ELETR
ELETRÔNICA
ÔNICA BÁ
BÁ SIC
SICA
A
Versão
Versão 1.
1.00
W
Wagner da Silva Zanc
agner da Silva Zanc oo
2006
2006
http://www.wagnerzanco.com.br
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suporte@wagnerzanco.com.br
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Objetivo
Objetivo
O objetivo desta apostila é servir como parte do material didático utilizado no estudo de Eletrônica Básica, curso que pode
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ser ministrado de forma presencial ou semipresencial. Embora o material tenha sido desenvolvido inicialmente para a disciplina de
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Eletrônica Básica do curso de Eletrônica em nível técnico, não há impedimento para a sua utilização em disciplinas pertencentes a
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cursos técnicos de áreas afins, ou até mesmo em outros segmentos da educação profissional cujo conteúdo programático seja
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compatível.
compatível.
Os assuntos são abordados em uma seqüência lógica respeitando a visão consagrada por muitos professores no que diz
Os assuntos são abordados em uma seqüência lógica respeitando a visão consagrada por muitos professores no que diz
respeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exercícios propostos que ajudarão o aluno na
respeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exercícios propostos que ajudarão o aluno na
retenção do item estudado e no desenvolvimento do raciocínio exigido para a aprendizagem da Eletrônica.
Índice Analític o
CAPÍTULO 1:
DIODO
_______________
1
______
1.1
POLARIZAÇÃO DIRETA
1
1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)
1
CAPÍTULO 2:
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
3
2.1
POLARIZAÇÃO DIRETA
3
2.2
POLARIZAÇÃO REVERSA
3
2.3
TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO
4
2.4
RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(R
I)
4
CAPÍTULO 3:
ESTURUTURA INTERNA DO DIODO
5
3.1
O ELÉTRON
5
3.2
ÁTOMO
5
3.3
CARGA ELÉTRICA
5
3.4
ELÉTRONS LIVRES
5
3.5
SEMICONDUTORES
5
3.6
LIGAÇÃO COVALENTE
5
3.7
ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR
6
3.8
CRISTAL PURO
6
3.9
CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS
6
3.10
JUNÇÃO PN
7
3.11
CAMADA DE DEPLEÇÃO E BARREIRA DE POTENCIAL
7
3.12
DIODO DE JUNÇÃO
7
3.13
POLARIZAÇÃO DIRETA
7
3.14
POLARIZAÇÃO REVERSA
8
3.15
CORRENTE REVERSA
8
3.16
TENSÃO DE RUPTURA
8
CAPÍTULO 4:
TRANSFORMADOR
9
4.1
SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR
9
CAPÍTULO 5:
FONTES DE TENSÃO
11
5.1
FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA
11
5.2
FONTE DE TENSÃO ALTERNADA
11
5.3
CICLO
11
5.4
PERÍODO (T)
11
5.5
FREQUÊNCIA (
ƒ )11
5.6
VALORES DA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL
11
CAPÍTULO 6: FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)
13
6.1
TRANSFORMADOR
13
6.2
RETIFICADOR
13
6.3
RETIFICADOR DE MEIA ONDA
13
6.4
TENSÃO MÉDIA (Vcc)
14
6.5
CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
14
6.6
CORRENTE MÉDIA (Icc)
14
6.7
TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)
15
CAPÍTULO 7: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
17
7.1
TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL
17
7.2
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
17
7.3
SEMICICLO POSITIVO
18
7.4
SEMICICLO NEGATIVO
18
7.5
FREQUÊNCIA NA CARGA
18
7.6
CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
18
7.7
TENSÃO MÉDIA NA CARGA
18
7.8
CORRENTE MÉDIA
19
CAPÍTULO 8: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
21
8.1
SEMICICLO POSITIVO
21
8.2
SEMICICLO NEGATIVO
21
8.3
FREQUÊNCIA NA CARGA
21
8.4
CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
21
8.5
TENSÃO MÉDIA NA CARGA
21
8.6
CORRENTE MÉDIA
22
8.7
TENSÃO DE PICO INVERSA
22
8.8
RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS
22
CAPÍTULO 9: FILTRO CAPACITIVO
24
9.1
CAPACITOR
24
9.2
SÍMBOLOS
24
9.3
TIPOS DE CAPACITORES
24
9.4
CARGA E DESCARGA
24
9.5
RIGIDEZ DIELÉTRICA
25
9.6
ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE
25
9.7
RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO
25
9.8
CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR
25
9.9
TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc)
27
9.10
CORRENTE MÉDIA
27
9.11
TENSÃO DE PICO INVERSA
27
CAPÍTULO 10: ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO
29
10.1
ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA DE POTÊNCIA
29
10.2
FONTE ESTABILIZADA A ZENER
30
10.3
FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR
30
10.4
TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA
33
10.5
FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA
33
10.6
DISSIPADOR DE CALOR
33
10.7
CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL
33
10.8
FUSÍVEL
33
10.9
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
34
10.10
TENSÃO E CORRENTE NO LED
34
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 1: Diodo
1DIODO
Dispositivo eletrônico fabricado a partir de materiais semicondutores como Silício e Germânio. O diodo é um dispositivo de grande importância
dentro da eletrônica, e sua principal característica é a de conduzir a corrente elétrica em um só sentido.
Quando aplicamos uma tensão no diodo, dizemos que estamos polarizando o mesmo. Existem dois tipos de polarização:
- POLARIZAÇÃO DIRETA - POLARIZAÇÃO REVERSA
1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
Um diodo está polarizado diretamente quando o terminal positivo da fonte está mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo. Quando o diodo está polarizado diretamente ele se comporta como se fosse uma chave fechada(diodo ideal), permitindo a circulação da corrente, como mostra a figura a seguir.
Como o diodo se comporta como uma chave fechada, é necessária a presença de um resistor em série com ele para limitar a corrente, caso contrário à fonte entra em curto.
TENSÃO NO DIODO
Sendo o circuito série, VT = VD+ VR
Como o diodo se comporta como um curto, VD=∅V
Então, VT = VR
Isto significa que toda a tensão da fonte aparece no resistor em série com o diodo.
1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)
Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte estiver mais perto do catodo e terminal negativo do anodo. Desta forma, o diodo se comporta como uma chave aberta bloqueando a passagem da corrente elétrica, como mostra a figura a seguir.
TENSÃO NO DIODO
Como o diodo se comporta como uma chave aberta, não tem corrente circulando no circuito. Sendo assim:
Se, VR= R.I e, I =∅A Então, VR=∅v Com isso, VT = VR+ VD VT =∅+ VD VT = VD
Isto significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais do diodo. Não esqueça disso, pois esta idéia será vista bastante mais frente. A figura a seguir ilustra a idéia.
EXEMPLOS
A) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente elétrica?
A primeira coisa a observar é se o diodo está polarizado diretamente ou inversamente. Como neste exemplo o terminal da fonte está mais próximo do anodo, o diodo está polarizado diretamente, podendo ser substituído por uma chave fechada. Como a tensão em cima do diodo é
∅V, toda a tensão da fonte aparece em cima do resistor.
Ca ít ul o 1
Capítulo 1: Diodo
Wagner da Silva Zanco
2
B) Dado o circuito abaixo, calcule:
Estando o terminal positivo da fonte mais próximo do catodo, o diodo encontra-se polarizado reversamente, podendo ser substituído por uma chave aberta. Não haverá corrente circulando no circuito(I = ∅A), o
que significa que a tensão em R também é∅V. Com isso, toda a tensão da
fonte aparece em cima do diodo VD= 12V.
EXERCÍCIOS
1) Dado o circuito abaixo, calcule?
2) Dado o circuito abaixo, calcule?
3) Dado o circuito abaixo, calcule?
4) Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas? a)
b)
VR=? VD=? I=?
a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c) corrente em cada braço?
a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c corrente em cada bra o?
a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c corrente em cada bra o?
Wagner da Silva Zanco Capítulo 2: Curva Característica do Diodo 3
GRÁFICO DO DIODO
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
Na análise inicial nós consideramos o diodo polarizado diretamente como uma chave fechada(diodo ideal). Na prática, o diodo só começa a conduzir quando a tensão em seus terminais ultrapassa a tensão de condução(limiar), que é 0,7V para diodos de Silício e 0,3V para diodos de Germânio. Como hoje praticamente todos os diodos fabricados são de Silício, daremos ênfase a eles a menos que seja dito o contrário. A seguir vemos o gráfico da tensãoversuscorrente do diodo de Silício.
2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
Quando o diodo é polarizado diretamente, podemos observar que a corrente permanece em zero até que a tensão nos terminais do diodo ultrapasse a tensão de limiar (0,7V). Isto significa que, mesmo estando polarizado diretamente, o diodo só conduz quando a tensão em seus terminais atinge o valor de limiar. A corrente no diodo aumenta bruscamente após a tensão em seus terminais ter ultrapassado o valor de limiar. O mesmo, porém, não acontece com a tensão nos terminais do diodo, que aumenta modestamente para grandes aumentos na corrente direta. Para efeito de cálculo nós consideramos que em condução o diodo tem em seus terminais uma tensão de 0,7V, mas lembre-se que na prática a tensão no diodo aumenta quando a corrente direta aumenta. Um fabricante do diodo 1N5408 informa em seu datasheet que o mesmo pode ter uma tensão de 1.2V quando a corrente direta no diodo for de 3A.
Para que a corrente no diodo não ultrapasse o valor nominal, é necessário que seja ligado um resistor em série com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente, cuja finalidade é limitar a corrente no componente para que ele não seja destruído por excesso de dissipação de calor. O resistor em série com o diodo polarizado diretamente é necessário porque, em condução, o diodo praticamente não oferece oposição a passagem da corrente elétrica, ou seja, sua resistência interna é muito baixa. Por este motivo que normalmente nós consideramos o diodo como um curto quando ele está polarizado diretamente.
Vemos a seguir um circuito com um diodo polarizado diretamente por meio de uma fonte variável. Para tensões da fonte entre 0V e 0,7V, o diodo continua se comportando como uma chave aberta, mesmo estando polarizado diretamente. Vimos no gráfico do diodo que para esta faixa de tensão no diodo, a corrente é zero. Quando a tensão da fonte ultrapassa 0,7V, o diodo começa a conduzir, permitindo a passagem dos elétrons. Vemos no gráfico do diodo também que quando a tensão no diodo atinge 0,7V a corrente tem um aumento brusco. O resistor em série com o diodo tem a função de não permitir que esta corrente aumente a ponto de danificar o diodo. O diodo 1N4001, por exemplo, suporta uma corrente máxima de 1A estando polarizado diretamente. Uma vez em condução, grandes aumentos na corrente provoca pequena variação na tensão no diodo. Para efeito de cálculo esta pequena variação de tensão no diodo não é considerada. Quando se leva em consideração a tensão de condução do diodo, dizemos que ele está se comportando como um diodo real.
Depois que o diodo começou a conduzir a tensão em seus terminais se mantém em 0,7V, sendo que todo o excedente de tensão da fonte aparecerá no resistor. Por exemplo:
2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA
Quando o diodo é polarizado reversamente ele se comporta como uma chave aberta até que a tensão em seus terminais ultrapasse o valor de ruptura, quando então o diodo conduz intensamente e se destrói por excesso de dissipação de calor. O diodo 1N4001, por exemplo, possui uma tensão de ruptura de 50V. Se você for usar este diodo polarizado reversamente em um circuito certifique-se de que a tensão em seus terminais nunca irá ultrapassar 50V.
Vemos a seguir um diodo polarizado reversamente em série com um resistor. Como o diodo se comporta como uma chave aberta não tem corrente circulando no circuito e, conseqüentemente, não tem tensão no resistor R. Isso significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais do diodo. Desde que esta tensão reversa no diodo não ultrapasse o valor de ruptura o diodo irá se comportar como uma chave aberta.
VT = VD + VR Como, I = 0 e VR = 0
Então, VT = VD
Na verdade, o diodo não se comportará exatamente como uma chave aberta estando polarizado reversamente, pois uma pequena corrente reversa circulará por ele mesmo estando reversamente polarizado. Como será visto mais adiante, esta corrente reversa possui duas componentes que são: corrente de fuga superficial e corrente dos portadores
minoritários. Estas componentes da corrente reversa serão devidamente explicadas quando formos estudar a estrutura atômica do diodo. Por ora, saiba que a corrente de fuga superficial depende da tensão reversa nos terminais do diodo e que a corrente dos portadores minoritários depende da temperatura.
Capítulo 2: Curva Característica do Diodo Wagner da Silva Zanco
4
Veja a seguir as especificações de alguns diodos encontrados com certa facilidade no mercado.
Diodo Tensão de Ruptura ID(máxima corrente direta) 1N914 75V 200mA 1N4001 50V 1A 1N1185 120V 35A 1N4007 1000V 1A
2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO
Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qual ele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de 0,7V. Até diodos do mesmo tipo podem começar a conduzir em pontos diferentes de tensão. Felizmente para efeito de cálculo, nós não precisamos nos preocupar com isso, mas mantenha este fato em mente sempre que for fazer alguma montagem com diodos. A folha de dados do 1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminais pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de 25ºC.
2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)
Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução como uma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência interna pode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quase sempre é desprezada. No exemplo acima nós podemos calcular a resistência interna do diodo, como mostrado a seguir.
RI= 0,7÷2,3mA = 304,34Ω
EXERCÍCIOS
1) Dado os circuitos a seguir, calcule: OBS: Diodo real
a) Corrente em cada braço? b) Tensão em cada resistor? c) Tensão no diodo? A) B) C) D) E) F)
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo
5GRÁFICO DO DIODO
ESTURUTURA INTERNA DO DIODO
3.1 O ELÉTRON
A eletrônica é a ciência que se dedica ao comportamento dos elétrons, afim de que eles sejam aproveitados em funções úteis.
A própria palavra eletrônica deriva do termo elétrons, de origem grega, e designa uma das partículas básicas da matéria.
A eletricidade de que estamos acostumados a nos servir chega até as nossas casas pelo movimento de elétrons através dos fios. O movimento de elétrons que citamos é chamado de corrente elétrica.
3.2 ÁTOMO
Nós sabemos que a matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. Toda matéria é constituída de átomos. O átomo se divide em duas partes: Núcleo, onde se encontram os prótons e os nêutrons e Eletrosfera, onde se encontram os elétrons.
Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partículas diferentes no átomo, tais como mésons, neutrinos, quaks, léptons, bósons etc.
3.3 CARGA ELÉTRICA
Eletricamente falando, um átomo pode se encontrar em três situações diferentes:
Neutro⇒quando a quantidade de prótons é igual a de elétrons. Este é o
estado normal de qualquer átomo. Neste caso dizemos que ele está em equilíbrio.
Carregado po sitivamente⇒quando a quantidade de prótons é maior que
a de elétrons.
Carregado negativamente ⇒Quando a quantidade de prótons é menor
que a de elétrons.
A menor quantidade de carga elétrica que um átomo pode adquirir é a carga de um próton ou a de um elétron.
Elétron⇒carga elétrica negativa(--) fundamental da eletricidade.
Próton⇒carga elétrica positiva(+) fundamental da eletricidade
Nêutron⇒não possui carga elétrica.
A carga elétrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909 pelo físico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI em Coulomb, o valor numérico da carga elétrica fundamental de um elétron, sendo a do próton igual em módulo, mudando apenas o sinal, que é positiva é:
e- = 1,6 x 10-19C
3.4 ELÉTRONS LIVRES
O que mantém os elétrons ligados aos seus respectivos átomos é o seu movimento em torno do núcleo, associado a força de atração mutua existente entre eles e os prótons. Quanto mais afastado do núcleo estiver este elétron, menor será esta força de atração mutua.
Quando aplicamos em certos materiais energia externa como luz, calor, pressão, os elétrons absorvem esta energia, e se esta for maior que a força exercida pelo núcleo, o elétron poderá se desprender do átomo tornando-se um elétron livre. A corrente elétrica é nada mais que o movimento de elétrons livres.
Os elétrons livres se encontram em grande quantidade nos materiais chamados bons condutores, e não existem ou praticamente não existem, nos chamados maus condutores ou isolantes.
Como exemplo de bons condutores podemos citar as ligas metálicas, ouro, prata, cobre, ferro, alumínio etc.
Alguns exemplos de isolantes são: vidro, porcelana, mica, borracha, madeira etc.
3.5 SEMICONDUTORES
Os semicondutores são substâncias cujos átomos possuem quatro elétrons na camada de valência(última camada). Os semicondutores não são bons nem maus condutores de eletricidade. Na verdade, a condutividade de um semicondutor depende da temperatura a qual ele está submetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolante perfeito a temperatura de -273ºC. A medida que a temperatura vai aumentando sua condutividade também aumenta.
O Silício e o Germânio são os semicondutores usados na construção de dispositivos eletrônicos como diodos, transistores, circuitos integrados etc. O Germânio praticamente não é mais usado na construção de dispositivos semicondutores devido a sensibilidade à temperatura. Por isso, quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do Silício.
O átomo de Silício possui quatorze elétrons, quatorze prótons e quatorze nêutrons.
3.6 LIGAÇÃO COVALENTE
Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons na camada de valência. Contudo, para formar o sólido o átomo precisa de oito elétrons na camada de valência, ou seja, estar quimicamente estável. Para obter os oito elétrons na camada de valência os átomos se associam numa ligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente os átomos compartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemos na figura a seguir.
Na ligação covalente cada átomo compartilha um elétron com o átomo vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétrons emprestados, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência, adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétrons compartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central. Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatro elétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, eletricamente neutro.
Os átomos de Silício se distribuem no sólido formando uma estrutura cúbica, onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica é normalmente chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólido de Silício é um cristal de Silício. A figura a seguir ilustra a idéia.
Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo
Wagner da Silva Zanco
63.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR
Já vimos que o que mantém os elétrons presos aos seus respectivos átomos é a força de atração exercida pelo núcleo, associada ao movimento circular do elétron em torno do núcleo. Sabe-se que associado a todo movimento circular atua a força centrífuga, que puxa o corpo para fora do centro do movimento. No caso dos elétrons, ocorre que a força centrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo, enquanto os prótons os puxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém os elétrons ligados aos átomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que a força de atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que a força que atua nos elétrons das primeiras camadas.
Se um elétron da camada de valência receber energia externa como luz calor etc., e esta for maior que a força de atração exercida pelo núcleo, o elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência, chamada de banda de condução. Uma vez na banda de condução o elétron está livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron livre. Ao ir para a banda de condução, o elétron deixa um vazio que nós chamamos de lacuna.
Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Esta quebra produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livre vagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atraído por ela. Neste caso houve uma recombinação.
Sendo a corrente elétrica o movimento de elétrons livres, o silício é um isolante perfeito a uma temperatura de -273ºC, porque a esta temperatura não existe nenhum elétron livre. A medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligações covalentes, assim como recombinações. À temperatura ambiente de 25ºC um cristal de silício puro possui uma quantidade de pares elétron-lacuna mais ou menos estável devido as constantes quebras de ligações covalentes produzidas termicamente, assim como recombinações.
3.8 CRISTAL PURO
Vemos na figura a seguir um cristal de silício puro. À temperatura ambiente existe um número mais ou menos estável de elétrons livres e de lacunas produzidos termicamente, como já vimos anteriormente.
Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamos observar algo interessante. Existem dois trajetos para os elétrons se movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas: uma de elétrons livres e a outra de elétrons de valência. Os elétrons livres irão se deslocar de um lado para outro do cristal através da banda de condução, os elétrons de valência se deslocarão de um lado para outro do
cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra. A corrente de elétrons de valência pode ser vista como uma corrente de lacunas em sentido contrário, como mostra afigura a seguir.
Cristal de silício puro
3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS
A figura a seguir mostra o cristal ampliado até a estrutura atômica submetido a uma DDP. O elétron livre mostrado dentro do cristal será atraído pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de condução, como indica a seta.Esta corrente de elétrons livres é de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais condutores . Observe agora a lacuna mostrada na figura. O elétron do
ponto 1 pode ser atraído pela lacuna. Se isso ocorrer, a lacuna na extremidade deixará de existir e, onde estava o elétron no ponto 1 terá uma lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, onde passará a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocínio, como mostram as setas, veremos que os elétrons estão se deslocando em direção ao terminal positivo e a lacuna em direção ao terminal negativo. Ao saírem pela extremidade do cristal, tanto o elétron livre quanto o elétron de valência tornam-se elétrons livres, seguem em direção ao terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo e entram na extremidade oposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como elétrons livres, outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de valência. O movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrário .
Cristal de silício puro
Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o que diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor só existe corrente de elétrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores é apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade são os elétrons de valência, tenha isso sempre em mente.
Na prática, não temos como medir a corrente de elétrons livres e de lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos semicondutores na construção de dispositivos eletrônicos se deu, em grande parte, por esta característica.
Uma forma de aumentar a condutividade do cristal puro é introduzir no cristal impurezas pentavalentes, que são átomos com cinco elétrons na última camada, produzindo um cristal tipo N. Para cada átomo de impureza pentavalente introduzido no cristal aparecerá um elétron livre. A figura a seguir mostra um cristal tipo N.
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo
7Semicondutor tipo N
Uma outra forma de aumentar a condutividade de um cristal puro é a dopagem com impurezas trivalentes, que são átomos com três elétrons na última camada, produzindo um cristal tipo P. Para cada átomo de impureza trivalente introduzido no cristal aparecerá uma lacuna. A figura a seguir mostra um cristal tipo P.
Semicondutor tipo P
3.10 JUNÇÃO PN
Se nós doparmos a metade de um cristal puro com impurezas trivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes produziremos um diodo de junção, ou diodo semicondutor. o lado do cristal dopado com impurezas trivalentes terá muitas lacunas e o lado dopado com impurezas pentavalentes terá muitos elétrons livres. Os poucos elétrons livres vistos no lado P, assim como as poucas lacunas vistas no lado N, são produzidos termicamente.
Ocorre que os elétrons mais próximos da junção são atraídos pelas lacunas que estão mais próximas, conforme mostram as setas na figura acima. Quando o elétron deixa o átomo para se recombinar com a lacuna, este átomo se transforma em um íon positivo, pois ele perdeu um elétron. Da mesma forma, o átomo ao qual pertencia a lacuna, se transforma em um íon negativo. Esta recombinação irá ocorrer com todos os elétrons e lacunas que estiverem próximos da junção. Cada recombinação fará aparecer um par de íons próximos da junção. Isto resultará em uma coluna de íons positivos do lado N e um a coluna de íons negativos do lado P. A figura a seguir ilustra a idéia.
Chegará um momento que a região próxima à junção ficará esgotada de elétrons livres e lacunas. A coluna de íons negativos do lado P irá repelir qualquer elétron que tentar atravessar a junção em busca de alguma lacuna, estabelecendo-se assim um equilíbrio.
Não confunda íon com elétron livre ou lacuna. um íon é um átomo que adquiriu carga elétrica, ou seja, ganhou ou perdeu elétrons. Na figura acima o íon negativo está representado por um sinal negativo com um círculo em volta, e o íon positivo por um sinal positivo com um círculo em volta .
3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E B ARREIRA DE POTENCIAL
As colunas de íons que se formaram próximas à junção devido a recombinação de elétrons e lacunas é chamada de camada de depleção. Existe entre as duas colunas de íons uma DDP que é chamada de barreira
de potencial. Esta DDP nos diodos de Germânio é de 0,3V e nos de silício é de 0,7V.
3.12 DIODO DE JUNÇÃO
Na figura a seguir vemos a estrutura interna de um diodo de junção. O terminal ligado ao lado P é o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N é o catodo(k). A faixa cinza próxima a junção é a camada de depleção, que irá se comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferença de potencial.
3.13 POLARIZAÇÃO DIRETA
Para polarizar um diodo diretamente temos de submete-lo a uma diferença de potencial, de forma que o terminal positivo da fonte fique mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo, como mostra a figura a seguir. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá repelir as lacunas do lado P, e o terminal negativo irá repelir os elétrons livres do lado N. Esta repulsão provocará a compressão da camada de depleção. Quando a tensão entre os terminais do diodo atingir o valor da barreira de potencial (0,7V para o silício), ou seja, VT > 0,7V, a camada de depleção estará tão comprimida que permitirá que os elétrons livres da região N atravessem a junção e entrem na região P. Uma vez dentro da região P os elétrons livres descem da banda de condução para a camada de valência e atravessam a região P como elétrons de valência, pulando de lacuna em lacuna até saírem pelo terminal do anodo, quando seguem para o terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo, entram na região N do diodo pelo terminal do catodo, atravessam a região N como elétrons livres, cruzam a junção e assim sucessivamente. O que nós acabamos de descrever é na verdade um fluxo de elétron, ou uma corrente elétrica. Resumindo, quando o diodo é polarizado diretamente e a tensão em seus terminais atinge o valor da barreira de potencial o diodo começa a conduzir corrente, ou seja, permite que os elétrons cruzem a junção.
Uma vez em condução, a resistência entre os terminais do diodo cai drasticamente. Isto significa que o diodo se comporta quase como um curto, o que justifica o fato de que sempre veremos um resistor em série com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente. Sua função é limitar a intensidade de corrente elétrica que passa pelo diodo.
Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo
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83.14 POLARIZAÇÃO REVERSA
Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte está mais próximo do catodo e o terminal negativo mais próximo do anodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá atrair os elétrons livres da região N e o terminal negativo irá atrair as lacunas da região P. Isto provocará a expansão da camada de depleção, dificultando ainda mais a difusão de elétrons livres através da junção, ou seja, o diodo se comportará como uma chave aberta.
Quando polarizado reversamente, a resistência entre os terminais do diodo é muito alta. Por isso costuma-se dizer que ele se comporta como uma chave aberta quando está polarizado reversamente.
3.15 CORRENTE REVERSA
Teoricamente, um diodo polarizado reversamente se comporta como uma chave aberta, mas na prática circulará pelo diodo uma pequena corrente reversa devido aos portadores minoritários produzidos termicamente. A intensidade desta corrente reversa depende da temperatura e não da tensão aplicada. O datasheet de um diodo 1N4001 informa que a sua corrente reversa, a uma temperatura de 25ºC é tipicamente de 50pA, e a 100ºC é de 1.0µA. Veja como a corrente reversa aumenta com o aumento de temperatura. Esta corrente reversa é muita das vezes inconveniente e pode prejudicar o bom funcionamento do circuito. Isso responde porque certos equipamentos eletrônicos precisam de salas climatizadas, equipadas com ar condicionado para funcionar.
Um dos motivos do uso em grande escala do Silício na confecção de componentes eletrôni cos é que a corrente reversa nos componentes fabricados com Silício é menor do que nos fabricados com Germânio, ou seja, o Silício e menos sensível à temperatura .
Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa, que é a corrente de fuga superficial. Devido a impurezas (por exemplo poeiras) localizadas na superfície do cristal, um trajeto ôhmico pode ser criado viabilizando a circulação desta corrente reversa pela superfície do cristal. Esta componente depende da tensão reversa aplicada ao diodo. Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos portadores minoritários, que depende da temperatura e a corrente de fuga superficial, que depende da tensão reversa aplicada aos terminais do diodo.
Não se preocupe, por hora, com a corrente reversa, normalmente ela é tão pequena que na maioria dos casos é desprezada.
3.16 TENSÃO DE RUPTURA
Temos de ter cuidado quando vamos polarizar um diodo reversamente, pois existe um valor de tensão máxima que cada diodo suporta estando polarizado desta forma, que é a tensão de ruptura. Se a tensão reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura o mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipação de calor. Por exemplo, um 1N4001 suporta no máximo 50V quando polarizado reversamente.
O motivo desta condução destrutiva na ruptura é um efeito conhecido como avalanche. quando o diodo está polarizado reversamente circula por ele uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritários. Um aumento na tensão reversa pode acelerar estes portadores minoritários podendo causar o choque destes com os átomos do cristal. Estes choques podem desalojar elétrons de valência enviando-os para a banda de condução, somando-se aos portadores minoritários, aumentando ainda
mais o número de elétrons livres e, conseqüentemente, de choques. o processo continua até ocorrer uma avalanche de elétrons (alta corrente elétrica), que causará a destruição do diodo.
EXERCÍCIOS:
1) O que é uma ligação covalente? 2) Qual a carga elétrica de um elétron?
3) O que é necessário para que um eletrôn se trone livre? 4) O que caracteriza um material semicondutor?
5) Porque o Silício normalmente é chamado de cristal?
6) O diferencia um material condutor de um semicondutor do ponto de vista da condutividade?
7) O que é dopagem? Qual a sua finalidade? 8) Explique como é obtido um diodo de junção. 9) Defina camada de depleção e barreira de poten cial.
10) O que ocorre com a camada de depleção quando um diodo é polarizado diretamente ou reversamente?
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Capítulo 4: Transformador
9GRÁFICO DO DIODO
TRANSFORMADOR
O transformador é formado por um núcleo de ferro, onde são enrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios de cobre. Sua principal função é aumentar ou abaixar uma tensão aplicada em seu enrolamento primário.
O princípio de funcionamento do transformador é baseado num fenômeno conhecido como indução eletromagnética. Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece em seus extremos uma DDP, que é chamada detensão induzida. O mesmo
irá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magnético. É necessário, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magnético e o condutor para que apareça nos extremos dele uma tensão induzida.
Sabe-se que quando a corrente elétrica passa por um condutor se estabelece em torno do condutor um campo magnético, cuja intensidade depende da quantidade de elétrons que estejam passando por segundo no condutor (intensidade de corrente elétrica). A figura a seguir mostra um condutor percorrido por uma corrente elétrica e o campo magnético em torno do condutor, representado pelas linhas de forças.
Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a intensidade do campo magnético também varia. Como o condutor está submetido ao campo, aparecerá em seus terminais uma tensão induzida. Este é o princípio de funcionamento do transformador: Uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular por ele uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável, que se estabelecerá no núcl eo do transfor mador. Como o enrolamento secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida aparecerá em seus extremos devido ao campo magnético variável ao qual está submetido . Observe que não existe contato elétrico entre os enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos é apenas magnética.
Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, não aparecerá tensão alguma no secundário do transformador. Isso acontece porque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante no enrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético
constante no núcleo. Isso significa que não haverá movimento relativo entre o campo magnético e o condutor, não havendo tensão induzida.
4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR
Vpri = Tensão no enrolamento primário (eficaz ou de pico). Vsec = Tensão no enrolamento secundário (eficaz ou de pico). N1 = Número de espiras no primário.
N2 = Número de espiras no secundário.
A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tensão é a relação existente entre o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário. Se o número de espiras do enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamento primário, o transformador será elevador de tensão; se for menor será abaixador de tensão. A fórmula a seguir nos permite calcular a tensão no enrolamento secundário, sendo conhecida a tensão no primário e a relação de espiras.
Ex.:
Qual a tensão no enrolamento secundário do transformador a seguir?
Observe que N1=10 e N2=1. Isto não significa que o enrolamento primário possui dez espiras e o secundário uma espira. Para cada dez espiras no primário, existe uma no secundário, ou seja, se o enrolamento primário tiver mil espiras, o secundário terá cem espiras. Como foi usado o valor eficaz de tensão no primário, a tensão calculada no secundário será eficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tensão no primário, o valor calculado no secundário seria de pico, não esqueça disto.
Uma outra observação importante sobre o transformador é que o mesmo não altera a forma da onda nem a freqüência da tensão aplicada no enrolamento primário. O transformador altera apenas o nível de tensão, elevando ou abaixando a tensão aplicada no enrolamento primário. No exemplo acima a tensão aplicada no primário é senoidal, tendo a mesma forma de onda e freqüência que a tensão no secundário.
EXERCÍCIOS
Capítulo 4: Transformador
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101) Qual a tensão eficaz que aparecerá no enrolamento secundário de um transformador que possui uma relação de espiras de 20:4 e uma tensão de 250Vef em seu enrolamento primário?
2) Qual a tensão de pico no secundário do trafo a seguir?
3) Se a tensão medida no secundário de um transformador é 30Vef e a sua relação de espiras é 15:3, Qual a tensão aplicada no seu enrolamento primário?
4) Se um transformador tem 2000 espiras no seu enrolamento primário e a sua relação de espiras é 5:2, quantas espiras possui seu enrolamento secundário?
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Capítulo 5: Fontes de Tensão
11GRÁFICO DO DIODO
FONTES DE TENSÃO
5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA
A polaridade da tensão nos terminais de fonte de tensão contínua não se altera nunca, o terminal positivo é sempre positivo e o negativo é sempre negativo. A fonte de tensão contínua mantém constante a DDP entre os seus terminais. Como exemplos de fontes de tensão contínua podemos citar a pilha de controle remoto, bateria de automóvel, bateria de celular etc. Vemos a seguir o gráfico da tensãoversustempo de uma fonte de tensão
contínua. Observe que a tensão se mantém constante ao longo do tempo.
5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA
A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora um terminal é positivo, ora negativo. A DDP entre os terminais da fonte de tensão alternada varia a todo instante. Uma tensão alternada pode ter várias formas, a que nos interessa no momento é a tensão alternada senoidal. Veja a seguir como a tensão alternada senoidal varia com o tempo.
O termo senoidal deriva do fato do gráfico da tensão alternada senoidal ser idêntico ao gráfico da função seno. As tomadas de luz, onde nós ligamos a televisão, geladeira e eletrodomésticos em nossa casa, são exemplos de fontes de tensão alternada senoidal.
5.3 CICLO
Ciclo de uma tensão alternada senoidal é a seqüência de valores onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo é composto por dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a tensão sai de zero, sobe até o valor máximo (VP), onde a partir do qual começa a diminuir até chegar novamente a zero. Quando a tensão entra no semiciclo negativo (começa aumentar negativamente), ocorre uma mudança de polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora é negativo. A tensão aumenta até chegar ao máximo negativo (-VP), quando
começa, então, a diminuir até chegar a zero, a partir do qual começa um novo ciclo.
5.4 PERÍODO (T)
É o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade é o segundo.
5.5 FREQUÊNCIA (
É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. É o inverso do período, e sua unidade é o Hertz (Hz).
A tensão na tomada de luz de nossa casa tem uma freqüência de 60Hz, ou seja, são gerados sessenta ciclos de tensão a cada segundo. 5.6 VALORES DA TENSÃO AL TERNADA SENOIDAL
Existem várias formas de se representar numericamente uma tensão alternada senoidal. Estes são:
- Valor de pico - Valor de pico a pico - Valor eficaz
Valor de pico (VP)→É o valor máximo atingido pela senoide A tensão
atinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo.
Valor de pico a pico (VPP)→É o dobro do valor de pico. É a faixa de
tensão entre o pico positivo e o pico negativo.
VPP = 2 . VP
Valor eficaz (Vef)→ É o valor que a tensão alternada deveria ter se fosse
contínua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamos uma fonte de tensão alternada aos terminais de um resistor durante um minuto, levando o mesmo se aquecer a 100ºC. O valor de tensão contínua aplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que o mesmo se aqueça com a mesma temperatura, é o valor eficaz desta tensão alternada.
EXEMPLOS
A) Qual o período de uma tensão alternada senoidal com uma freqüência de 60Hz?
B) Quais os valores de pico a pico e eficaz de uma tensão alternada senoidal que tem um valor de pico de 180V?
Capítulo 5: Fontes de Tensão
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12EXERCÍCIOS
1) Se uma tensão alternada tem um valor eficaz de 150V, quais os seus valores de pico e de pico a pico?
2) Dado o circuito abaixo, calcule: a) Vef no resistor?
b) Vpp no resistor? c) Corrente eficaz?
3) tendo uma tensão alternada senoidal um valor de pico a pico de 250V, calcule:
a)Vef? b)Vp?
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Capítulo 6: Fonte de Alimentação
13GRÁFICO DO DIODO
FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)
A maioria dos equipamentos eletrônicos são alimentados com tensão contínua, normalmente de 3V a 30V. Ocorre que a tensão disponível nas tomadas de luz de nossas casas são 110V ou 220V alternada, dependendo da localidade. Para transformar a tensão alternada disponível na tomada de luz em tensão contínua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte de alimentação. Veja a seguir o diagrama em blocos de um conversor CA-CC.1 -Transformador : Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nas tomadas de luz (110V/220V) para níveis compatíveis com os equipamentos eletrônicos.
2 -Retificador : Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC) pulsante.
3 -Filtro: Converte a tensão CC pulsante vinda do retificador em contínua CC com ondulação.
4 - Estabilizador : Tem a função de transformar a tensão CC com ondulação em Tensão CC pura, que é a tensão utilizada pelos equipamentos eletrônicos.
6.1 TRANSFORMADOR
Na maior parte das fontes de alimentação, o transformador abaixa o nível da tensão de entrada para valores eficazes na faixa de 5Vef a 30Vef. Pode ser que você veja transformadores em fontes com tensão no secundário diferente da faixa citada aqui, só o tempo vai dizer.
6.2 RETIFICADOR
Como já foi dito, o retificador converte tensão alternada em tensão contínua pulsante. Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ou em ponte. O dispositivo utilizado nos retificadores é o diodo devido a sua característica de conduzir a corrente elétrica em um sentido apenas.
6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA
O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos da tensão de entrada é aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posição do diodo. veja a seguir um circuito retificador de meia onda.
Nós sabemos que a fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ou seja, um terminal ora é positivo ora é negativo. Vamos convencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonte seja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura a seguir.
Observe que, com esta polaridade da fonte de tensão, o diodo fica polarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte está mais próximo do anodo. Neste caso o diodo se comportando como uma chave fechada (diodo ideal). Com o diodo em condução, os terminais da fonte ficam ligados diretamente aos terminais do resistor de carga (RL). Isto significa que a tensão nos terminais do resistor será a mesma da fonte, isto é, o semiciclo positivo da tensão da fonte aparecerá nos terminais do resistor de carga, como mostra a figura a seguir.
Quando o semiciclo positivo termina, a tensão da fonte entra no semiciclo negativo. Isto provoca uma inversão na polaridade da fonte, isto é, o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo, como mostra a figura a seguir.
Esta inversão na polaridade da fonte faz com que o diodo seja polarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como uma chave aberta. Como o diodo está aberto, não tem corrente circulando pelo resistor. Isto faz com que a tensão em seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O que o diodo fez na verdade foi deixar passar para o resistor de carga apenas o semiciclo positivo da tensão da fonte, bloqueando o semiciclo negativo.
Resumindo:
Quando a tensão da fonte entra no semiciclo positivo o diodo conduz (chave fechada) fazendo com que todo o semiciclo positivo da tensão de entrada apareça nos terminais do resistor de carga. Durante o semiciclo negativo o diodo não conduz (chave aberta) impedindo que o semiciclo
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
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14
negativo chegue aos terminais do resistor de carga. A tensão nos terminais do resistor de carga é chamada de contínua pulsante. Contínua porque mantém sempre a mesma polaridade, e pulsante porque só aparece no resistor de carga os semiciclos positivos da tensão da fonte. Vemos a seguir os gráficos das tensões da fonte, resistor e diodo respectivamente. Observe que o semiciclo positivo da tensão de entrada aparece no resistor de carga e o semiciclo negativo da tensão aparece em cima do diodo.
6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc)
Os gráficos acima podem ser visualizados com um osciloscópio, mas como nem sempre temos um osciloscópio à mão, temos que usar outro recurso para medir a tensão nos terminais do resistor de carga. Se um voltímetro CC for ligado nos terminais do resistor de carga , ele vai medir a tensão média, que nada mais é do que a média dos valores instantâneos de tensão em cada ciclo. A fórmula a seguir pode ser usada para medir a tensão média na carga.
Vcc = Vp /
πVcc = Tensão média Vp = Tensão de pico
π
= pi
6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como o resistor de carga é um componente ôhmico (que obedece a lei de Ohm), o gráfico da corrente será idêntico ao da tensão. Em outras palavras, isto significa que a corrente no resistor de carga está em fase com a tensão em cima dele.
6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc)
Se for ligado um amperímetro CC em série com o resistor de carga, ele vai medir a corrente média na carga. Icc pode ser calculada dividindo a tensão média no resistor de carga pela sua resistência. Como o diodo está em série com o resistor de carga, a corrente que passa pelo resistor de carga passa também pelo diodo. Caso este circuito seja montado na prática, Icc servirá como referência para especificação do diodo, ou seja, a corrente que o diodo suporta deverá ser maior que Icc. Normalmente Icc aparece nas folhas de dados como Io.
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Capítulo 6: Fonte de Alimentação
156.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)
Quando a tensão de entrada está no semiciclo negativo o diodo está bloqueado, e isso faz com que todo o semiciclo negativo da tensão de entrada apareça em cima do diodo, como mostra o exemplo acima. Quando a tensão da fonte atinge o valor de pico negativo (-Vp), o mesmo acontece com a tensão em cima do diodo. Esta tensão é chamada de tensão de pico inversa, que pode ser definida como a máxima tensão reversa no diodo em funcionamento. Nós sabemos que todo diodo suporta um valor máximo de tensão reversa, chamada de tensão de ruptura. A tensão de ruptura suportada pelo diodo tem que ser maior que a tensão de pico inversa. O diodo 1N914 pode ser usado no circuito acima, pois o mesmo tem uma tensão de ruptura de 75V, muito maior que os 20V de tensão de pico inversa que ele terá sobre ele no circuito em funcionamento.
O diodo 1N914 poderia ser usado neste circuito, pois a corrente média que irá passar por ele no circuito em funcionamento é de 5,4mA, sendo que ele suporta 200mA. Uma boa regra para dimensionamento do diodo é usar uma margem de 30%, ou seja, faça com que o valor Icc em funcionamento seja 70% do valor nominal de corrente do doido. Neste caso:
O diodo a ser escolhido deve suportar uma corrente de no mínimo 7,71mA. Deste modo, qualquer diodo que suporte uma corrente direta maior que 7,71mA pode ser usado, como o 1N914 suporta 200mA, ele vai funcionar perfeitamente.
Esta regra dos 30% de margem de segurança é apenas uma orientação, uma vez que existem projetistas que utilizam uma margem de 50%, outros até de 100%. Uma ciosa é certa, quanto maior a margem segurança utilizada menor a probabilidade do componente apresentar defeito. Não esqueça, porém de que margens maiores resultam em componentes mais caros. Quem trabalha com projetos sabe que em primeiro lugar temos de zelar pela eficácia do projeto, depois pelo custo. Talvez R$0,10 possa não fazer diferença na compra de um componente, mas imagine uma produção de 10.000 peças. Neste caso a diferença é de R$1.000,00.Ao longo do nosso curso nós usaremos a margem de 30%, por se mostrar uma boa opção na relação eficácia versus custo.
Vamos usar a mesma margem de 30% de segurança para o dimensionamento do diodo quanto a tensão de ruptura, ou seja, uma vez calculada a tensão de pico inversa, faça com este valor (Vpi) seja 70% do valor da tensão de ruptura do diodo. No exemplo acima, a tensão de pico inversa no diodo será igual a tensão de pico no secundário do transformador
Vpi = Vp(sec)= 16,97V
16,97 = 70% X = 100% X = 24,24V
Qualquer diodo com uma tensão de ruptura maior que 24,24V pode ser usado no circuito acima. Como o diodo 1N914 tem uma tensão de ruptura de 75V, o mesmo pode ser usado sem problemas.
EXERCÍCIOS
1) dado o circuito abaixo, calcule: - considere o diodo ideal
a) Vcc = ? b) Icc = ? c) Vef (sec) = ?
d) Vp(sec) = ?
e) Gráficos Vr, Vd e I = ?
2) Faça o gráfico de tensão no resistor de carga?
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
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4) Dado o circuito abaixo, calcule as especificações de corrente direta (Io) e tensão de ruptura (Vr) para o diodo?
- Considere o diodo real
- Use a margem de segurança de 30%
5) Se no circuito acima o diodo entrar em curto permanente, como ficará o gráfico de tensão no resistor de carga?
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Capítulo 6: Fonte de Alimentação
17GRÁFICO DO DIODO
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL
O transformador com derivação central possui uma derivação na metade do enrolamento secundário fazendo com que o enrolamento secundário seja divido em dois: enrolamento secundário superior e enrolamento secundário inferior.
Quando aplicamos uma tensão alternada no enrolamento primário do transformador (trafo), e a tensão no enrolamento secundário está em fase, as polaridades das tensões no primário e no secundário serão como mostradas na figura 1A quando a tensão de entrada estiver no semiciclo positivo.
Observe a derivação central. Para o enrolamento secundário superior sua polaridade é negativa, mas para o enrolamento secundário inferior sua polaridade é positiva durante o semiciclo positivo de tensão de entrada, como mostra a figura 1B.
No semiciclo negativo da tensão de entrada a polaridade da tensão se inverterá, ou seja, quem é positivo passa a ser negativo e vice-versa, como mostra a figura 1C.
Se medirmos a tensão em cada enrolamento secundário com um osciloscópio tomando como referência a derivação central, veremos a figura 2A no semiciclo positivo, e a figura 2B no semiciclo negativo da tensão de entrada.
Vemos a seguir o diagrama de tempo completo das tensões nos enrolamentos secundário, secundário superior e secundário inferior.
V1 = tensão no enrolamento secundário superior V2 = tensão no enrolamento secundário inferior
7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Vemos a seguir um retificador de onda completa. Observe que o circuito aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada. Durante o semiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tensão do enrolamento superior apareça em cima do resistor de carga RL. Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada D2 conduz fazendo com que apareça no resistor de carga toda a tensão do enrolamento inferior.
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
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187.3 SEMICICLO POSITIVO
Observe na figura 3A as polaridades da tensão nos enrolamentos superior e inferior. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima do anodo de D1, ele fica polarizado diretamente durante todo o semiciclo positivo, comportando-se como uma chave fechada, como mostra a figura 3B. Como D1 é um curto, a tensão do enrolamento superior é aplicado diretamente aos terminais de RL com a polaridade mostrada. Isto significa que durante o semiciclo positivo de tensão de entrada aparece nos terminais da carga um semiciclo positivo.
Durante o semiciclo positivo D2 fica polarizado reversamente, de modo que não circula corrente no enrolamento inferior durante este semiciclo de tensão de entrada.
7.4 SEMICICLO NEGATIVO
No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com que D1 fique polarizado reversamente e D2 diretamente, como mostra a figura 4A. Com D2 em condução, a tensão no enrolamento inferior aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL. Como D1 está polarizado reversamente, não circula corrente no enrolamento superior durante o semiciclo negativo de tensão de entrada.
A seguir vemos os gráficos das tensões no enrolamento secundário, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado de retificador de onda completa.
7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA
Uma observação importante a fazer sobre a tensão no resistor de carga é com relação a sua freqüência, que é o dobro da freqüência da tensão de entrada. Observe na figura 5 que para cada ciclo de tensão de entrada aparece dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída. Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na carga será 120Hz.
7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da tensão.
7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
A figura 5 mostra a forma da tensão que veremos se colocarmos um osciloscópio em cima do resistor de carga, que é uma tensão contínua pulsante. Se ao invés de um osciloscópio, colocarmos um voltímetro CC em paralelo com o resistor de carga, como mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração, ou seja, funciona da mesma forma.
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Capítulo 6: Fonte de Alimentação
19A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no retificador de meia onda . É simples chegar a esta conclusão visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.
7.8 CORRENTE MÉDIA
Se um amperímetro CC for colocado em série com a carga ele irá medir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.
A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na carga (Icc).
Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga, como mostra a fórmula a seguir.
Ao projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30%
de tolerância poder ser usada como referência, embora possamos usar um valor de tolerância maior, nunca menor.
7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA
Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador de onda completa durante o semiciclo positivo da tensão de entrada. Observe que D1 está polarizado diretamente e D2 polarizado reversamente. O circuito foi redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparece nos terminais de D2.
Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa
em D2 é o valor de pico da tensão no secundário. VPI = Vp(sec)
VPI = tensão de pico inversa
Vp(sec)= tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário
O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da tensão de entrada. Veja agora que D1 está polarizado reversamente e D2 polarizado diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodo D1. Portanto, a fórmula acima é válida para os dois diodos.
Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração o diodo como sendo ideal. Veja a seguir as mesmas fórmulas levando em consideração o diodo como sendo real.
VP(res)= (Vp(sec)/2) – 0,7
Vcc = (2 . VP(res)) /π
Icc = Vcc / RL Ip(res)= VP(res) / RL
VPI = Vp(sec)- 0,7
No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode ser usada sem problemas.
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
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20EXERCÍCIOS
1) Dado o circuito abaixo, calcule: Obs – diodo ideal
a) Tesão média na carga (Vcc)? b) Corrente média na carga (Icc)? c) Tensão de pico inverso (VPI) ? d) Gráfico da tensão no resistor de carga?
2) Repita os calculas da questão nº 1 considerando o diodo real. 3) Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda
completa com relação ao retificador de meia onda?
4) Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador? 5) Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser
colocado no primário do transformador, usando a corrente calculada na questão anterior como base de cálculo?
6) Qual a forma de onda de tensão e da corrente na carga no circuito a seguir?
7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 300mA e o trafo tem uma tensão no secundário de 12V, especifique os valores nominais mínimos de corrente direta e de tensão de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerância?
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte
21GRÁFICO DO DIODO
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
O retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e não necessita de transformador com derivação central. Como o circuito é um retificador de onda completa, os dois ciclos de tensão de entrada são aproveitados. Uma vantagem do retificador em ponte com relação ao retificador de onda completa com dois diodos é que no primeiro toda a tensão do enrolamento secundário é aproveitada, enquanto que, no outro, apenas a metade da tensão no secundário chega aos terminais da carga. A figura a seguir mostra um retificador em ponte.
8.1 SEMICICLO POSITIVO
Observe na figura 2a a polaridade da tensão no enrolamento secundário. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima do anodo de D1 e a polaridade negativa mais próxima do catodo de D3, ambos estão polarizados diretamente. Observe ainda na fig 2a que a polaridade positiva da tensão no enrolamento secundário está mais próxima do catodo de D4 e a polaridade negativa está mais próxima do anodo de D2, fazendo com que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. A fig 2b mostra o circuito com os diodos representados como chaves(diodo ideal). Veja que D1 e D3 estão fechados(polarização direta) e D2 e D4 estão abertos(polarização reversa). A condução de D1 e D3 faz com que os terminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais do enrolamento secundário, fazendo com que todo o semiciclo positivo de tensão no secundário seja aplicado aos terminais do resistor de carga com a polaridade mostrada.
8.2 SEMICICLO NEGATIVO
No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com que D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente, como mostra a figura 3a. Com D2 e D4 em condução, toda a tensão do enrolamento secundário aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL.
A seguir vemos os gráficos das tensões no nrolamento secundário, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado de retificador de onda completa.
8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA
Observe na figura 4 que para cada ciclo de tensão de entrada aparecem dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída. Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na carga será 120Hz, ou seja, a freqüência no resistor de carga é o dobro da freqüência da tensão de entrada.
8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da tensão.
8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
Se um voltímetro CC for ligado em paralelo com o resistor de carga como mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração no circuito, ou seja, funciona da mesma forma.
Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte
Wagner da Silva Zanco
22A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no retificador de meia onda . É simples chegar a esta conclusão, visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.
8.6 CORRENTE MÉDIA
Se um amperímetro CC for ligado em série com a carga ele irá medir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.
A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na carga (Icc).
Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga, como mostra a fórmula a seguir.
Se você for projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A
regra dos 30% de tolerância poder ser usada como referência, embora você possa usar um valor de tolerância maior, nunca menor.
8.7 TENSÃO DE PICO INVERSA
Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador em ponte durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, D1e D3 estão polarizados diretamente e D2 e D4 polarizados reversamente. O circuito foi
redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparece nos terminais de D2. O mesmo raciocínio podemos usar para D3 e D4.
Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa
em D2 é o valor de pico da tensão no secundário. O mesmo ocorre com D4, ou seja, VD4 = Vp(sec) quando a tensão no secundário chega ao valor
máximo.
VPI = Vp(sec)
VPI = tensão de pico inversa
Vp(sec)= tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário
O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da tensão de entrada. Veja que agora D1e D3 estão polarizados reversamente e D2 e D4 polarizados diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodos D1 e D3. Portanto, a fórmula acima é válida para os quatro diodos.
Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração o diodo como sendo ideal, veja a seguir as mesmas fórmulas levando em consideração o diodo como sendo real.
VP(res)= Vp(sec) – 1,4V
Vcc = (2 . VP(res)) /π
Icc = Vcc / RL Ip(res)= VP(res) / RL
VPI = Vp(sec)- 0,7
No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode ser usada sem problemas.
8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS
Os retificadores em ponte São tão comuns que os fabricantes lançaram vários modelos de retificadores em ponte montados em um encapsulamento de plástico selado. Veja a seguir algumas formas de pontes retificadoras encontradas no mercado. Cada diodo que compõe a ponte possui uma corrente direta máxima e uma tensão que pico inversa máxima que é especificado pelo fabricante quando a ponte é fabricada. Por exemplo, a ponte retificadora 3N246, fabricada pela Fairchild, suporta uma corrente direta máxima de 1,5A e uma tensão de pico inversa de 50V. Estes parâmetros são válidos para cada diodo que faz parte da ponte.
