Introdução (Eletrônica 1)

Introdução

(Eletrônica 1)

GRECO-CIN-UFPE

Prof. Manoel Eusebio de Lima

Programa do curso

 

Introdução (conceitos)

–  Fonte de tensão –  Fonte de Corrente

–  Resistores/capacitores (revisão)

 

Diodos

–  Diodo de retificação –  Diodo Zener

–  Aplicações

 

Transistor bipolar

–  Polarização, amplificadores, seguidor de emissor, ...

 

Famílias lógicas:

–  DL, DTL, TTL, CMOS

 

Amplificadores Operacionais e aplicações

 

Conversões AD e DA

 

Instrumentação/ferramentas

–  Osciloscópio Digital –  Fontes de alimentação –  Gerador de funções –  Multímetro Digital

 

Ferramenta de CAD (Multsim)

 

Laboratórios

 

Projetos do curso

 

Dois Exercícios escolares

Programa do curso

 

Aplicações/projetos

–  1a unidade

•  Fontes de alimentação

•  amplificador –  2a Unidade

•  Conversores A/D e D/A

•  Interfaces

 

Projeto da disciplina

–  Casa Inteligente/granja

 

Referências

1.  Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4^a Edição, Pearson Education – Makron Books, 2004.

2.  Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad, Loius Nashelsky, 8^a edição, Pearson Education – Prentice Hall, 2004.

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

 

Avaliação

–  2 Unidades –  Cada unidade:

•  1 exercício teórico

•  1 exercício prático

•  1 Projeto

•  Laboratórios (listas)

Fontes de alimentação

 

Fonte de alimentação

–  Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário uma fonte de energia:

•  Fonte de tensão

–  Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a ela.

•  Fonte de corrente

–  Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a ela.

Fonte de tensão

 

Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão constante a circuito conectado a ele, “independente” de sua carga elétrica.

–  Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta uma resistência interna igual a “zero”. Ou seja, apenas a corrente muda no circuito em função da carga R_L.

0 Ω

∞

?

Não existe fonte de tensão capaz de fornecer uma corrente de valor infinito desde que toda fonte de tensão possui uma resistência interna

R_S

–  Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a mesma sempre possui uma pequena resistência interna.

V_L < V

+V

R_L I = V/R_L

-

Fonte de tensão Real

 

Características

–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a resistência de carga.

–  Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a resistência equivalente da carga do circuito.

V=12V R_L ≥ 6 Ω

I = V/R_L

+R_S = 0,06 Ω

Exemplo:

V_L < V

V

= 12 - IR

R_L >> R_S

Fonte de corrente

 

Fonte de corrente é um equipamento que fornece uma corrente constante ao circuito conectado a ela, “independente”

de sua carga elétrica.

–  Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda no circuito em função da carga R_L

–  Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase constante quando o valor da resistência de sua carga é bem inferior a sua resistência interna.

+V

R_L

I = V/(R_S+R_L)≈ Constante R_S

∞

Como R_L é bem menor que a resistência

interna da fonte, a corrente quase não se altera no circuito (I constante)

<< R_S

Fonte de corrente

 

Características

–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal seria R_S -> ∞) que a resistência de carga.

–  Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que a resistência interna da fonte.

+V=12V

R_L = 10KΩ R_S = 10 MΩ

I = 12

(10x10⁶+R_L)

Exemplo:

Fonte de corrente Real (simbologia)

R_S

Fonte de corrente

R_S (10M _Ω) R_L

I ^{RL (KΩ) I(µA)}

0 1,200

1 1,199

10 1,198 100 1,188 1000 1,090

I = 12 µA

(10x10⁶+R_L)

R_L (KΩ) I(µA)

100

Ponto de 99%

Região quase ideal

V=12V

Como obter fontes de alimentação DC?

  Bateria

  Fonte AC/DC

∼ ∼

220V V_ac

+

∼ / ± -

Circuito retificador

V_dc

AC DC

+

-

Fontes de alimentação AC-DC

 

Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz (senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de redução aplicado.

 

Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa tensão, o que implica na necessidade de um transformador para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a retificação.

∼ ∼

220V V_ac

+

∼ / ± -

Circuito retificador

V_dc

Transmissão de energia elétrica

  A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende

estreitamente dos

transformadores, que ora elevam a tensão, ora a reduzem.

http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm

Transformador (eleva a tensão)

Transformador (baixa a tensão)

Linhas de transmissão de alta tensão

O transformador

Onde:

N₂ = Número de espiras do secundário do transformador N₁ = Número de espiras do primário do transformador

Considere que não há perda no circuito magnético do transformador

(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída (P₁=P₂).

Se P₁=P₂ , então I₁V₁ = I₂V₂ => I₁ /I₂ = V₂ /V₁ ;

Relação tensão/número de espiras em um transformador:

como V₂ /V₁=N₂ / N₁, então I₁ /I₂ = N₂ /N_{1 ,} ou seja, I₁ = (N₂ /N₁). I₂ e I₂ = (N₁ /N₂). I₁

Voltagem secundária espiras N₂ espiras N₁

Voltagem primária

∼ ∼

V₁

N₁ : N₂

V₂ primário secundário

I₁ I₂

carga

Transformador

  Transformador isolador

–  Este transformador se chama isolador porque separa galvanicamente a tensão de entrada da tensão de saída, através de dois enrolamentos totalmente separados, colocados em volta de um núcleo magnético que realiza a transferência de energia. O enrolamento da tensão de entrada é chamado de primário e o da tensão de saída, secundário.

  Auto-Transformador

–  O transformador que só apresenta um enrolamento, onde o primário e o secundário são eletricamente conectados, é chamado de autotransformador.

Tensão/Corrente Alternada (AC)

  Tensão/corrente alternada

Corrente: i = I_p sen(wt)

Tensão: v = V_p sen(wt + ø) Legenda:

v - tensão instantânea i - corrente instantânea V_p - tensão de pico

I_p - corrente de pico f - freqüência

w - freqüência angular t - tempo

ø - ângulo de fase T - período (1 / f)

Valores de tensão/corrente gerados

  Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada

é o valor equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma dissipação de calor em um resistor

  A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante um ciclo é dada por

  A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na mesma resistência é dada por:

P= (1/T) ∫ 2

π . i(t)

dt

0

P=

. I

+V

R I = Constante

P= R

. I

R i(t) = alternada

P=

(1/T) ∫ 2

π . i(t)

dt

≡

-

 

Assim:

 

A corrente I define a corrente alternada em função da razão média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado de “valor médio quadrado (vmq ou rms)” , I

.

R

. I

= (1/T) ∫ 2

π . i(t)

dt => I = √ ^(1/T) ∫ i(t)

dt = √ ^i(t)

0

Valores de tensão/corrente gerados

I_rms

= √ ^i(t)

√

i(t)²

i(t)

R

I

= (1/T) ∫

. i(t)

dt, I

= (1/T) ∫ i

sen

( ω t) dt => I

= (1/T) i

∫ ^sen

⁽ ω t) dt =>

I

= (1/T) i

∫ (

cos(2 ω t)) dt =>

I

= (1/T) i

[ (

sen

(2 π/T)) ] => I

=

I

=

  Se i = i(t) = i

sen( ω t), em termos de potência:

i_p(t)

Valores de tensão gerados

  Corrente e tensão eficazes:

  Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%.

  Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, faz- se referência ao seu valor eficaz.

–  A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro representam seus valores eficazes.

–  Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS).

I

= i

(t)/ √ 2 V

= V

(t)/ √ 2

o  Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas.

Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para alimentar nossos circuitos eletrônicos?

∼ ∼

220V V_ac

+

∼ / ± -

Circuito retificador

V_dc

AC DC

Retificação de tensão

 

Existem várias formas de retificação de onda alternada para contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica por seu corpo em uma só direção.

 

Dentre as formas de retificação podemos destacar:

–  Retificação de meia onda

–  Retificação de completa com tap central –  Retificação de onda completa em ponte

Retificação de meia onda

 

Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com uma componente não zero, é chamado retificador.

∼

V₁(rms)

N₁ : N₂

5 : 1

V_dc = ?

∼

0 V(volts)

α=ϖt

π ₂π

V_p

α=ϖt

π ₂π

Retificação de meia onda

Tensão de pico no primário:

V_p1 = Vrms.√2 => (120.1,414) V = 170 V Tensão de pico no secundário:

V_p2 = (N₂ / N₁). V_p1 = (1/5).170 ≈ 34V

A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha:

f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms

Considere que o diodo é um diodo ideal

∼ ∼

R_L 1N4001

V₂ = 24 V V₁ = 120V

N₁ : N₂

5 : 1

V_dc = ?

rms rms

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

V₁

170

- 170 V(volts)

t(ms)

= 16.7

∼

1N4001

V₂ = 24 V N₁ : N₂

5: 1

R_L V₁ = 120V

∼

V_dc =10,8 V

O valor médio de uma função periódica é dado por V_dc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área

da meia onda) dividido pela base (T= 2 π ) V_dc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π.

para meia onda (onda retificada):

V_dc=(1/T)

∫

Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz

T/2 0

rms rms

V(volts)

t(ms)

T = 16.7 V₂

34

- 34

Fator de ondulação

V_dc = Vp/π = 0,318 Vp = 10,8 V

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

Fator de Ondulação(F.O) é dado por:

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

170

- 170 V(volts)

t(ms)

= 16.7

∼ ∼

1N4001

V₂ = 24 V V₁ = 120V

N₁ : N₂

5 : 1

rms rms

Retificação de onda completa

  Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda.

  O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.

R_L V_dc V₁ = 120V

∼

∼

∼

N₁ : N₂

5 : 1 1N4001

1N4001

24 V

+

- +

-

=12V

=12V

As duas tensões V₁ e v₂ são idênticas

R_L V_dc=10,4V

1N4001

17V

- Tensão de pico no primário:

V_p1 = (120.1,414) V = 170 V - Tensão de pico no secundário:

V_p2 = (N₂ / N₁). V_p1 = (1/5).170 ≈ 34V (total)

- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V.

-  O valor cc (V_dc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é dado por:

V_dc = 2.(V_p/π) = 0,636 V_p = 10,8V

A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:

f₂ = 2.f₁ = 2. (60 Hz), T₂= 1/f₂ = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação = V_p/(2.V_p/π) =

π /2

V₁ = 120V

∼

∼

N₁ : N₂

5 : 1 1N4001

(f₁ = 60Hz)

(f₂ = 120Hz)

diodo

Retificação de onda completa em ponte

  Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada).

  A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central.

D₁

D₂

D₃ D₄

V

∼ ∼

V₁ = 120V

(6OhZ)

24 V

- +

-

34 V

170V

-170V

Tensão reversa

Tensão reversa

+ -

D₁

D₂

D₃ D₄

V

∼ ∼

Neste tipo de retificador a tensão de pico V_p saída é dada por:

V_p = 24/0.707 = 34 V

Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por V_p – 2.(0.7) = 32,6 V

Vantagens deste modelo:

1.  saída em onda completa

2.  Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário

3.  Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário.

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

V_dc = 2.(V_p/π) = 0,636 V_p .Observe que a tensão de pico aqui é duas vezes a tensão de pico na retificação com tap central.

Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:

f₂ = 2.f₁ = 2. (60 Hz), T₂= 1/f₂ = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação ≈ V_p/(2.V_p/π) =

π /2

34V

Comparação dos métodos de retificação

Obs: V

na retificação em ponte é igual ao dobro do valor de V

para as retificação meia onda e onda completa com tap central.

(Tap central)

Tensão de ondulação

T_r = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico) T_p = tempo entre picos na tensão de saída Funcionamento:

1.  Inicialmente o capacitor está descarregado.

2.  Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico.

3.  Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão V_p polariza inversamente o diodo e começa a descarregar-se na carga (R_l).

4.  O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do

capacitor, que é função de R_l e de C. Esta constante deve ser bem maior que o período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco até o próximo ciclo.

Reduzindo Fator de ondulação - filtro

Redução do F.O através da introdução de um capacitor em paralelo com a carga do circuito

Capacitor – curva de carga

 

Equação de carga do capacitor

V

V₀

0,63 V₀

Em t = RC V₀ V₀ V₀

Em t = 2RC 0,86V₀

 

Equação de descarga do capacitor

V

V_o

V

A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta como na descarga do capacitor, dada por:

Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial

como Assim,

Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por:

V_max V_min

A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:

T₁-T₂

Fator de ondulação

Para um circuito com retificação de meia onda V_r(pp) = V_max/fRC

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

V_max V_min

Circuito retificador em ponte

 

A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte retificadora:

–  Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda de tensão.

V_dc = V_p – 1.4V

–  Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos estimar que:

V_cc(com ondulação) = V_cc (sem ondulação) – V_r(_pp)/2 Este é um valor médio utilizada na prática.

O valor de pico a pico do valor da tensão de ondulação é menor que 10% do valor de pico.

Circuito retificador em ponte

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

–  I_D= 0,5.I_L

–  Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo.

–  Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de 2 A.

  Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.

–  PIV = V_p2

  Corrente de surto

–  Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o capacitor está descarregado.

–  O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo determinado.

•  Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.

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

Tutorial

 

Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:

–  Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V) –  Corrente máxima = 100mA (carga)

 

Retificação:

–  Retificadora de onda completa com tap central

•  Sem filtro capacitivo

•  Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax)

  Obs:

–  Utilizar a retificação onda completa –  Especificar todos os componentes –  Demonstrar projeto no Multsim

  Fazer o tutorial acima para uma fonte retificadora em ponte

Conversão AC - DC

Inversão de fase

Conversão AC - DC

Vr(pp)

Revisão

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