuito pode ser substituído pelo circuito da Figura 8.32.

Figura 8.32 Circuito equivalente

1,09 = 3K ib + 0,7 + 1,8Kie

Ie = ic + ib, onde: ic = ib ou seja ie = 100ib+ ib = 101ib logo:

1,09 = 3Kib + 0,7 + 1,8K( 101ib)

0,39 = 184,8K ib ib = 0,002mA logo: ic = 0,21mA e ie = 0,213mA

Malha 2

12= 3,3Kic + Vce + 1,8K ie

12 = 3,3K (0,02m) + Vce + 1,8K (0,213m)

Vce = 11,55V

8.4 Transistor como Chave

124

A regra para projeto

Uma saturação leve significa que levamos o transistor apenas no início da saturação, isto é, a corrente da base é o valor exato e suficiente para operar o transistor no extremo superior da reta de carga. Não é muito utilizado o transistor na saturação leve por causa da variação do ganho de corrente.

A saturação forte é a utilizada em circuitos, pois o transistor continua na saturação mesmo no pior caso de variação do ganho de corrente com a variação da temperatura.

Para colocar o transistor para na saturação forte deve-se fazer com que a corrente da base seja aproximadamente um décimo do valor da corrente de saturação.

Figura 8.33 Transistor como chave

Analisando a Figura 8.33 temos:

Na saturação forte:

Ib = 0,1ic

Malha de entrada:

Vcc = Rb.ib+0,7

Malha de saída

Vcc =Rcic + Vce como na saturação Vce = 0, Temos:

Vcc = Rc. ic

Igualando as duas equações temos:

Rb. Ib + 0 ,7 = Rc.ic

Desprezando 0,7V temos;

125

Rb. Ib = Rc. Ic

Na saturação forte ib = 0,1ic, logo:Rb. 0,1ic = Rc. Ic , logo: Rb = 10Rc

8.5 Transistor como Fonte de Corrente

Para entender melhor o transistor como fonte de corrente vamos para este problema.

- Os leds L-1 e L-2, da figura 9.5.1,necessitam de uma corrente de 10mA para obter uma boa luminosidade. No entanto L-1 proporciona uma queda de 1,5V enquanto l-2 uma queda de 2,5V. Poderá o led 2 ter sua luminosidade diminuída por necessitar de mais tensão? (Figura 8.34).

Figura 34. Transistor como fonte de corrente

Observando a Figura 8.34, verificamos que na base existe uma tensão de 3V. Esta tensão faz com que fixe a tensão no emissor de 3- 0,7. ou seja, a base amarra a tensão do emissor.

Neste circuito, o transistor está funcionando como fonte de corrente, pois mesmo alterando a queda de tensão nos leds a corrente permanece a mesma.

Os cálculos a seguir demonstram isto:

126

Se ambos os leds necessitam de 10mA para o brilho ideal basta fixar a corrente de emissor em 10mA, dimensionando o valor de Re.

Re = (3-0,7)/10mA Re = 230

Observe que a fonte da base ligada diretamente na base fixa a corrente ie. Logo, a luminosidade do led2 não será diminuída.

Leitura Complementar

Modelagem do transistor para análise CA

O transistor em um circuito elétrico é substituído pela combinação de elementos apropriadamente escolhidos, que se aproximam melhor do funcionamento real, tendo-se o que é denominado modelagem do transistor. O objetivo de modelar o transistor é facilitar a análise para sinais alternados em função das tensões, correntes e freqüências envolvidas.

Há vários modelos para representar o transistor em um circuito elétrico. Os mais utilizados são o modelo de Erbers Moll e o modelo híbrido (MALVINO, 1995).

8 3 Modelo de Erbers Moll

Ao substituir o transistor pelo modelo de Erbers-Moll, os cálculos envolvidos no circuito ficam mais simples, por isto, é utilizado com freqüência.

O modelo híbrido requer cálculos mais complexos, porém sem obtém maior precisão.

No modelo de Ebers Moll, tem-se o seguinte circuito equivalente para o transistor (CIPELLI e SANDRINI, 2001).

Figura 35 - Transistor NPN Figura 36 - Modelo Erbers Moll

Onde:

127

coletor

emissor

base

emissor

coletor

base

re`

re´ = resistência a passagem do sinal alternado no emissor, pode ser deduzida como segue:

A equação da junção PN retangular deduzida por Shockley (substituída pela resistência re´ no modelo) é:

Onde:

I = corrente total do diodoIs = corrente de saturação reversaV = tensão total através da camada de depleçãoq = carga de um elétron (1,6 10-19 Coulomb)k = constante de Boltzmann (1,38 10-23 Joules/Kelvin)T = temperatura absoluta (ºK)

A descrição da Eq.1 não inclui a resistência de corpo de cada lado da junção, por isso é aplicada ao diodo somente quando a tensão através da resistência for desprezível.

À temperatura de 25C, q/kT é aproximadamente igual a 40 (CIPELLI, SANDRINI, 2001: 98) e a Eq.1 torna-se:

I = Is(e40V – 1)

Para obter re`, do modelo de Erbers Moll, diferencia-se a Eq.1 com relação a V.dI/dV = 40Ise40V

Pode-se escrever na forma

dI/dV = 40( I + Is)

Tomando-se o inverso resulta o valor de re`

re´= dV/dI = 1/40( I + Is) = 25mV/ (I + Is)

Em um amplificador linear prático, I é muito maior do que I s (caso contrário a polarização é instável). Por isso, o valor prático de re` é:

re´ = 25mV/ I

Como se está tratando da camada de depleção do emissor, acrescenta-se o índice e na corrente.

re´ = 25mV/Ie

128

1.

.

Tk

Vq

eIsI ( 1 )

5.4 Modelo Híbrido

No modelo híbrido (MARQUES et al, 1996), o transistor é substituído por um único dispositivo denominado quadripolo, de tal forma que ele possa ser modelado matematicamente:

Variáveis:v1 = tensão de entradav2 = tensão de saídai1 = corrente de entradai2 = corrente de saída

Convenção:

Tensão positiva – para cimaCorrente positiva – para dentro

Figura 36 - Quadripolo Genérico

Essas quatro grandezas envolvidas podem ser relacionadas entre si por meio de funções lineares, fixando-se duas variáveis dependentes e duas independentes.

De acordo com essa escolha, tem-se modelo matemático de quadripolos. Para o modelamento do transistor, a forma adotada é fixar v1 e i2 como variáveis dependentes e i1 e v2

como variáveis independentes (CUTLER,1997).

5.4.1 Modelamento matemático do quadripolo

v1 = f1 (i1,v2) i2 = f2 (i1, v2)

Este tipo de modelo que fixa a tensão de entrada v1 e a corrente de saída i2 como variáveis dependentes, e a corrente de entrada i1 e a tensão de saída v2 como variáveis independentes, é denominado modelo híbrido, exatamente por misturar tensão e corrente como variáveis dependentes e independentes (BADHERT, 1995).

Para relacionar essas tensões e correntes, o quadripolo deve ser formado por quatro parâmetros h internos e constantes, denominados h11, h12, h21 e h22, definindo as duas funções lineares f1 e f2 da seguinte forma :

129

CircuitoElétrico

i1

+v1

_

+v2

_

i2

v1= h11.i1 + h12.v2

i2 = h21.i1 + h22.v2

Assim, os parâmetros h e seus significados físicos podem ser obtidos fixando-se o valor de uma das variáveis independentes, como segue:

- h11 e h21

Para v2 = 0. As equações se reduzem a:v1 =h11.i1 ei2 = h21.i1 Logo:h11= v1/i1 (saída em curto) h11 – (hi) É a impedância de entrada quando a saída está em curto.h21 =i2/i1 (saída em curto) h21– (hf) É o ganho de corrente quando a saída está em curto.

- h12 e h22

Para i1 = 0. As equações se reduzem av1 = h12.v2 ei2 = h22.v2 Logo:

h12=v1/v2 (entrada aberta) h12 – (hr) Ganho de tensão reverso com entrada abertah22 = i2/v2 (entrada aberta) h22 – (ho) Admitância de saída com entrada aberta

Conhecidos os parâmetros h do quadripolo, seu modelo elétrico fica determinado como segue.

Figura 37 – Modelo híbrido para o transistor

As equações de Kirchhoff para este modelo são:

130

hi

hr v2 hf i1 h0

i2

v1

+

_

v2

+

_

i1

v1= hi.i1 + hr.v2 i2 = hf.i1 + ho.v2

Neste modelo elétrico, tem-se na entrada o teorema de Thevenin e na saída o teorema de Norton.

No teorema de Thevenin, um circuito com múltiplas malhas é reduzido para uma fonte de tensão em série com uma resistência . No teorema de Norton, um circuito com muitas malhas é substituído por uma fonte de corrente e uma resistência em paralelo (MALVINO, 1995).

Exercícios

1. Dado o circuito da Figura 8.38, determine a reta de carga cc e indique o ponto quiescente.Dado: R1= 10K, R2 = 3,9K, R3 = 2,2K , R4 = 820 , Vcc = 12V e beta = 100.

Figura 8.38

2. Dado o circuito da Figura 8.39, determine a reta de carga cc e indique o ponto quiescente.Dado: Rc = 3,7K; Rb = 330K; Re = 820; Vcc = +12V; Vee = -5V e ganho de corrente de 120

131

Figura 8.39

3. Considere o circuito da Figura 8.40. O beta na região ativa é de 100. Determine a reta de carga cc , indique o ponto quiescente na reta e determine Vc.

Figura 9.40

4. Dado o circuito da Figura 8.41, determine a corrente Ie2.Dado: Rb = 2,7M; Re2 = 1,2K; Vbb = 6V ; Vcc = 12V, 1 = 100 e 2 = 130.

figura 8.41

6. Observe o circuito, Figura 8.42 e o gráfico, Figura 8.43.

Figura 8.42 Figura 8.43

132

Sabendo-se, no Transistor Tr1, Beta = 40 e Vbe = 0,6V, qual a corrente, em Amperes, exibida pelo Amperímetro A1, para temperatura de 50°C no RTD?

6. A Figura 8.55, mostra um circuito transistorizado operando na região ativa com Vbe = 0,7V e as curvas características do transistor com a reta de carga correspondente. Determine:a) O ganho de corrente (cc).b) Considerando que o circuito apresenta R1 = 110K, R2 = 40K e Re = 340,. Determine os valores aproximadamente de Rc em , e Ib, em A.

Figura 8.44

7. A figura8.45 ilustra o sinal de tensão de entrada Vê, submetido no circuito transitorizado. Considere, na curva, os seguintes intervalos de tempo:

T1 de 0s a 1sT2 de 1s a 3sT3 de 4s a 6s

É correto afirmar que os estados do transistor, nos intervalos T1, T2 e T3, respectivamente, são:

a) saturado, cortado e operando na região linear.b) saturado, operando na região linear e cortado.c) operando na região linear, cortado e saturado.d) cortado, saturado e operando na região linear.e) cortado, operando na região linear e saturado.

133

Figura 8.45

8. No esquema da Figura 8.46, temos o circuito de um transmissor eletrônico analógico de informação. Nele, a saída está localizada onde está o Amperímetro A1 e a sua entrada é S1, que é a chave do sensor de fim de curso de uma válvula.

Figura 8.46

Este transmissor deve enviar as seguintes informações:

S1 Aberta = 4mA em A1;S2 Fechada = 20mA em A1;

Sabendo que o transistor tem os seguintes dados: beta = 200 e Vbe = 0,7V, Quais os valores dos potenciômetros P1 e P2 em KOhms?

9. Foi montado em laboratório o circuito da Figura 8.47. Algum led irá aceder? Explique o que acontecerá.Dado: Vcc = 12V. A barreira de potencial do led1 = 2V e do led 2 = 1,7V.

Para que apresente uma boa luminosidade deve passar uma corrente de 10mA em cada led.

134

Figura 8.47

10. A figura 8.48, mostra um simples provador de continuidade. Determine Vce e Ic no transistor 2 ao medir a continuidade em uma placa de circuito impresso, no qual a placa não apresenta defeito. A continuidade é indicada pelo led. Considere a barreira de potencial no led de 2V e o beta para os dois transistores de 100. A chave S1 deve está fechada.

Figura 8.48

11. O circuito da figura 8.49, mostra um conversor DC/DC que utiliza um diodo Zener de tensão nominal de 8,2V e um transistor com = 100 e Vbe = 0,7V. Determine, os valores de tensão de saída Vo, em volts, e da corrente Iz no Zener, em mA.

Figura 8.49

12. Dado o circuito(Figura 8.50), determine a tabela da verdade e indique qual porta lógica o circuito está representando.

135

Figura 8.50

13- Dado o circuito (Figura 8.51), calcule o valor do resistor da base, para que a corrente que circule no motor seja de 1mA quando o sensor for ativado.

OBS. O ganho de corrente do transistor é de 100 e o sensor é uma chave reed switch. Existem chaves reed swich normalmente aberta e normalmente fechada. No circuito foi utilizada uma chave normalmente aberta que funciona da seguinte forma: Normalmente está aberta e ao aproximar do imã a chave fecha.

Figura 8.51

14- Projete o circuito para que o transistor funcione como chave. No circuito foi utilizado um LDR, no qual com a incidência de luz a resistência é de 400 e na ausência de luz a resistência é de 1M. Para o circuito deseja que com a incidência de luz o relé seja energizado. A resistência do relé é de 100. (Figura 8.52).

136

Figura 8.52

15. Um motor CC opera com tensão de 5V e corrente de 100mA. Ele deve ser acionado por um circuito de controle que fornece 12V de tensão na saída, conforme o esquema abaixo. Usando a mesma tensão de alimentação do circuito de controle e o transistor Darlington, especifique os resistores Rb eRc. (Figura 8.53).

Figura 8.53


Experiência 12 – Transistor como chave

Neste circuito, deve-se montar o circuito, no qual o transistor irá operar como chave.


- 1 Fonte de alimentação 10V;- 1 transistor NPN (BC338);- 1 resistor de 5,6KΩ, 560Ω (0,25W);

137

Parâmetros do transistor Darlington

Ganho de corrente 1500Ic máx = 150mAVbe sat = 1.4VVce sat= 1V

- 1 led;- 1 multímetro (analógico ou digital);

Procedimento:


Figura 8.54

2. Coloque a chave na posição 1 e meça Ib,Ic,Ie, Vbe,Vce e Vcb;

3. Coloque a chave na posição 2 e meça Ib,Ic,Ie, Vbe,Vce e Vcb.

Experiência 13 – Transistor como Fonte de corrente

Neste circuito, deve-se montar o circuito, no qual o transistor irá operar como fonte de corrente.


- 2 Fontes de alimentação 8V;- 1 transistor NPN (BC338);- 1 resistor de 330Ω (0,25W);- 1 led;- 1 multímetro (analógico ou digital);

Procedimento:

1.Monte o circuito da Figura 8.55, no qual Vbb = 3V e Vcc = 8V:

138

Figura 8.55

2. Aumente progressivamente a tensão na base até igualar a tensãoVcc(8). Explique porque o led apagou.


Alarme para porta com transistor

Neste circuito, você vai montar um alarme para porta, no qual a porta deve estar fechada e ao abri-la, deve acionar um buzzer.


- 4 pilhas em um suporte para 4 pilhas ( duas em série e duas em paralelo);- 1 Buzzer de 6V;- 1 Chave reed swich (normalmente fechada);- 1 resistor 5,6KΩ (0,25W); -1 Transistor BC338, (ou equivalente). Ω

Circuito (Figura 8.56).

139

Figura 8.56

0 íma deve ficar na porta e o circuito como mostra a Figura 8.57.

Figura 8.57

A chave reed swich é normalmente fechada. No circuito, como a porta normalmente está fechada e o imã fica próximo a chave reed swich, a chave reed swich fica aberta. Ao abrir a porta, afasta o imã da chave reed swich e a chave reed swich fecha, fazendo com que circule corrente na base, desta forma o transistor deve entrar na região de saturação e acionar o buzzer.

Alarme de passagem

Neste circuito, uma fonte de luz deve sempre estar inserindo no fototransistor, ao bloquear esta emissão de luz, uma lâmpada será acesa.


140

-1 bateria de 12V;- 1 diodo 1N4004;- 1 lâmpada de 12V;- 1 resistores de 68K, 1/4W;- 2 resistores 1K; 1/4W;- 1 transistor BC338;- 1 capacitor 100F, 16V; - 1 capacitor 0,01F, 16V;- 1 fototransistor (qualquer um serve);- 1 CI 555;- 1 relé 12V.

Circuito

Figura 8.58

Neste circuito (Figura 8.58), uma fonte de luz deve estar inserindo luz no fototransistor, pode ser uma lanterna, e o fototransistor está funcionando como uma chave fechada. A tensão de 12V está sobre o resistor de 1K. No pino 2 do CI 555, tem-se uma alimentação de 12V. A saída (pino 3)fica em 0V.

Quando ocorre o bloqueio da luz sobre o fototransistor, este entra na região de corte e entra 0V, sobre o pino 2. A saída do CI555(pino 3) sai aproximadamente 12V(na prática sai uma tensão menor devido as perdas no CI) e o transistor entra na região de saturação. O relé é acionado e a lâmpada de 12V é acesa.

O tempo em que a lâmpada permanece acesa é calculado pela seguinte expressão:

T = 1,1 RC = 1,1x68Kx100 = 7,48s.

Após este tempo a lâmpada apaga.

141

CAPÍTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRÔNICOS

Introdução

Além dos diodos e transistores bipolares, existem vários outros componentes eletrônicos. Alguns desses componentes são usados em eletrônica de potência ou em circuitos osciladores e apresentam comportamentos completamente diferentes daqueles já estudados. Neste capítulo iremos explorar alguns desses componentes.

9.1 Transistor de Unijunção (TUJ)

Os transistores de unijunção (TUJ) são projetados para trabalharem em osciladores, circuitos temporizadores e disparadores (triggering). Embora sejam chamados de “transistores” e possuírem três terminais, sua constituição física é muito diferente de um transistor bipolar convencional, como podemos verificar na Figura 9.1. Um TUJ é dispositivo de baixa potência, com dissipação máxima de 300 mW. Na Figura 9.2 temos um equivalente elétrico para o TUJ e um circuito de teste. São exemplos de TUJ os seguintes componentes: 2N2646, 2N2647, 2N4870, 2N4871.

(a) (b)Figura 9.1 TUJ: (a) construção básica, (b) símbolo.

9.1.1 Funcionamento

Pela Figura 9.2 (a), vemos que se a tensão VE do emissor for menor que 0,7 + VRB1 o diodo se encontrará inversamente polarizado, IE será praticamente nula e corrente que circula pelo componente será dada pela tensão de alimentação divida pela resistência interbase RBB. O valor de RBB fica normalmente entre 4 kΩ e 9 kΩ.

Nessa situação, quando IE = 0, a tensão VRB1 é calculada por:

.

142

E

B2

B1

Junção pnB2

B1

E

Bastão de alumínio

Silício tipo n

(a) (b)

Figura 9.2 TUJ: (a) equivalente elétrico, (b) circuito de teste.

O valor η (“eta”) é a razão intrínseca do TUJ, isto é, a razão entre RB1 e RBB. O valor de η pode variar, tipicamente, entre 0,55 e 0,85. Quando a tensão VE se aproxima de VRB1 mais a tensão de polarização do diodo do emissor, ocorre uma redução drástica no valor de RB1 e passa a circular uma corrente maior pelo TUJ.

9.1.2 Aplicação típica: oscilador de relaxação

Na Figura 9.2 (b) temos uma aplicação típica para o TUJ. Nesse circuito, o capacitor vai se carregando através do resistor R1. Quando a tensão do capacitor atinge o valor crítico para a condução, isto é, quando VE > VD + VRB1, ocorre uma injeção de lacunas na região N correspondente a RB1 e a tensão do emissor cai rapidamente. Isso faz com que o capacitor se descarregue rapidamente através do resistor Rb1. A frequência desse oscilador é aproximadamente dada por:

.

A dedução dessa fórmula envolve algum conhecimento de cálculo e de transitórios CC, estando fora do escopo deste livro.

Note que na base 1 são gerados pulsos periódicos. Esses pulsos podem ser usados para ativar um outro dispositivo, o SCR (silicon controlled rectifier), que será estudado mais adiante. Antes, porém, estudaremos um componente mais “simples”, o diodo de quatro camadas Schockley.

143

VBB

RB2

E

RB1

B2

B1

ηVBB

IE

VE

RBB = RB1 + RB2

(IE = 0)

9.2 DIODO DE QUATRO CAMADAS O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a família, o

diodo de quatro camadas ou diodo Shockley (não confundir com o diodo Schottky, diodo com duas camadas, usado em aplicações que exigem altas freqüências, como, por exemplo, em computadores). A Figura 9.3 mostra a simbologia do diodo Shockley (diodo que iremos estudar) e do diodo Schottly.

(a) (c) (b)

Figura 9.3 – (a) Diodo Schockley (diodo de quatro camadas), (b) representação das quatro camadas PNPN, (c) Diodo Schottly (diodo de duas camadas).

9.2.1 Funcionamento

Para entender o funcionamento do diodo Schockley devemos analisar o funcionamento

do circuito conhecido como “trava ideal”, indicado na Figura 9.4.

(a) (b) (c) .

Figura 9.4 – (a) Dispositivo de quatro camadas, (b) modelo de estudo para a “trava ideal”, (c) trava formada por dois transistores.

144

Analisado a Figura 9.3-(c), observamos que o coletor do transistor PNP é ligado na base do transistor NPN. O coletor do transistor NPN é ligado na base do transistor PNP. Temos uma realimentação positiva conhecido como regeneração. Se a corrente da base do transistor NPN aumentar, a corrente do coletor do transistor também NPN aumentará, consequentemente, a corrente na base do transistor PNP também aumentará. A corrente na base do transistor NPN aumentará mais e o ciclo continua até os dois transistores entrarem em saturação, funcionado como uma chave fechada.

Por outro lado, se alguma coisa fizer a corrente da base do transistor NPN diminuir, a corrente do coletor também diminuíra. Como conseqüência, a corrente da base do transistor PNP também diminuirá ocasionando uma diminuição na corrente do coletor do transistor PNP. O ciclo irá se repetir até que os dois transistores entrem na região de corte. Teremos uma chave aberta.

O modo mais comum de disparar do diodo Schockley é através da interrupção, conhecida como tensão de breakover (UBO). A tensão de breakover significa aplicar uma tensão de alimentação suficientemente grande no emissor do transistor PNP, de forma a saturar os dois transistores. O efeito é o mesmo que aplicar um disparo, ou aplicar uma corrente na base do transistor NPN. Desta forma o diodo Schockey irá funcionar como uma chave fechada.

O único modo de abri-lo é através do desligamento por baixa corrente. Significa reduzir a corrente para um valor abaixo da corrente de manutenção (IH) ou tensão de manutenção (UH). A curva característica do diodo Schockley é mostrada na Figura 9.5.

Figura 9.5. Curva característica do diodo de quatro camadas Schockley.

Com polarização reversa o diodo se comporta como um diodo comum, apresentando altíssima resistência. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo será destruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que um valor chamado de tensão de breakover (UBO). Acima deste valor o dispositivo dispara passando a conduzir, somente voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH).

145

9.3 Diodo controlado de silício (SCR)

O SCR é um dispositivo de quatro camadas que foi desenvolvido no Bell Telephone Laboratory (EUA) em 1957. É um dos mais usados e difundidos tiristores. Tiristor é um nome genérico dado a uma família de componentes semicondutores formado por quatro camadas (PNPN). Esses componentes são aplicados principalmente na área de eletrônica de potência.

Um SCR é basicamente um diodo de quatro camadas unilateral no qual foi colocado um terceiro eletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo por injeção de corrente. A estrutura básica de um SCR é mostrada na Figura 9.6 e seu funcionamento é explicado a seguir.

(a) (b) (c)

Figura 9.6 (a) Camadas e junções do SCR, (b) símbolo do componente, (c) exemplo de encapsulamento (TO220).

9.3.1 Estrutura e funcionamento do SCR

O funcionamento de um SCR é semelhante à de um diodo de silício após o “disparo” de sua porta (gate). Sem esse disparo, o SCR permanece bloqueado mesmo quando está diretamente polarizado.

Figura 9.7 SCR polarizado diretamente, mas com corrente de porta nula.

146

Quando o circuito mostrado na Figura 9.7 é montado em laboratório, verifica-se que o SCR funciona como uma chave aberta. Este estado é alterado após um disparo de corrente no gate. A porta de um SCR é aproximadamente equivalente a um diodo. Por esta razão, é necessário pelo menos uma tensão de 0,7V para disparar o SCR. Além disso, será necessário uma corrente mínima, que irá depender do SCR utilizado, ou seja, a corrente de disparo será especificada pelo fabricante.

Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. A tensão de anodo cai para um valor baixo (0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH

(IH) cujo valor depende do tipo de SCR. Por exemplo, o TIC106 tem IH 0,5mA enquanto o TIC116 tem IH 15mA.

Como vimos anteriormente, um diodo de quatro camadas pode ser representado por dois transistores ligados com realimentação de um para o outro. Se adicionarmos um terceiro eletrodo, a porta, poderemos injetar corrente nesse eletrodo disparando a estrutura de quatro camadas. A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de A no caso do TIC 106.

9.3.2 Aplicações em CC típicas para o SCR

Em CC deve ser previsto circuito de reset após o SCR disparar. No circuito da Figura

9.8, a chave A é usada para disparar e a chave B para resetar o SCR.

Figura 9.8 SCR em circuito CC.

Bloqueio por capacitor. Para o circuito mostrado na Figura 9.9, a analise de funcionamento

leve em conta os seguintes passos:

a) com as chaves Ch1 e Ch2 abertas;b) fechando a chave Ch1;c) fechando a chave Ch2;

147

Figura 9.9 SCR em circuito CC com bloqueio por capacitor.

9.4 Diac

O diodo de quatro camadas bilateral (DIAC = Diode AC) é um dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar um determinado valor chamado de tensão de breakover (UBO), voltando a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH). O símbolo do diac e a sua estrutura interna são mostrados na Figura 9.10. Já a Figura 9.11 mostra a sua curva característica.

(a) (b) .

Figura 9.10. (a) Símbolo do diac e (b) sua estrutura interna.

148

Figura 9.11. Curva característica do diac.

O DIAC não conduz até que a tensão através dele exceder a tensão de interrupção em qualquer sentido. Uma vez que o diac está conduzindo, a única forma de abri-lo é através de um desligamento por baixa corrente. Isto significa reduzir a corrente abaixo da corrente de manutenção especificada pelo componente.

9.5 Triac

Quando é necessário controlar a potência em uma carga AC, com corrente nos dois sentidos, pode ser usado o circuito visto com dois SCRs em antiparalelo, como mostra a Figura 9.12, ou usar um TRIAC, também mostrado na Figura 9.12. O TRIAC, desta forma, pode ser entendido como sendo equivalente a dois SCR’s ligados em antiparalelo.

Figura 9.12. (a) Hipotético circuito de controle de carga AC usando dois SCRs, (b) símbolo do TRIAC.

O TRIAC também pode ser entendido como um DIAC no qual foi adicionado um terminal de controle permitindo disparar o dispositivo com diferentes valores de tensão. Como o TRIAC dispara com tensão positiva ou negativa não tem mais sentido em falar em anodo (terminal +) e catodo (terminal - ), ao invés disso os dois terminais são chamados de terminal principal 1 (T1) e terminal principal 2 (T2).

149

9.4.2 Aplicações típicas para o TRIAC

A seguir, apresentamos algumas aplicações típicas para o TRIAC.

CHAVE ESTÁTICA ASSINCRONA

O uso do TRIAC como chave assíncrona em circuitos CA leva algumas vantagens em relação à chave mecânica. Permite, por exemplo, controlar grandes potências a partir de potências relativamente pequenas, TRIAC não apresenta “trepidação” (o que acontece com um relé) ao conduzir, não há aparecimento de arco voltaico (o que acontece com um relé), permitindo um grande número de operações. A grande desvantagem é a dissipação de calor, sendo necessário o uso de um dissipador. Outra desvantagem é a possibilidade de aparecimento de grandes picos de corrente ao ligar o circuito a primeira vez, principalmente no caso de circuitos resistivos. A Figura 9.13 ilustra essa aplicação.

Figura 9.13. Chave assíncrona com TRIAC.

CHAVE ESTÁTICA SÍNCRONA

O TRIAC operando no modo assíncrono tem como principal inconveniente o fato da possibilidade de serem gerados surtos de corrente muito elevados no instante que o TRIAC é chaveado, principalmente se no instante que o TRIAC for gatilhado a tensão da rede estiver passando por um pico e a carga for resistiva. No modo síncrono o TRIAC somente será levado à condução quando a tensão da rede estiver passando próximo do zero, daí os circuitos que efetuam este tipo de controle ser chamados de Zero Voltage Switching (ZVS). Na Figura 9.14, o circuito ZVS comanda o disparo do TRIAC somente quando a tensão de entrada estiver passando próximo de zero, não deixando o TRIAC disparar se a tensão de entrada for muito alta.

150

Figura 9.14. Chave síncrona com TRIAC.

Controle de Potência – Dimmer.

A luminosidade de uma lâmpada pode ser controlada através da variação da potência elétrica que lhe é entregue, e isso pode ser feito alterando-se o angulo de disparo durante cada semi ciclo. A Figura 9.15 mostra um circuito simples que controla a potência de uma lâmpada usando o TRIAC. O seu funcionamento, em linhas gerais, é dados logo a seguir.

Figura 9.15. Circuito de controle de potência – Dimmer.

O capacitor C1 é carregado (no semiciclo positivo ou semiciclo negativo) através do potenciômetro de controle Rv e a resistência R1, C2 se carrega depois gerando um atraso. Após um tempo, o DIAC dispara quando a tensão no capacitor C2 atingir a tensão de disparo (breakover). O capacitor C2 se descarrega através do DIAC e no gate do TRIAC disparando-o para um determinado ângulo de disparo.

151

A mudança brusca de corrente de zero para um determinado valor produz rádio freqüência (RF) que causa interferências em aparelhos de rádio colocados na mesma rede. O indutor Lf e o capacitor Cf, mostrados na Figura 9.16, funcionam como um filtro que reduzem essas interferências a níveis aceitáveis.

A Figura 9.17 mostra as formas de onda da tensão na carga para um determinado angulo de disparo.

Figura 9.16. Circuito de controle de potência com filtro de RF (Lf e Cf).

Figura 9.17. Formas de onda da tensão na carga para um ângulo de disparo.

152

Exercícios

Ex1: Dado o circuito determine a corrente no diodo. Considere a tensão de interrupção do

diodo de 12V e a queda tensão de 1,2V; R = 1,2 kΩ.

a) Para Vf = 8V

b) Para Vf = 20V

Ex2: Dado o circuito determine o valor da tensão de alimentação que produz o desligamento

do diodo por baixa corrente. Considere a corrente de manutenção no diodo de 6mA e a queda

de tensão de 0,6V no ponto de desligamento. R= 2,2KΩ.

Ex3: O circuito abaixo é um detector de sobretensão. Explique o funcionamento. Dado: Fonte

de alimentação = 10V, Tensão de interrupção do diodo de 12V.

153

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos . Rio de Janeiro (RJ): Prentice-Hall do Brasil, 1984. 700 p. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999. ISBN 85-7054-008.

CIPELLI, Antônio Marco Vicari; SANDRINI, Waldir João. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos. São Paulo (SP): Érica, 1986. 580 p.

FERNANDES, Fabíola Soares. Ambiente computacional para o ensino de amplificadores para pequenos sinais. 2002. 150p. Fortaleza (CE), 2002.

MALVINO, Albert Paul; LEACH, Donald P. Eletrônica - v.1 . São Paulo (SP): Makron Books, 1987. v.1. ISBN 85-346-0455-X.

MILLMAN, Jacob; GRABEL, Arvin. Microelectronica. Lisboa (Portugal): McGraw-Hill, 1992. 2 v. ISBN 972-9241-16-3.

MILLMAN, Jacob; HALKIAS, Christos C. Eletrônica: dispositivos e circuitos - v.1 . São Paulo (SP): McGraw-Hill do Brasil, 1981. v.1.

SCHILLING, Donald, L.; BELOVE, Charles. Circuitos eletrônicos discretos e integrados. Rio de Janeiro (RJ): Guanabara Dois, 1979. 629 p.

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica . São Paulo (SP): Pearson Education do Brasil, 2000. ISBN 85.346.1044-4.

154

livro- diodo e transistores bipolares_rev03 (1).doc

Documents