livro- diodo e transistores bipolares
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Diodos
e
Transistores Bipolares:
Teoria e Práticas deLaboratório
Fabiola Fernandes Andrade
Francisco José Alves de Aquino
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Fabiola Fernandes Andrade
Francisco José Alves de Aquino
Diodos eTransistores Bipolares:Teoria e Práticas de Laboratório
IFCEFortaleza, 2010
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Sumário
CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES ...................................................................................................................7 Introdução.............................................................................................................................................................7 1.1 Materiais semicondutores............................................................................................................................... 7
1.1.1 O átomo de silício.................................................................................................................................... 8 1.1.2 O átomo de germânio ..............................................................................................................................9
Exercícios........................................................................................................................................................... 10 1.1.3 Semicondutores do tipo P e N ...............................................................................................................11 1.1.4 O diodo..................................................................................................................................................12
1.2 Polarização do diodo ....................................................................................................................................13 1.2.1 Polarização direta ..................................................................................................................................14 1.2.2 Polarização reversa................................................................................................................................ 14
Exercícios........................................................................................................................................................... 15 1.3 Informações Práticas ....................................................................................................................................16 Exercícios........................................................................................................................................................... 18 Experiência no Laboratório ................................................................................................................................19
CAPÍTULO 2 – TEORIA DOS DIODOS..............................................................................................................21 Introdução...........................................................................................................................................................21 2.1 Curva característica do diodo....................................................................................................................... 21 2.2 Polarização Direta ........................................................................................................................................22 2.3 Polarização Reversa .................................................................................................................................22 2.4 Modelos Do Diodo....................................................................................................................................... 22
2.4.1 Diodo Ideal ............................................................................................................................................22 2.4.3 Modelo linearizado................................................................................................................................24
Exercícios........................................................................................................................................................... 24 Experiência no Laboratório ................................................................................................................................25
CAPÍTULO 3 – CIRCUITOS COM DIODOS ...................................................................................................... 29 Introdução...........................................................................................................................................................29 3.1 Tensão Senoidal............................................................................................................................................29 3.2 Transformador ..............................................................................................................................................30 3.3 Circuito Retificador de Meia-Onda ..............................................................................................................31 3.4 Circuito Retificador de Onda Completa ....................................................................................................... 35 3.5 Retificador Em Ponte ...................................................................................................................................40 3.6 Comparação Entre As Frequências Dos Circuitos Retificadores..................................................................43 Exercícios........................................................................................................................................................... 44 Experiência no Laboratório ................................................................................................................................47 Capacitor variável...............................................................................................................................................49
CAPÍTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO........................................................................50
Introdução...........................................................................................................................................................50 4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo .......... .......... ......... ............ ......... ........... ......... .... 50 4.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivação Central e Filtro Capacitivo...................................53 4.3 Retificador em Ponte com Filtro...................................................................................................................56 Exercícios........................................................................................................................................................... 59 Experiência no Laboratório ................................................................................................................................62
CAPÍTULO 5 – OUTRAS APLICAÇÕES PARA O DIODO...............................................................................66 Introdução...........................................................................................................................................................66 5.1 Rádio elementar............................................................................................................................................66 5.2 Diodo nos circuitos de proteção ...................................................................................................................66 5.3 Circuito Tanque............................................................................................................................................67 5.3.1 Propriedades do indutor.............................................................................................................................67
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5.4 Circuito ressonante ....................................................................................................................................... 68 5.5 Circuito tanque na geração de sinais de rádio...............................................................................................70 Exercícios........................................................................................................................................................... 71
Experiência no Laboratório ................................................................................................................................71 CAPÍTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES (CEIFADORES) E GRAMPEADORES ........... .......... .......... ..... 74
Introdução...........................................................................................................................................................74 6.1 Circuitos Limitadores................................................................................................................................... 74 6.2 Circuitos Grampeadores ...............................................................................................................................80 Exercícios........................................................................................................................................................... 84 Experiência no Laboratório ................................................................................................................................85
CAPÍTULO 7 – DIODOS ESPECIAIS.................................................................................................................. 88 Introdução...........................................................................................................................................................88 7.1 Diodo Zener..................................................................................................................................................88 7.2 Diodo Emissor De Luz (LED)...................................................................................................................... 92 7.3 Diodo Túnel..................................................................................................................................................94 7.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC)...............................................................................................................96 Revisão...............................................................................................................................................................97 Experiência no Laboratório ..............................................................................................................................100
CAPÍTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR .......................................................................................................... 105 Introdução......................................................................................................................................................... 105 8.1 Constituição de um transistor bipolar.........................................................................................................105 8.2 Polarização do Transistor ........................................................................................................................... 106 8.3 Configurações Básicas do Transistor..........................................................................................................109
8.3.1 Configuração Emissor comum ............................................................................................................109 8.3.2 Configuração Base comum.................................................................................................................. 112
8.4 Transistor como Chave...............................................................................................................................125 8.5 Transistor como Fonte de Corrente ............................................................................................................126 Exercícios.........................................................................................................................................................131 Experiência no Laboratório ..............................................................................................................................138 Alarme para porta com transistor .....................................................................................................................140 Alarme de passagem......................................................................................................................................... 141
CAPÍTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRÔNICOS..........................................................................143 Introdução......................................................................................................................................................... 143 9.1 Transistor de Unijunção (TUJ)...................................................................................................................143
9.1.1 Funcionamento ....................................................................................................................................143 9.1.2 Aplicação típica: oscilador de relaxação .............................................................................................144
9.2 DIODO DE QUATRO CAMADAS .......................................................................................................... 145 9.2.1 Funcionamento ....................................................................................................................................145
9.3 Diodo controlado de silício (SCR) .............................................................................................................147
9.3.1 Estrutura e funcionamento do SCR .....................................................................................................147 9.3.2 Aplicações em CC típicas para o SCR ................................................................................................148 9.4 Diac ............................................................................................................................................................149 9.5 Triac ...........................................................................................................................................................150
9.4.2 Aplicações típicas para o TRIAC........................................................................................................ 151 Exercícios.........................................................................................................................................................154
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA...................................................................................................................... 155
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CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES
Introdução
Antes de iniciar o estudo sobre materiais semicondutores, vamos compreender a suaimportância e exemplos de aplicações dos componentes que será abordado neste livro.
O homem contemporâneo utiliza no seu dia a dia muitos equipamentos eletrônicos, taiscomo 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, oengenheiro eletricista Jonh Bardeen e o físico Walter Brattain. Este grupo observou que algunsmateriais não se comportavam nem como condutores nem como isolantes, ou seja, oraconduzia 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 emsua 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 umaeconomia agrícola, produzia arroz, cana-de–açúcar e abacaxi. A partir da década de 1970investiu em tecnologia, especialmente em semicondutores. A sua estratégica para odesenvolvimento 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 emsemicondutores com o objetivo de tornar a China o líder mundial em semicondutores em2010.
Compreender a estrutura química dos materiais semicondutores é de total importânciapara que possamos entender o funcionamento dos principais componentes da eletrônica comoo diodo e o transistor que será abordado com detalhes neste livro.
1.1 Materiais semicondutores
Para o perfeito entendimento sobre os materiais semicondutores, iniciamos fazendouma revisão sobre a estrutura atômica.
Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto porprótons e nêutrons.
“ 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 daSemiconductor Industry Association, outubro de 2003.
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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 elétronsdesta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luzou 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 valênciade 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 naFigura 1.2.
Figura 1.2 – átomo de silício
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
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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 quatroelétrons na última camada, para conseguir a configuração de gás nobre necessitam de mais 4elétrons para a sua estabilidade.
Quando se tem vários átomos de silício, cada átomo compartilha 4 elétrons com seusátomos vizinhos através da ligação covalente formando uma estrutura molecular forte.
Figura 1.4 - Ligação dos átomos de silício
+32
1º órbita – 2 elétrons2º órbita – 8 elétrons3º órbita – 18 elétrons4 ºórbita – 4 elétrons
Forma-se então umaestrutura cristalina.
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Uma estrutura cristalina é caracterizada quando os átomos ficam bem organizados, ouseja, em uma forma bem definida. Se a forma fosse desorganizada seria chamada estruturaamorfa.
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 paraa 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 éigual ao número de lacunas, por isso, a neutralidade deste cristal se mantém. (O número decargas positivas é igual ao número de cargas negativas).
Em um cristal formado por germânio na temperatura ambiente a quantidade de elétronslivres e lacunas são maiores do que no cristal de silício.
Vale ressaltar que a formação de elétrons livres é chamada de GERAÇÃO, e quando setem um cristal puro, ele é chamado de semicondutor INTRÍNSECO.
Em um semicondutor intrínseco, como existem elétrons livres e lacunas formadas pelaenergia térmica, os elétrons livres se movem randomicamente através do cristal, queocasionalmente ocupa uma lacuna (sendo atraído pela lacuna). Quando isto ocorre temos o queé chamado de RECOMBINAÇÃO. A recombinação é o fenômeno que ocorre quando elétronslivres ocupam a lacuna, neste caso, o desaparecimento da carga negativa é acompanhado pelodesaparecimento 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 oaumento da temperatura a corrente terá maior dificuldade de passar, já que o número deelétrons livres é bastante elevado e qualquer aumento da temperatura não causará a libertaçãode muitos elétrons a mais, mas contribuirá de modo acentuado para um aumento da agitaçãotérmica 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 devalência.
c) O átomo de germânio contém_____________elétrons. Com________elétrons na camadade valência.
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d) Os átomos de silício e de germânio por serem _____________, necessitam demais________ 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 naFigura 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 elétronsse ligam aos átomo de silício, pois o silício possui 4 elétrons e só necessita de mais 4 elétronspara conseguir a configuração de gás nobre.
Sb
Si
Si
Si
Si
Elétron
livre
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Nesse semicondutor temos o chamado material tipo N, pois em toda a sua estrutura, aquantidade 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, oselétrons 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 formaçãode um material tipo P, onde as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons livresportadores 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 docomponente eletrônico chamado diodo, como mostra a Figura 1.8. Componente este que seráde grande importância para a construção de fontes de alimentação e muitas outras aplicaçõesposteriormente discutidas.
B
Si
Si
Si
Si
Lacuna
P
N
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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 materialtipo P. Então alguns elétrons passa do material tipo N para o material tipo P, os átomo queperde o elétron fica ionizado positivamente (cátions) e os que recebem ficam ionizadonegativamente (ânions). Na junção cria-se um campo elétrico impedindo que outros elétronspassem do material tipo N para o material tipo P.
Observe que no material tipo N, embora tenham elétrons livres em excesso quem perdeelétrons são os átomos, e como no átomo o número de lacunas ficará maior que o número deelétrons, ficará ionizado positivamente.
Na junção PN, temos o que é chamado de camada de depleção, ou seja, a camada dedepleção 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 queocorre com um resistor, na operação do diodo é essencial saber a polaridade da fonte detensão.
_
_
_
+
+
+
JunçãoPN
anodo
catodo
Anodo- material tipo PCatodo – material tipo N
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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 dealimentação for maior do que a barreira de potencial os elétrons atravessam a junção PN, passapelo 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 tipoN) e o potencial negativo da fonte é ligado ao anodo (material tipo P), como mostra a Figura1.11.
Na polarização reversa um diodo ideal se comporta como uma chave aberta. Noentanto, na prática, temos duas pequenas correntes que circulam no diodo. A corrente desaturação e a corrente de fuga de superfície.
A corrente de saturação existe devido à energia térmica uma vez que são gerados paresde 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 nasuperfície lacunas se comportando como um material tipo P. Por isso, os elétrons podem entrarno material N atravessar toda a superfície do diodo passado pelo material tipo P indo para apolaridade positiva da fonte.
_
_
_
+
++
N P
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Figura 1.11 – Diodo polarizado inversamente.
Exercícios
1. Dado os circuitos, indique qual das lâmpadas irá acender.
a)
b)
_
_
_
+
+
+
N P
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1.3 Informações Práticas
- Diodo de germânio
Este tipo de diodo é utilizado com correntes muito fracas, mas pode operar em velocidadesmuito 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 origemamericana 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, daordem de no máximo 200mA e tensões inversas que não vão além dos 100 V. São utilizadosem circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização etc. O 1N4148 é um dostipos 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 tensõesrelativamente elevadas que podem chegar a 1000V ou 1200V, quando polarizandoreversamente.
Uma série muito importante destes diodos é a formada pelo “1N4000”e que começa com o1N4001. Todos os diodos da série podem conduzir uma corrente direta de até 1 A, mas atensão reversa vai aumentando à medida que o número do componente também aumenta. ATabela 1 indica essa variação. A Figura 1.12 mostra a página de um datasheet do fabricanteFairchild para esta série de diodos.
Tabela 1. Diodos Retificadores.Tipo PIV
1N4001 50V1N4002 100V
1N4003 200V1N4004 400V1N4005 600V1N4006 800V1N4007 1000V
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Figura 1.12. Características elétricas dos diodos da série 1N4000.
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Exercícios
1.Complete
a) Quando átomos pentavalentes são adicionados ao cristal puro, temos a formação de umsemicondutor do tipo __________.b) Quando átomos trivalentes são adicionados ao cristal puro, temos a formação de umsemicondutor 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 variadostipos 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. Arespeito de materiais semicondutores e de dispositivos eletrônicos, julgue os itenssubseqüentes.
I Ao longo da história da eletrônica, o germânio e o silício podem ser citados comoimportantes 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 sãoideais, é possível afirmar que:
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a. D1, D2 e D3 estão cortados;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 oauxílio de um multímetro digital. Posteriormente, deve-se montar um circuito simples paracompreender a polarização em um diodo.
Material necessário:
- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 led;
- 1 resistor de 470Ω; 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 deprova 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 pontade prova preta ao anodo.
Procedimento 2: Compreendendo a polarização direta e reversa em um diodo
1. Monte o circuito da figura 1.12
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Figura 1.12 Polarização reversa
2. Inverta o diodo, veja a figura 1.13.
Figura 1.13 Polarização direta
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CAPÍTULO 2 – TEORIA DOS DIODOS
Introdução
A tensão que chega a nossas residências é uma tensão alternada de 220V (regiãonordeste do Brasil). No entanto, a maioria dos equipamentos eletrônicos necessita de umatensão contínua para funcionar. O que fazer?
A tensão para alimentar a grande maioria dos equipamentos deve passar por uma fontede alimentação. Esta fonte transforma o sinal que é alternado em uma tensão contínua, comomostra a Figura 2.1.
Figura 2.1 Fonte de alimentação DC
Uma das principais aplicações do diodo, no qual, iremos estudar servirá para amontagem 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 tensãoque é aplicada com a corrente que circula pelo diodo.
Figura 2.2 Curva característica do diodo
V
I
Joelho (0,7V) para diodo de silício
ruptura
Polarizaçãodireta
Polarizaçãoreversa
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2.2 Polarização Direta
Na polarização direta, será aplicada uma fonte de tensão contínua no diodo, no qual, opólo 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 tensãofor maior do que a barreira de potencial (≅0,7V para o diodo de silício), a corrente circulalivremente.
2.3 Polarização Reversa
Na polarização reversa, será aplicada uma fonte de tensão contínua no diodo, no qual, opólo positivo da fonte será ligado ao catodo do diodo e o pólo negativo da fonte ao anodocomo 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 desaturação 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 édenominada 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 corponão são considerados. Na polarização reversa, a corrente de fuga de superfície e a corrente desaturação são desprezados.
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Na polarização direta um diodo ideal se comporta como uma chave fechada e napolarização 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, nafigura 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 parao 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 figura2.7(b), o circuito equivalente para a polarização direta, no qual foi considerado a barreirade potencial de 0,7V para o diodo de silício.
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Figura 2.7(a) Polarização direta (b) Circuito polarização direta para o segundo modelo dodiodo
POLARIZAÇÃO REVERSA
Na figura 2.8(a), temos o circuito em que o diodo está polarizado reversamente e a figura2.8(b), o circuito equivalente para a polarização reversa.
Figura 2.8(a) Polarização reversa (b) Circuito polarização reversa para o segundo modelo dodiodo
2.4.3 Modelo linearizado
Considera-se a barreira de potencial e a resistência de corpo. Como a resistência de corposão valores muito baixos, podendo variar de 0,1 a 10Ω dependendo da dopagem. Não iremosusar 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
0.7V
3,9KΩ
5,6KΩ
5V
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2. Considerando o segundo modelo para o diodo, calcule a tensão que o voltímetro deveindicar (Figura 2.10).
Figura 2.10
3.Considere o diodo ideal, calcule a tensão no resistor de 1kΩ (Figura 2.11).
Figura 2.11
Experiência no Laboratório
Experiência 1- A curva do Diodo
Nesta experiência, vamos montar o circuito básico com o diodo e polarizar diretamentee reversamente para que possamos medir a tensão e a corrente e, consequentemente desenhar acurva característica do diodo.
Material necessário:
- 1 Fonte de alimentação cc variável de 0 a 10V;- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);
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Procedimento:
1- Monte o circuito abaixo (Figura 2.12):
Figura 2.12
2- Preencha a tabela abaixo:
VF A V12345678
910
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Monte o circuito abaixo:
Figura 2.13
4- Preencha a tabela abaixo:
VF A V
12345
DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Sequência de Leds
Neste circuito, você irá observar através de leds a influência da barreira de potencial em cadadiodo.
Matérial necessário:
-1 bateria de 12 V;- 1 capacitor de 2200µF, 16V;
- 1 resistor de 1,2KΩ; 1/4W;- 4 leds;- 4 diodo 1N4001.
O circuito é apresentado na Figura 2.14.
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Figura 2.14
Neste circuito, quando a chave estiver na posição 1 o capacitor deve carregarinstantaneamente. Ao colocar a chave na posição 2 os quatros leds devem acender, a medidaque o capacitor irá de descarregar os led irão apagar na sequência 4,3,2 e 1.
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CAPÍTULO 3 – CIRCUITOS COM DIODOS
Introdução
Neste capítulo, vamos estudar os circuitos retificadores que servirão para a montagemde 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).
π 2π
Wt = θ(rd)
Vp
-Vp
T/2 T
T(s)
Vp
-Vp
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Matematicamente, os gráficos da tensão senoidal nos domínios temporal e angularpodem ser representados, respectivamente, por:
V(T) = Vpsen wt e V(θ) = Vp senθt
Onde:
V(t) = V(θ) = valor da tensão no instante t ou para o ângulo θ (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 ladodo 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 alternadaou pulsante passa no enrolamento primário o fluxo magnético variável que ele cria envolve asespiras do enrolamento secundário, causando o aparecimento de uma f.e.m induzida nosterminais do secundário.
Em um transformador ideal (que não possui perdas), a potência entregue aoprimário(Pp) é igual à potência que o secundário (Ps) entrega à carga, ou seja:
VsVp
Você sabe o que é flybacks?
Os flybacks sãotransformadores de altatensão presentes nostelevisores comuns de todosos tipos e também nos
monitores de vídeo decomputadores.
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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 ourms.
O valor eficaz Vef ou Vrms de uma tensão alternada é a tensão que equivale a umatensão contínua, de tal forma que, ao aplicar uma tensão contínua a uma resistência faria comque 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 acarga, 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 amesma do secundário do transformador. Observe as Figuras 3.5(a) e3.5(b).
2 Veficaz
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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 funcionandocomo 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 pelodiodo fica contínua, mais precisamente contínua pulsante.
A finalidade deste circuito é transformar a tensão que era alternada(primário dotransformador) 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:
( )∫ =T
med dt t f
T V
0
1
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onde f (t ) = V p senθ no intervalo de 0 a π e o período é de 2π
Logo:
∫ =π
π
2
021
Vpsenwtdt Vdc
Wt = θ
dt
d
dt
dwt θ = logo:
w
d dt
θ =
∫ =
π
ϑ ϑ π 02
1d VpsenwVdc
T w π 2= , e T = 2π, logo w = 1
I Vp
Vdcϑ
ϑ π 0
cos2
−=
[ [ ] ]°−−= 0coscos
2
ϑ
π
VpVdc
Vdc =π
Vp
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
2
2
π π
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ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
Qual diodo poderá ser colocado neste circuito?
O diodo deverá suportar a tensão máxima que ficará nele quando reversamentepolarizado 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 umachave 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 passapor ele é igual a corrente que passa no resistor.
No semiciclo positivo o diodo conduz. Tem corrente passando no diodo e tem correnteno resistor.
No semiciclo negativo o diodo não conduz. Não tem corrente passando no diodo etambém não tem corrente no resistor.
Toda a tensão do secundário dotransformador deve estar nodiodo.
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Logo:
Io = Idc
A quantidade de corrente que passa no diodo é igual a quantidade de corrente quepassa 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= 3.9KΩ
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-seutilizar um transformador com derivação central, dois diodos e a carga.
Figura 3.8 Circuito retificador de onda-completa com derivação central
2
2
π π
R 3,9K
Rl
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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 dasestremidades.
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 noresistor 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).
9V
9V
18V
+
-
Vst
+
Vdc
T
T
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Figura 3.11(a) Circuito retificador de onda completa com derivação central, (b) Forma de onda noresistor no semiciclo negativo
Observe que a polaridade no resistor permanece a mesma e a freqüência em relação atensão no secundário do transformador é o dobro pois o período é a metade.
A tensão Vdc será:
( )∫ =T
dcdt t f
T V
0
1
onde:
f(t) = Vp senθ para o intervalo de 0 a π e –Vp senθ para o intervalo de π a 2 π
Devemos integrar o sinal até 2π, logo W = 2 πf = 1
−+= ∫ ∫
π π
π ϑ ϑ
π 0
2
2
1VpsenVpsenVdc
[ ]222
+=π
VpVdc logo:
π
VpVdc 2=
+
-Vst
+
Vdc
T
-
T
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OBS: Como apenas a metade da tensão no secundário irá para o resistor temos que:
Vp =
Exemplo;
1) Em um circuito retificador de onda completa com derivação central a tensão no secundáriodo transformador é 16V. Calcule a tensão no resistor de 5,6KΩ.
Solução:
Vp = =
Vp = 11,31V
Vdc = 2.(11,31)/ π = 7,2V
ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
PIV – Quando D1 está aberto D2 está conduzindo e a tensão que fica em D1 é a tensão totaldo secundário do transformador.
Figura 3.12 Circuito equivalente do circuito retificador de onda completa com derivação central nosemiciclo positivo
2 . Vst
2
2 . Vst
2 2
2 . 16
+
-
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PIV = Vpst
Io – No semiciclo positivo D1 conduz e tem corrente no resistor, no semiciclo negativo D1estará aberto mais D2 conduz e existirá corrente no resistor logo: A quantidade de correnteque 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 nosecundário do transformador é 12V . Calcule as especificações do diodo para um resistor de2,7 KΩ.
Solução:
Vp = =
Vp = 8,48V
Vdc = 2.(8,48)/ π = 5,4V
PIV = . 12 = 16,97V
Io = Idc Idc = 5,4/2,7K = 2mA
Io = 2m/2 = 1mA
2
2 . Vst
2 2
2 . 12
2
2
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3.5 Retificador Em Ponte
No circuito retificador em ponte (Figura 3.13), será utilizado quatro diodos paraaproveitar os dois semiciclos(positivo e negativo) do sinal alterado. Outrosim, toda a tensão dosecundário 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 umachave 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 umachave aberta, como mostram as Figura 3.15(a) e 3.15(b).
Rl
D2
D4
D1
D3
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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 comderivação central, o cálculo da tensão Vdc é igual.
Vdc = 2Vp
A vantagem do circuito retificador em ponte em relação ao circuito retificador de ondacompleta com derivação central é que não necessita de um transformador com derivaçãocentral 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/ π
Vp = . 12 = 16,97V
Vdc = 2.16,97/ π = 10,8V
π
2
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ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
São duas as especificações do diodo: Tensão máxima de pico que fica no diodo quandoo mesmo está inversamente polarizado, denominado PIV(Tensão de pico inversa) e o valormédio 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 estáconduzindo, observe na Figura 3.12, que a tensão em D1 é igual a tensão total do secundáriodo 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. Calculeas especificações do diodo sabendo que o resistor é de 2,7KΩ.
Solução:
Vdc = 2VP/ π
Vp = . 9 = 12,72V
Vdc = 2.12,72/ π = 8,1V
PIV = 12,72V
Io = Idc/2 Idc = Vdc/R = 8,1/2,7K = 3mA
Io = 3m/2 = 1,5mA
2
2
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3.6 Comparação Entre As Frequências Dos Circuitos Retificadores
Para compreender a freqüência do sinal na carga, vamos analisar o período entre osinal no secundário do transformador e o sinal na carga.
Na comparação entre o período do sinal no secundário do transformador e o período dosinal na carga em um circuito retificador de meia-onda, observando a Figura 3.16, verificamosque o período do sinal no secundário do transformador terá o mesmo período do sinal noresistor em um circuito retificador de meia-onda.
Figura 3.16 Comparação entre o período da onda no secundário do transformador e na carga no circuitoretificador de meia onda.
Na Figura 3.16, verificamos que ao comparar o período do sinal da linha com a docircuito retificador de meia-onda , o período permanece o mesmo, ou seja 2π. Logo, afrequência, é a mesma . Se a frequência da linha for de 60Hz, em um circuito retificador demeia-onda, a frequência também será de 60Hz.
Na comparação entre o período do sinal no secundário do transformador e o períododo sinal na carga em um circuito retificador de onda completa, (Figura 3.17) iremos fazer aseguinte análise:
+
Vdc
T
-
Vst FORMA DE ONDA DA LINHA
FORMA DE ONDA NO RESISTORPARA O CIRCUITO RETIFICADORDE MEIA-ONDA
2π π
2π π
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Figura 3.17 Comparação entre o período da onda no secundário do transformador e na carga no circuitoretificador de onda-completa.
O período da linha é 2π, porém, nos circuitos retificadores de onda completa, noresistor, o período é π, logo, a frequência no circuito retificador de onda completa é o dobro dafrequência da linha. Exemplificando, se na linha a frequência for de 60Hz, em um circuitoretificador 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 seguinteequação: 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 resistorserá calculado pela seguinte equação: Vdc =__________, onde Vp = _________ da tensão nosecundário 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 seguinteequação: 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 frequênciaserá de _____________ no circuito retificador de onda completa com derivação central afrequência será de _________e no circuito retificador em ponte a frequência será de___________.
Vst
+
Vdc
T
-
T
FORMA DE ONDA DA LINHA.
FORMA DE ONDA NO CIRCUITORETIFICADOR DE ONDACOMPLETA COM TAP CENTRAL ERETIFICADOR EM PONTE.
2π π
2π π
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2. Em um circuito retificador de meia-onda a tensão no secundário do transformador é de18V, sabendo que Rl = 6,8KΩ. Calcule as especificações do diodo.
3. Em um circuito retificador de onda-completa com derivação central a tensão no secundáriodo transformador é de 25V. Sabendo que Rl = 5,6KΩ. Calcule as especificações do diodo.
4. Em um circuito retificador em ponte a tensão no secundário do transformador é de 16V,sabendo que Rl = 8,2KΩ. Calcule as especificações do diodo.
5. Um aluno montou em laboratório o circuito da Figura 3.18, no qual verificou a forma deonda no resistor com o osciloscópio, como mostra a figura. Se o aluno utilizasse o multímetropara 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 = 10kΩ, R2 =15kΩ e R3 = 22KΩ.
Figura 3.19
7. Dado o circuito (Figura 3.20), determine a tensão V1 e as especificações do diodo. Dado:Vst = 26V, R1 = 1KΩ, R2 = 3,3KΩ e R3 = 5,7KΩ
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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 deonda com o osciloscópio no resistor, como mostra a figura. Determine a tensão que ele irá lerao medir a tensão no resistor com o multímetro.
Figura 3.22
V1
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Experiência no Laboratório
Experiência 2 – Circuito retificador de meia-onda
Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de meia-onda, para observar osinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.
Material necessário:
- 1 transformador, 110V/220V – 9V, 500mA- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 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 derivaçãocentral, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.
Material necessário:
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- 1 transformador com derivação central, 110V/220V – 12V+12V, 500mA- 2 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 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
Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivaçãocentral, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.
Material necessário:
- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.
Rl
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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.
DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Capacitor variável
Neste circuito será construído um capacitor variável de estado sólido, servindo parasubstituir capacitores variáveis comuns em circuito de sintonia.
Material necessário:
2 baterias de 12V;1 resistor de 8,2KΩ 1/4W;1 resistor de 1MΩ;1 potenciômetro de 1MΩ;1 diodo varicap ( qualquer um serve);1 capacitor 10nF
Circuito da Figura 3.26:
Figura 3.26
Rl
D2
D4
D1
D3
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CAPÍTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM
FILTROIntrodução
Nos circuitos retificadores visto até agora, verificamos que a tensão já é contínua, noentanto, o sinal continua pulsando. O próximo passo para construirmos uma fonte dealimentação é aplicar um filtro capacitivo, para que o sinal fique o mais próximo de umatensão contínua constante.
4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo
No circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo, foi introduzido um capacitorem 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 atensão de pico no secundário do transformador.
Quando a tensão do secundário do transformador diminuir (sendo menor do que Vp) odiodo abre, pois a tensão no capacitor será maior do que a tensão no secundário dotransformador (o diodo estará polarizado reversamente). Então o capacitor começa adescarregar pelo resistor, para este circuito utilizado-se valores relativamente altos para C, detal forma que τ = 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 capacitorcontinua descarregando pelo resistor.
Novamente no semiciclo positivo, quando Vst > Vc (tensão no secundário dotransformador maior do que a tensão no capacitor) , o diodo conduz e o capacitor carrega atéatingir a tensão de pico do secundário do transformador, como mostra a Figura 4.2.
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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 τ = RC, menor será a tensão de ondulação, logo maior será a tensão Vdc emais contínua será a forma de onda no resistor.
Vst
Vdc
T
T
2
FC
De: I = C dVdt dV = Vond
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ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
São duas as especificações do diodo: Tensão máxima de pico que fica no diodo quandoo mesmo está inversamente polarizado, denominado PIV(Tensão de pico inversa) e o valormédio a corrente no diodo quando o mesmo está diretamente polarizado, denominado Io.
PIV
A tensão no diodo terá o maior valor, quando em um circuito o capacitor tiver umvalor muito elevado não tendo tempo para descarregar e a tensão no secundário dotransformador 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 umcircuito o valor da resistência e o valor do capacitor forrem muito baixo, de tal forma que ocapacitor 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 eFlinha = 60Hz
Io = Idc
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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 afrequência 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 FiltroCapacitivo
No circuito retificador de onda completa com derivação central e filtro capacitivo, foiintroduzido um capacitor em paralelo com a carga como mostra Figura 4.5.
2 FC
2
60.100µ
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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 atéatingir 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 adescarregar pelo resistor.
No semiciclo positivo quando Vst > Vc, D1 conduz e o capacitor carrega até atingirVpst. Novamente quando Vst< Vp, o diodo abre e o capacitor começa a descarregar peloresistor e assim sucessivamente como mostra Figura 4.6.
Figura 4.6 Forma de onda no resistor
C
Rl
D1
D2
Vst
Vdc
T
T
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Logo:
Vdc = Vp - Vond
OBS: A frequência é o dobro da frequência da linha
ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
São duas as especificações do diodo: Tensão máxima de pico que fica no diodo quandoo mesmo está inversamente polarizado, denominado PIV(Tensão de pico inversa) e o valormédio a corrente no diodo quando o mesmo está diretamente polarizado, denominado Io.
PIV = Vpst
Io = Idc
Exemplo:
1) Dado o circuito, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 12VFlinha = 60Hz
Figura 4.7
2
2
100µF5,6KΩ
D1
D2
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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 emparalelo a carga como mostra a Figura 4.8.
Figura 4.8 Circuito retificador em ponte com filtro capacitivo
120.100µ
2
Rl
D2
D4
D1
D3C
2 . Vst
2 2
2 . 12
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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, D2e D3 abrem e o capacitor começa a descarregar pelo resistor.
No semiciclo negativo, quando Vst > Vc, D1 e D4 conduzem e o capacitor começa acarregar até atingir Vpst.
Novamente, quando Vst < Vp, D1 e D4 abrem e o capacitor começa a descarregar peloresistor.
No semiciclo positivo, quando Vst> Vc, D2 e D3 conduzem e o capacitor carrega atéatingir Vpst, quando Vst<Vp =Vc, D2 e D3 abrem e o capacitor começa a descarregar peloresistor e assim sucessivamente. como mostra a Figura 4.9.
Figura 4.9 Forma de onda no resistor
Logo:
Vdc = Vp - Vond
OBS: A frequência é o dobro da frequência da linha
Vst
Vdc
T
T
2
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ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
São duas as especificações do diodo: Tensão máxima de pico que fica no diodo quandoo mesmo está inversamente polarizado, denominado PIV(Tensão de pico inversa) e o valormédio a corrente no diodo quando o mesmo está diretamente polarizado, denominado Io.
PIV = Vpst
Io = Idc
Exemplo:
1)Dado o circuito, calcule a tensão Vdc e as especificações do diodo. Dado: Vst = 12VFlinha = 60Hz
Figura 4.10
Solução:
Vp = =
Vp = 16,97V
I = Vp/R = 16,97/5,6K = 3 mA
2
2 . Vst 2 . 12
5,6KΩ
D2
D4
D1
D3100µF
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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 mesmasendo calculado a tensão Vdc pela seguinte equação_________________________Onde Vond = ________________B . O que difere os circuitos retificadores com filtro como o circuito retificador de meia-ondado 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 frequênciaserá__________________.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 dodiodo. Dado: Vst = 18V e Flinha = 60Hz
a)
Figura 4.11
120.100µ
2
47µF2,7 KΩ
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Figura 4.12
c)
Figura 4.13
3. Dado o circuito da Figura 4.14, determine Vdc. Dado: Vst= 24sen100t, Rl = 15KΩ e C=1µF
Figura 4.14
4. Dado o circuito da Figura 4.15, determine a tensão Vdc e as especificações do diodo.
D1b)
47µF2,7KΩ
D2
2,7KΩ
D2
D4
D1
D347µF
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Dado: Vst = 40V, Rl = 3,9KΩ.
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 doscircuitos 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
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Experiência no LaboratórioExperiência 5 – Circuito retificador de meia-onda com filtro capacitivo
Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de meia-onda com filtrocapacitivo, no qual, será observado como a tensão de saída será influenciada de acordo com ovalor do capacitor.
Material necessário:
- 1 transformador, 110V/220V – 9V, 500mA- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 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
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Experiência 6 – Circuito retificador de onda completa com derivação central com filtrocapacitivo
Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivaçãocentral, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.
Material necessário:
- 1 transformador com derivação central, 110V/220V – 12V+12V, 500mA- 2 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 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
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
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Experiência 7 – Circuito retificador em Ponte com filtro capacitivo
Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivaçãocentral, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio e medir a tensão Vdc.
Material necessário:
- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);- 1 Osciloscópio.
Procedimento:
1.Monte o circuito da Figura 4.19.
Figura 4.19
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
Rl
D2
D4
D1
D3C
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DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Acendendo um led com energia eólica
Material necessário:
1- Alternador ( pode ser um dínamo para bicicleta);1- capacitor eletrolítico de 220µF,16V;1- resistor 470, 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 umalternador e desta forma gerar energia elétrica. Como a tensão gerada pelo dínamo é umatensão alternada de baixo valor (aproximadamente 6V), ao passar pelo circuito retificador emponte com filtro capacitivo, a tensão servirá para acender um led.
O estado do Ceará vem se tornando referência noBrasil, como geradora de fonte de energia limpa erenovável, a energia eólica. Neste circuito, temos umexemplo da utilização da energia eólica para acender
um led.
Parque Eólico na Prainha, em Aquiraz, é amaior usina do gênero da América Latina e produz10 Megawatts .
(Foto: Fco. Fontenele)
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66
CAPÍTULO 5 – OUTRAS APLICAÇÕES PARA O DIODO
Introdução
Existem muitas outras aplicações para os diodos além da retificação. Os diodos depequena capacidade de corrente, por exemplo, chamados de diodo de sinal podem ser usadoscomo “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 umacorrente de alta frequência, que deve circular em direção á terra passando pela bobina ecapacitor 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 comoretificador 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 justamenteao 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 cargaindutiva como, por exemplo, a bobina de um relé ou ainda um pequeno motor é acionado, écriado um forte campo magnético. Ao ser desligado, com a contração magnética, é induzida nacarga uma tensão oposta.
CVfiltro fone
Diodo detectorantena
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67
Figura 5.2. Diodo usado como proteção em circuitos indutivos.
Dependendo do tipo de carga, ou seja, de sua indutância quando no desligamento podeser muitas vezes maior do que a aplicada quando ligamos. O componente que faz oacionamento 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 possamoscompreender os circuitos utilizados para a sintonia de rádio, além de alguns circuitososciladores 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 aFigura 5.3. No qual o indutor funciona como eletroímã sendo capaz de atrair materiaiscondutores.
Figura 5.3. Atração de um prego (material ferromagnético) pelo indutor
Carga indutiva
Circuito decomutação
(+)
Diodo deproteção
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Ao abrir o circuito da Figura 5.4. A energia armazenada no indutor volta ao circuito. Atensão criada é uma tensão auto-induzida que pode atingir valores extremamente altos, mesmocom 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 dacorrente em pouquíssimo tempo (abertura da chave).
iv L
t
∆= −
∆(1)
Exemplo: Se L= 10H, R = 3Ω, VF= 12V, temos:
Durante o período no qual a chave está fechada, im = VF/R = 12/3 = 4ª. Após aabertura da chave e decorrido 0,00004 segundos, a corrente no circuito foi reduzida para:
τ = L/R = 10/3 = 3,33s
t
il ime τ −
= =0,0004
3,334e−
= 3,999A
Logo:
∆i = 4-3,999=1mA∆t = 0,00004s
A tensão auto-induzida será:
L ivt
∆= −∆ = -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. Aassociação em paralelo da indutância com a capacitância é conhecida como circuito tanque. AFigura 5.5 ilustra um exemplo de circuito tanque.
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Figura 5.5. Circuito tanque.
O funcionamento de um circuito tanque consiste na troca de energia entre acapacitância e a indutância. Quando uma tensão é momentaneamente aplicada a um circuitotanque, ocorre o procedimento descrito a seguir.
C se carrega a esse valor de tensão; removendo-se a tensão aplicada, C se descarregaatravés 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 correntecarregará o capacitor no sentido oposto ao anterior.
Quando o campo em torno de L desaparecer, C irá se descarregar novamente, mas acorrente 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 primeiracarga. 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, produzindouma 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 diminuagradativamente, 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. Seaplicarmos, 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
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Na frequência de ressonância, a impedância é infinita, ou seja, a oposição à passagemde corrente é infinita.
Ao aplicar um sinal alternado ao circuito tanque, observamos que à medida que nosaproximamos da freqüência de ressonância, a oposição começa a crescer até atingir o máximono 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 dossinais da estação que queremos ouvir de todos dos demais sinais que chegam à antena. Se osinal corresponde à freqüência para o qual o circuito está sintonizado, ele encontra forteresistência e é desviado para as etapas que fazem seu processamento. Já se o sinal nãocorresponde 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, aonda senoidal que corresponde à freqüência de ressonância será amplificada, sendo as demaisdesviadas para o terra.
Em um rádio, o circuito tanque possui um capacitor variável, no qual, ao girar o botãoque 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 aalternância de campo elétrico em magnético. Se este circuito for ligado a uma antena, aenergia 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 sendoperdida em cada ciclo de carga e descarga do capacitor, quer seja porque é irradiada por umaantena, quer seja porque perde em calor nos próximos elementos do circuito. Isto pode serfeito com um amplificador.
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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 no Laboratório
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 maiscomplexos e mais bem elaborado.
O rádio Galena foi o primeiro rádio inventado pelo homem. Foi implementado naFrança por Radiguet e Massiot. O rádio Galena é bastante simples, os resultados obtidos naprática não são muito satisfatórios, pois não apresenta uma etapa para a amplificação do sinalcaptado pela antena.
A idéia fundamental em um rádio Galena é captar ondas eletromagnéticas por umreceptor 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 ondaseletromagnéticas 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.
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Procedimento:
1.Monte o circuito da Figura 5.9.
Figura 5.9 2. Varie o valor do capacitor para sintonizar o rádio.
DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Rádio artesanal elementar
Neste circuito você irá montar um rádio, no qual a bobina será artesanal.
Material necessário:
1 Diodo de Germânio ( qualquer tipo de diodo de Germânio);1 Fone de cristal (fone de alta impedância acima de 2000Ω);100 gramas de fio esmaltado com número AWG entre 18 e 24 (diâmetros entre 1,0 a0,5 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. Enrolepara que ainda sobre 1cm de cabo e 10cm de fio. Lixe o esmalte do fio que está sobrando os
10cm de cada lado.
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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 otubo, 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 parasintonizar em uma determinada frequência.
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CAPÍTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES
(CEIFADORES) E GRAMPEADORES
Introdução
Os circuitos limitadores ou ceifadores limitam a tensão de saída, sendo útil emcircuitos no qual o sinal de saída necessita ser limitado.
Os circuitos grampeadores possuem como objetivo, acrescentar um nível DC ao sinalalterando, deslocando o sinal para cima ou para baixo do eixo referencial. Uma das utilizaçõesdo circuito grampeador é em um amplificador classe C.
6.1 Circuitos Limitadores
As aplicações incluem a limitação de amplitude excessivas formação de ondas e ocontrole da quantidade de potência entregue a uma carga.
Na Figura 6.1(a), temos um limitador positivo, no qual limita a tensão positiva, sódeixa 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
R
RlVsaídaVent
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
-Vp
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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 detensão em serie com o diodo. A limitação da tensão será para tensões acima de V como mostraa 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 circuitoslimitadores e as suas respectivas formas de onda na carga., no qual o funcionamento ésemelhante aos circuitos já analisados.
R
RlVsaídaVent
V
Vp
Vsaída
T
VT
-Vp
-Vp
Vent
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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
VsaídaVentRl
Vent
Vsaída
T
T
Vp
-Vp
VsaídaVentRl
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
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Figura 6.5 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga
Figura 6.6 (a) Circuito limitador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga
VsaídaVentRl
V
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
-V+Vp
-V
VsaídaVent Rl
Vent
T
T
-V
-V
- Vp -V
+Vp
-Vp
V
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Figura 6.7 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga
Figura 6.8 (a) Circuito limitador negativo, (b) Forma de onda na carga
VsaídaVentRl
V
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
+V-Vp
R
RlVsaídaVent
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
+Vp
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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
R
RlVsaídaVent
V
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
+Vp
V
R
Vent
V1Rl
V2Vsaída
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
V2
V1
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6.2 Circuitos Grampeadores
Algumas vezes, um projeto de circuito requer a combinação de uma tensão CA comuma tensão CC. Em vez de mudar o aspecto da forma de onda, a operação modifica o nível datensão 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 emcinco 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 acimado 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 sedescarrega mais, uma vez que o diodo irá permanecer sempre aberto e a constante de tempoRC>>Tentrada, não havendo condições de descarregar por Rl.
O circuito se resume como mostra a Figura 6.12.
RlVent
C
Vsaída
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
+2Vp
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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 circuitosgrampeadores e as suas respectivas formas de onda na carga. A análise é semelhante asanálises já realizadas.
RlVent
Vp
Vsaída
+-
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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
Vent
RVent
C
Vsaída
Vent
Vsaída
T
T
+Vp
-Vp
-2Vp
RVent
V
C
Vsaída
Vsaída
T
T
+Vp
V
-2Vp+V
-Vp
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Obs: O capacitor se carrega com - ( Vp – V )
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
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
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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
RVent
V
C
Vsaída
Vent
Vsaída
T
T
Vp
+ 2Vp -V
-V
R
RlVsaídaVent
4V
30V
Vsaída
T
T
-30V
Vent
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Figura 6.19
Experiência no Laboratório
Experiência 9 – Circuito Grampeador
Neste circuito, deve-se montar um circuito grampeador, com o objetivo de analisar eobservar o sinal do resistor com o uso do osciloscópio.
Material necessário:
- 1 gerador de áudio- 1 diodo 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 1M, 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 em1KHz e amplitude de 5V.
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Figura 6.20
2. Com o uso do osciloscópio observe a forma de onda do resistor e analise o que acontececom o sinal se o valor do capacitor ou do resistor diminuir.
DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Fonte de alimentação para CIs da família TTL
Neste circuito, você irá montar uma fonte de alimentação para alimentar CIs da famíliaTTL.
Os CIs da família TTL necessitam de uma fonte de 5V.
Material necessário
- 1 transformador -110V/220V ,12V, 500mA;- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);
- 1 capacitor de 220µF;- 1 capacitor 0,01µF;- 1 CI 7805.
Circuito da Figura 6.21.
RVent
C
Vsaída
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Figura 6.21
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CAPÍTULO 7 – DIODOS ESPECIAIS
Introdução
O diodo zener é um diodo especial, no qual, a sua principal aplicação é regular a tensãona carga, ou seja, mantém a tensão constante na carga. Constitui o último componente em umafonte 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.
anodo
catodo
v
IRupturaou Vz
Polarizaçãodireta
Polarizaçãoreversa
Iz(mín)
Iz(máx)
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Quando se polariza diretamente o diodo zener, ele se comporta da mesma forma queum diodo retificador, ou seja, conduz a partir do momento em que vence a barreira depotencial.
Na polarização reversa, enquanto a tensão que está sendo aplicada for menor do que atensão de zener , ele funciona como uma chave aberta.
Quando a tensão que está sendo aplicado ao diodo zener for maior do que a tensão dezener, ele passa a conduzir, observando que a tensão nele permanece a mesma aumentandoapenas 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 Figura7.3, 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 zenere a corrente que passa por ele ao aplicar a tensão Vê, montaríamos a tabela 7.1. Esta tabela éimportante para que possamos compreender o funcionamento do diodo zener.
Tabela 7.1
Figura 7.4
Ve
Rs
Vz
Ve = RsIs +Vz
Ve
1KΩ
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 = 2,4mA
Quando Ve = 9V Vz = 5,6V e Is = 3,4mAQuando Ve = 10V Vz = 5,6V e Is = 4,4mA
Vz
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90
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 fazeruma 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 deThevenim. ( retira o diodo zener do circuito e calcula a tensão visto a apartir do diodo zener ouseja para este circuito será a tensão no resistor Rl )
Vth = R1 .Ve
Se Vth > Vz (significa que o diodo zener está operando)
Rs
Rl + Rs
Ve
Rs
Vz Rl
Is
IzIl Vl
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91
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
Rl Rs
Rl + RsRl + Rs 5,6K+2,7K
15V
2,7KΩ
3V2 5,6KΩ
Is
Iz Il
2,7K
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Aplicação do Diodo Zener
Uma das principais aplicações do diodo zener é na construção de fonte de alimentaçãopelo qual servirá para manter a tensão na carga constante. A Figura 7.7, mostra uma fonte dealimentação.
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, considerandoque a queda em Rs seja de 0,8V ou seja a tensão que chega no diodo zener é 4,8 à 5,5V, entãoa 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 eletrônicosou na fabricação de displays.
Enquanto que em um diodo comum na passagem de corrente, ocorre a liberação deenergia 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
anodo
catodo
D2
D4
D1
D3C
Rs
Vz Rl
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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 sóconduzem quando polarizados diretamente aplicando uma tensão maior do que a barreira depotencial, 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 Figura7.9. Não se deve ligar um led em paralelo com uma fonte de alimentação, pois danificafacilemnte, uma vez que a resistência da fonte é desprezível e a corrente que passará no led
terá valor elevado.
v
I
Polarizaçãodireta
Polarizaçãoreversa
1,5 a 2,5V
Para se polarizar um LED, deve-se utilizar um resistorlimitador de corrente para que o mesmo não sedanifique.
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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 pontoquiescente (Vled = 2V e Id = 20mA)
Figura 7.10
Solução:
Rs = 200 Ω
7.3 Diodo Túnel
Este dispositivo possui uma característica não encontrada em nenhum outro de suafamília, que é a região negativa.
Este fato implica que, se este componente estiver polarizado em uma determinadaregião de sua curva característica, se aumentarmos a tensão entre seus terminais, a correnteque atravessa diminuirá.
Ve
Rs
IsIs = Ve - Vled
Rs
6VIs
= Ve – Vled RsIs
Rs = 6 – 220m
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Ele foi desenvolvido pelo Dr. Leo Esaki em 1958 e , as vezes é chamado de diodoEsaki, 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, acorrente produz um valor máximo Ip. Um aumento de tensão maior do que Vp produz umadiminuição na corrente e a região entre os pontos de pico e do vale é chamado região deresistência 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, fazcom 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 oupicossegundos.
São também encontrados em circuitos capazes de converter potência cc em ca.
V
I
Ip
Iv
VP Vv
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7.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC)
Este diodo aproveita além dos efeitos na junção PN utilizados nos diodos comuns, ofato da capacitância existente na junção ser função da tensão de polarização. A Figura 7.14mostra 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 funcionabasicamente como um capacitor (as regiões P e N são como placas do capacitor e a camada dedepleção 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 portensão, circuitos ponte autobalanceados e amplificadores paramétricos, dispositivos decontrole de frequência automáticos, filtros de banda passante ajustáveis etc.
V
C
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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 eVled = 2V.
Figura 7.18
Considerando a possibilidade de R1 assumir os valores de 110Ω, 1400Ω e 690KΩ, é correto,que o LEd:
a) acende normalmente nos 3 casos.b) Acende normalmente para 110Ω e 1400Ω, mas não irá acender quando R1 for de690KΩ.
c) Acende normalmente para 1400Ω, mas com 690KΩ não irá acender e quando R1 forde 110 Ω pode queimar.
d) Não acende normalmente quando R1 vale 690KΩ e pode queimar quando R1 for de110Ω ou de 1400Ω.
e) Não acende normalmente quando R1 for de 1400Ω ou de 690Ω e pode queimarquando R1 vale 110Ω.
20V
3,9KΩ
5V6 10KΩ
Is
Iz Il
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6. A Figura 7.19, ilustra um circuito alimentado por uma fonte de tensão senoidal da formaVe(t) = 20sen(wt), onde Z1 é um diodo zener de 15V e D1 um diodo ideal. O sinal de saídaVs(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 valorde pico é superior À tensão de diodo zener Z1, que pode ser considerado ideal. O sinal detensão Vs(t) deverá ter, aproximadamente, a forma:
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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 5mA de corrente para garantir a regulação; a carga L R é variante no tempo, e consome de 0 a 5mA.
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.
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Experiência no Laboratório
Experiência 10 – O diodo Zener
Neste circuito, deve-se montar um circuito básico com o diodo zener para compreendero seu funcionamento.
Material necessário:
- 1 Fonte de alimentação variável (0-15V)- 1 diodo zener 5V6, 0,5W;- 1 resistor de 1K, 0,25W;- 1 multímetro (analógico ou digital);
Procedimento:
1.Monte o circuito da Figura 7.22.
Figura 7.22
3. Preencha a tabela abaixo:
Vf A Vz123
45678910
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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.
Material necessário:
- 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA- 4 diodos 1N4001 (ou equivalente);- 1 resistor de 10K, 3,3K e 470 (0,25W);- 1 capacitor de 220µF, 64V- 1 diodo zener 5,6V, 0,5W;- 1 multímetro (analógico ou digital).
Procedimento:
1.Monte o circuito da Figura 7.23.
Figura 7.23
2. Meça a tensão no resistor de 10KΩ.3. Substitua o resistor de 10KΩ pelo resistor de 470Ω e um led, como mostra a Figura 7.24.
Figura 7.24
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DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Alarme de subtensão
Descreveremos dois circuitos para um alarme de subtensão. No primeiro, quando atensão diminuir abaixo de 12V um led deve acender. Porém, se a tensão voltar a aumentar oled irá apagar. No segundo circuito, quando a tensão diminuir abaixo de 12V, uma lâmpada iráacender, e mesmo que a tensão volte a aumentar, a lâmpada permanecerá acesa.
Circuito 1
Material necessário
-1 fonte de tensão variável;- 1 diodo 1N4004;- 1 led;- 1 diodo zener 12V, 0,5w;- 1 resistor 470Ω;5,6KΩ; 1KΩ;- 1 transistor BC338.
Circuito da Figura 7.25.
Figura 7.25
O único componente não estudado até aqui é o transistor. Neste circuito, o transistor iráfuncionar uma chave.
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O funcionamento do circuito será da seguinte forma:Como a tensão de alimentação é 14V, o diodo zener estará regulando, ficando 12V no diodozener e 2V no resistor de 1KΩ. O transistor, neste caso, estará funcionado como uma chavefechada 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 passano diodo zener será zero, logo, a tensão no resistor de 1KΩ será zero e o transistor funcionarácomo 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 aumentaruma lâmpada ficará acesa.
Material necessário
-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)
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Figura 7.27
Neste circuito, figura , foi utilizado um SRC, no qual, quando a tensão cair abaixo de12V, o transistor funciona como uma chave aberta e toda a corrente desvia para o circuito docapacitor que dispara o SCR. A bobina do relé é acionada e o contato normalmente aberto dorelé fechado, a lâmpada é acesa.
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CAPÍTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR
Introdução
O transistor é um componente eletrônico formado por materiais semicondutores. Foidesenvolvido no laboratório Bell Telephone e demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 porJohn Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley. Estes foram laureadoscom o prêmio Nobel da Física em 1956. O transistor começou a se popularizar na década de1950 e ocasionou a revolução da eletrônica na década de 1960. As principais aplicações dotransistor são: amplificar sinais elétricos e chavear circuitos.
8.1 Constituição de um transistor bipolarA 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 deátomos trivalentes no semicondutor constitui a formação do material do tipo P, e a adição deátomos pentavalentes a formação do material do tipo N. Um transistor é formado pelacombinação do material N+P+N ou P+N+P, o que se denomina transistor NPN (Figura 8.3) ePNP (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 denominadabase. O emissor é fortemente dopado e tem como função emitir portadores de carga para abase (elétrons no transistor NPN e lacunas no transistor PNP). A base é levemente dopada emuito 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 dabase. O coletor, como o nome diz, recebe os portadores que vêm da base. É a camada maisextensa, pois é nela que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitostransistorizados (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998).
Fluxo de
lacunasnp
n
EmissorBaseColetor
Fluxo de elétrons
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.
Na Figura 8.2, o transistor foi redesenhado fixar o que foi dito. Comparando as trêscamadas 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, aquantidade de impurezas (átomos pentavelentes) é superior a quantidade de impurezas docoletor. 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 quepossamos analisar o que acontece, e desta forma, compreender o seu funcionamento.
- Polarização emissor -base reversamente e coletor – base reversamente.
coletor
emissor
basecoletor
emissor
base
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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 tensãoaplicada do coletor para a base (Vcb) polarizam o transistor reversamente. Uma forma devisualizar este tipo de polarização é considerar entre o emissor e a base um diodo em que ocatodo está no emissor e o anodo na base. A tensão positiva externa atrae o elétrons doemissor para a extremidade do transistor e o negativo da fonte externa aplicada na base atraeas lacunas, com isto aumenta a camada de depleção. Entre o coletor e base acontece o mesmoprocedimento. O positivo da fonte externa atrae os elétrons do coletor e o negativo que estáligado 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 ascorrente 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
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Na Figura 8.6, a tensão aplicada no emissor para a base(Veb) e a tensão aplicada do coletorpara a base(Vcb) polarizam o transistor diretamente. Neste caso, haverá uma grande circulaçãode 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 aplicadaentre o emissor e a base polariza o transistor diretamente e a tensão aplicada do coletor para abase 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 transistordiretamente, faz o menos da fonte repelir os elétrons do emissor. Se a tensão Veb for maior doque a barreira de potencial , os elétrons passam do emissor para a base. Ao chegar na baseocorre o inesperado, a maior parte dos elétrons passam para o coletor , sendo atraído pelosíons positivo. Estes elétrons terminam indo para o positivo da fonte Vcb. Apenas uma pequenaparcela desce pela base. Pode-se dizer que, na maioria das vezes aproximadamente de 95% a99% 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 queele coleta os elétrons e o emissor tem como função emitir elétrons. O emissor é o mais dopadoele tem com função emitir elétrons.
-Tensões e correntes no transistorA Figura 8.8 e 8.9 mostram os sentidos das tensões e das correntes em um transistor
NPN e PNP respectivamente.
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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 osinal de entrada está na base e o sinal de saída está no coletor. O emissor é comum aos sinaisde entrada e saída.
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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 esteganho de corrente, pelo qual é simbolizado pela letra beta cc.
Logo: β = Ic/Ib
Embora este ganho de corrente tenha sido definido para a configuração emissorcomum, este parâmetro serve também para o cálculo dos resistores de polarização para asoutras configurações.
Devido a configuração emissor comum ser a mais utilizada, entraremos com maisdetalhes 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 comrelação a tensão Vbe (Figura 8.11).
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Figura 8.11 Curva característica do sinal de entrada
Entre o emissor e a base existe uma barreira de potencial. Para que os elétrons doemissor passem para a base, deve-se vencer esta barreira. Com o transistor construído comátomos 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 oemissor 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 queflui do emissor para base, ou seja, da corrente da base, o gráfico é construído para os váriosvalores da corrente da base.
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Observamos que, se a tensão entre o emissor e a base for zero, mesmo que a tensãoentre o coletor e o emissor seja um valor elevado, como não há corrente na base, também nãohaverá corrente no coletor. O fato é que, a tensão entre o coletor e base, polariza o coletor e abase reversamente, aumentando a camada de depleção. Quando uma tensão entre o emissor e abase for suficiente para vencer a barreira de potencial e assim a base ter corrente, a maior partedos elétrons é atraída pelo coletor devido aos cátions da camada de depleção. Quanto maiorfor 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 oeletrodo 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 acorrente Ic.
Ganho de corrente
α = Ic/Ie
Definimos o ganho de corrente para este tipo de configuração, pois será útil paraanálise 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
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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, entrea 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:
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- Malha de entrada
6 = 220KIb + 0,7
Ib = 0,024mA
Ic = βIb 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 nacurva característica de saída do transistor na configuração emissor comum, que interceptetodos 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 comouma chave aberta.
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Exemplo:
1) Dado o circuito (Figura 8.17), determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 0,3V, Rb = 10K, Vcc =
10V, Rc = 2,2K e β = 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, poisentre a base e o emissor, o transistor funciona como um diodo. Logo Ib = 0
Como Ic = βIb 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 valortão 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 β = 100.
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116
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 de15V 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 fechadacomo mostra a Figura 8.20.
Figura 8.20
A corrente Ic será igual a Vcc/Rc, já que o transistor funciona como uma chavefechada e desta forma a tensão Vce será zero. Observe que a corrente que circula no coletor éo maior valor possível para este circuito.
Região ativa
A região ativa é a região intermediária entre a região de corte e saturação. Na região decorte a corrente Ic é igual a zero e a tensão Vce é o valor máximo possível. Na saturação atensão Vce é igual a zero e a corrente Ic é o valor máximo possível para o circuito. Na regiãoativa, existe um valor de corrente Ic e tensão Vce que não são zero e também não possui omáximo valor possível para o circuito.
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Exemplo
1) Dado o circuito (Figura 8.21).determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 10V, Rb = 330K, Vcc =
15V, Rc = 2,2K e β = 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 zeronem o máximo, logo, o transistor está operando na região ativa.
O transistor operando na região ativa será útil na construção de circuitos paraamplificar 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 daseguinte forma:
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Figura 8.22
Para determinar a reta de carga, deve-se calcular dois pontos. Iremos calcular na regiãode corte e na região de saturação.
Na região de corte:
Ic = 0Vce = 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
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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.
Figura 8.25 Circuito polarização da base
No circuito da Figura 8.25, conhecido como polarização da base é o circuito maisutilizado quando deseja colocar o transistor para que funcione como chave, ou seja, o
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transistor esteja funcionando na região de saturação ou na região de corte. Geralmente, a fontede 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.
Figura 8.26 Circuito polarização da base
Este tipo de polarização, porém, não é utilizado quando se deseja utilizar o transistorpara que opere na região ativa. Coloca-se o transistor na região ativa quando deseja construirum circuito para amplificar um sinal ca Ao utilizar o circuito acima, colocando o transistorpara operar no meio da reta de carga cc, com o aumento da temperatura o ponto quiescente éalterado 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 decarga cc. Para isto deve-se colocar Vce = 0,5Vcc.
Com o aumento da temperatura o ganho de corrente aumenta e consequentemente ictambém aumenta, uma vez que, ic = βib.
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. Vcediminuindo o ponto quiescente na reta de carga cc deve subir, ou seja, o transistor tende asaturação.
Para polarizar o transistor na região ativa, foram implementados vários circuitos, atéconseguir o circuito mais utilizado, que é o circuito polarização por divisor de tensão. Iremosanalisar a evolução dos circuitos.
Polarização com realimentação do emissor
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Na figura 8.27, temos o circuito polarização com realimentação doemissor,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 = 470KΩ, Rc = 2,7KΩ e Re = 800Ω, β = 120.
Figura 8.28
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Solução:
Vbb = RbIb + Vbe ⇒ 6 = 470K ib + 0,7
Ib = 0,0112mA
Ic = βIb ⇒ 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 dabase para o terra.
Rth = R1//R221
2.1
R R
R R Rth
+=
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123
Vcc R R
RVth
21
2
+=
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 IeMalha 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
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Figura 8.31
Solução:
Rth = Ω=+
K K K
K K 3
3,333
3,3.33
V K K
K Vth 09,112
3,333
3,3=
+=
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 = βib 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
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8.4 Transistor como Chave
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 extremosuperior da reta de carga. Não é muito utilizado o transistor na saturação leve por causa davariação do ganho de corrente.
A saturação forte é a utilizada em circuitos, pois o transistor continua na saturaçãomesmo 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 dabase 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
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Desprezando 0,7V temos;
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 boaluminosidade. No entanto L-1 proporciona uma queda de 1,5V enquanto l-2 uma queda de2,5V. Poderá o led 2 ter sua luminosidade diminuída por necessitar de mais tensão? (Figura8.34).
Figura 34. Transistor como fonte de corrente
Observando a Figura 8.34, verificamos que na base existe uma tensão de 3V. Estatensão faz com que fixe a tensão no emissor de 3- 0,7. ou seja, a base amarra a tensão doemissor.
Neste circuito, o transistor está funcionando como fonte de corrente, pois mesmoalterando a queda de tensão nos leds a corrente permanece a mesma.
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Os cálculos a seguir demonstram isto:
Se ambos os leds necessitam de 10mA para o brilho ideal basta fixar a corrente de emissor em10mA, dimensionando o valor de Re.
Re = (3-0,7)/10mA Re = 230Ω
Observe que a fonte da base ligada diretamente na base fixa a corrente ie. Logo, aluminosidade do led2 não será diminuída.
Leitura Complementar
Modelagem do transistor para análise CA
O transistor em um circuito elétrico é substituído pela combinação de elementosapropriadamente escolhidos, que se aproximam melhor do funcionamento real, tendo-se o queé denominado modelagem do transistor. O objetivo de modelar o transistor é facilitar a análisepara 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 nocircuito ficam mais simples, por isto, é utilizado com freqüência.
O modelo híbrido requer cálculos mais complexos, porém sem obtém maiorprecisão.
No modelo de Ebers Moll, tem-se o seguinte circuito equivalente para o transistor(CIPELLI e SANDRINI, 2001).
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Figura 35 - Transistor NPN Figura 36 - Modelo Erbers Moll
Onde:
re´ = resistência a passagem do sinal alternado no emissor, pode ser deduzidacomo segue:
A equação da junção PN retangular deduzida por Shockley (substituída pelaresistência re´ no modelo) é:
Onde:
I = corrente total do diodo I s = 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, porisso 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 = 40Ise
40V
Pode-se escrever na forma
dI/dV = 40( I + Is)
coletor
emissor
base
emissor
coletor
base
re`
−= 1.
.T k
V q
e Is I ( 1 )
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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 Is (caso contrário apolarização 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 ena corrente.
re´ = 25mV/Ie
5.4 Modelo Híbrido
No modelo híbrido (MARQUES et al, 1996), o transistor é substituído por umúnico dispositivo denominado quadripolo, de tal forma que ele possa ser modeladomatematicamente:
Variáveis:v1 = tensão de entradav2 = tensão de saídai1 = corrente de entrada
i2 = 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 defunções lineares, fixando-se duas variáveis dependentes e duas independentes.
De acordo com essa escolha, tem-se modelo matemático de quadripolos. Para omodelamento do transistor, a forma adotada é fixar v1 e i2 como variáveis dependentes e i1 e v2 como variáveis independentes (CUTLER,1997).
Circuito
Elétrico
i1 +v1
_
+v2
_
i2
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5.4.1 Modelamento matemático do quadripolo
v1 = f 1 (i1,v2)i2 = f 2 (i1, v2)
Este tipo de modelo que fixa a tensão de entrada v1 e a corrente de saída i2 comovariáveis dependentes, e a corrente de entrada i1 e a tensão de saída v2 como variáveisindependentes, é denominado modelo híbrido, exatamente por misturar tensão e corrente comovariáveis dependentes e independentes (BADHERT, 1995).
Para relacionar essas tensões e correntes, o quadripolo deve ser formado porquatro parâmetros h internos e constantes, denominados h11, h12, h21 e h22, definindo as duasfunções lineares f 1 e f 2 da seguinte forma :
v1= h11.i1 + h12.v2
i2 = h21.i1 + h22.v2
Assim, os parâmetros h e seus significados físicos podem ser obtidos fixando-se ovalor 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
e
i2 = 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 determinadocomo segue.
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Figura 37 – Modelo híbrido para o transistor
As equações de Kirchhoff para este modelo são:
v1= hi.i1 + hr.v2
i2 = hf.i1 + ho.v2
Neste modelo elétrico, tem-se na entrada o teorema de Thevenin e na saída oteorema de Norton.
No teorema de Thevenin, um circuito com múltiplas malhas é reduzido para umafonte de tensão em série com uma resistência . No teorema de Norton, um circuito com muitasmalhas 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= 10KΩ, R2 = 3,9KΩ, R3 = 2,2KΩ , R4 = 820Ω , 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.
hi
hr v2 hf i1 h0
i2
v1
+
_
v2
+
_
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Dado: Rc = 3,7KΩ; Rb = 330KΩ; Re = 820Ω; Vcc = +12V; Vee = -5V e ganho de corrente de120
Figura 8.39
3. Considere o circuito da Figura 8.40. O beta na região ativa é de 100. Determine a reta decarga 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 = 2,7MΩ; Re2 = 1,2KΩ; Vbb = 6V ; Vcc = 12V, β1 = 100 e β2 = 130.
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figura 8.41
6. Observe o circuito, Figura 8.42 e o gráfico, Figura 8.43.
Figura 8.42 Figura 8.43
Sabendo-se, no Transistor Tr1, Beta = 40 e Vbe = 0,6V, qual a corrente, em Amperes, exibidapelo Amperímetro A1, para temperatura de 50°C no RTD?
6. A Figura 8.55, mostra um circuito transistorizado operando na região ativa com Vbe = 0,7Ve as curvas características do transistor com a reta de carga correspondente. Determine:a) O ganho de corrente (βcc).b) Considerando que o circuito apresenta R1 = 110KΩ, R2 = 40KΩ e Re = 340Ω,. Determineos valores aproximadamente de Rc em Ω, e Ib, em µA.
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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.
Figura 8.45
8. No esquema da Figura 8.46, temos o circuito de um transmissor eletrônico analógico deinformação. 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.
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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 valoresdos potenciômetros P1 e P2 em KOhms?
9. Foi montado em laboratório o circuito da Figura 8.47. Algum led irá aceder? Explique o queacontecerá.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 cadaled.
Figura 8.47
10. A figura 8.48, mostra um simples provador de continuidade. Determine Vce e Ic notransistor 2 ao medir a continuidade em uma placa de circuito impresso, no qual a placa nãoapresenta defeito. A continuidade é indicada pelo led. Considere a barreira de potencial no ledde 2V e o beta para os dois transistores de 100. A chave S1 deve está fechada.
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Figura 8.48
11. O circuito da figura 8.49, mostra um conversor DC/DC que utiliza um diodo Zener detensão nominal de 8,2V e um transistor com β = 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 ocircuito está representando.
Figura 8.50
13- Dado o circuito (Figura 8.51), calcule o valor do resistor da base, para que a corrente quecircule 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. Existemchaves reed swich normalmente aberta e normalmente fechada. No circuito foi utilizada uma
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chave normalmente aberta que funciona da seguinte forma: Normalmente está aberta e aoaproximar do imã a chave fecha.
Figura 8.51
14- Projete o circuito para que o transistor funcione como chave. No circuito foi utilizado umLDR, no qual com a incidência de luz a resistência é de 400Ω e na ausência de luz aresistência é de 1MΩ. Para o circuito deseja que com a incidência de luz o relé sejaenergizado. A resistência do relé é de 100Ω. (Figura 8.52).
Figura 8.52
15. Um motor CC opera com tensão de 5V e corrente de 100mA. Ele deve ser acionado por umcircuito de controle que fornece 12V de tensão na saída, conforme o esquema abaixo. Usandoa mesma tensão de alimentação do circuito de controle e o transistor Darlington, especifiqueos resistores Rb eRc. (Figura 8.53).
Parâmetros do transistor Darlington
Ganho de corrente 1500Ic máx = 150mAVbe sat = 1.4VVce sat= 1V
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Figura 8.53
Experiência no Laboratório
Experiência 12 – Transistor como chave
Neste circuito, deve-se montar o circuito, no qual o transistor irá operar como chave.
Material necessário:
- 1 Fonte de alimentação 10V;- 1 transistor NPN (BC338);- 1 resistor de 5,6K, 560 (0,25W);- 1 led;- 1 multímetro (analógico ou digital);
Procedimento:
1.Monte o circuito da Figura 8.54.
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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 decorrente.
Material necessário:
- 2 Fontes de alimentação 8V;- 1 transistor NPN (BC338);- 1 resistor de 330 (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:
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140
Figura 8.55
2. Aumente progressivamente a tensão na base até igualar a tensãoVcc(8). Explique porque oled apagou.
DIVERTINDO-SE COM A ELETRÔNICA
Alarme para porta com transistor
Neste circuito, você vai montar um alarme para porta, no qual a porta deve estarfechada e ao abri-la, deve acionar um buzzer.
Material necessário:
- 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 5,6K (0,25W);-1 Transistor BC338, (ou equivalente).
Circuito (Figura 8.56).
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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 normalmenteestá fechada e o imã fica próximo a chave reed swich, a chave reed swich fica aberta. Ao abrira porta, afasta o imã da chave reed swich e a chave reed swich fecha, fazendo com que circulecorrente na base, desta forma o transistor deve entrar na região de saturação e acionar obuzzer .
Alarme de passagem
Neste circuito, uma fonte de luz deve sempre estar inserindo no fototransistor, aobloquear esta emissão de luz, uma lâmpada será acesa.
Material necessário
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-1 bateria de 12V;- 1 diodo 1N4004;- 1 lâmpada de 12V;- 1 resistores de 68KΩ, 1/4W;- 2 resistores 1K; 1/4W;- 1 transistor BC338;- 1 capacitor 100µF, 16V;- 1 capacitor 0,01µF, 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 nofototransistor, pode ser uma lanterna, e o fototransistor está funcionando como uma chavefechada. A tensão de 12V está sobre o resistor de 1KΩ. No pino 2 do CI 555, tem-se umaalimentação de 12V. A saída (pino 3)fica em 0V.
Quando ocorre o bloqueio da luz sobre o fototransistor, este entra na região de corte eentra 0V, sobre o pino 2. A saída do CI555(pino 3) sai aproximadamente 12V(na prática saiuma tensão menor devido as perdas no CI) e o transistor entra na região de saturação. O relé éacionado e a lâmpada de 12V é acesa.
O tempo em que a lâmpada permanece acesa é calculado pela seguinte expressão:
T = 1,1 RC = 1,1x68Kx100µ = 7,48s.
Após este tempo a lâmpada apaga.
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CAPÍTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRÔNICOS
Introdução
Além dos diodos e transistores bipolares, existem vários outros componenteseletrônicos. Alguns desses componentes são usados em eletrônica de potência ou em circuitososciladores 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 umtransistor bipolar convencional, como podemos verificar na Figura 9.1. Um TUJ é dispositivode baixa potência, com dissipação máxima de 300 mW. Na Figura 9.2 temos um equivalenteelétrico 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 odiodo se encontrará inversamente polarizado, IE será praticamente nula e corrente que circulapelo componente será dada pela tensão de alimentação divida pela resistência interbase RBB. Ovalor de RBB fica normalmente entre 4 k e 9 k.
Nessa situação, quando IE = 0, a tensão VRB1 é calculada por:
BB BB
B B
B RB V V
R R
RV η =
+=
21
11 .
E
B2
B1
Junção pn
B2
B1
E
Bastão dealumínio
Silício tipo n
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(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 valorde 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 epassa 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 capacitorvai se carregando através do resistor R1. Quando a tensão do capacitor atinge o valor críticopara a condução, isto é, quando VE > VD + VRB1, ocorre uma injeção de lacunas na região Ncorrespondente a RB1 e a tensão do emissor cai rapidamente. Isso faz com que o capacitor sedescarregue rapidamente através do resistor Rb1. A frequência desse oscilador éaproximadamente dada por:
−
≅
η 1
1ln
1
11C R
f .
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 paraativar um outro dispositivo, o SCR (silicon controlled rectifier ), que será estudado maisadiante. Antes, porém, estudaremos um componente mais “simples”, o diodo de quatrocamadas Schockley.
VBB
RB2
E
RB1
B2
B1
ηVBB
IE
VE
RBB = RB1 + RB2
(IE = 0)
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9.2 DIODO DE QUATRO CAMADASO 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 comduas camadas, usado em aplicações que exigem altas freqüências, como, por exemplo, emcomputadores). A Figura 9.3 mostra a simbologia do diodo Shockley (diodo que iremosestudar) e do diodo Schottly.
(a) (c) (b)
Figura 9.3 – (a) Diodo Schockley (diodo de quatro camadas), (b) representação das quatrocamadas PNPN, (c) Diodo Schottly (diodo de duas camadas).
9.2.1 Funcionamento
Para entender o funcionamento do diodo Schockley devemos analisar o funcionamentodo 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.
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Analisado a Figura 9.3-(c), observamos que o coletor do transistor PNP é ligado nabase 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 dotransistor NPN aumentar, a corrente do coletor do transistor também NPN aumentará,consequentemente, a corrente na base do transistor PNP também aumentará. A corrente nabase do transistor NPN aumentará mais e o ciclo continua até os dois transistores entrarem emsaturação, funcionado como uma chave fechada.
Por outro lado, se alguma coisa fizer a corrente da base do transistor NPN diminuir, acorrente do coletor também diminuíra. Como conseqüência, a corrente da base do transistorPNP 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 umachave 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 asaturar os dois transistores. O efeito é o mesmo que aplicar um disparo, ou aplicar umacorrente na base do transistor NPN. Desta forma o diodo Schockey irá funcionar como umachave fechada.
O único modo de abri-lo é através do desligamento por baixa corrente. Significareduzir a corrente para um valor abaixo da corrente de manutenção (IH) ou tensão demanutenção (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, apresentandoaltíssima resistência. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo serádestruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão formenor do que um valor chamado de tensão de breakover (UBO). Acima deste valor odispositivo 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).
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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 nomegenérico 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 colocadoum terceiro eletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo porinjeção de corrente. A estrutura básica de um SCR é mostrada na Figura 9.6 e seufuncionamento é explicado a seguir.
(a) (b) (c)
Figura 9.6 (a) Camadas e junções do SCR, (b) símbolo do componente, (c) exemplo deencapsulamento (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 estádiretamente polarizado.
Figura 9.7 SCR polarizado diretamente, mas com corrente de porta nula.
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Quando o circuito mostrado na Figura 9.7 é montado em laboratório, verifica-se que oSCR funciona como uma chave aberta. Este estado é alterado após um disparo de corrente nogate. A porta de um SCR é aproximadamente equivalente a um diodo. Por esta razão, énecessário pelo menos uma tensão de 0,7V para disparar o SCR. Além disso, será necessáriouma corrente mínima, que irá depender do SCR utilizado, ou seja, a corrente de disparo seráespecificada pelo fabricante.
Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. Atensão de anodo cai para um valor baixo (0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando atensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, U H (IH) cujo valor depende do tipo de SCR. Por exemplo, o TIC106 tem IH≅ 0,5mA enquanto oTIC116 tem IH ≅ 15mA.
Como vimos anteriormente, um diodo de quatro camadas pode ser representado pordois transistores ligados com realimentação de um para o outro. Se adicionarmos um terceiroeletrodo, a porta, poderemos injetar corrente nesse eletrodo disparando a estrutura de quatrocamadas. A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser daordem de µA 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;
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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 quatrocamadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquerpolaridade, 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.
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Figura 9.11. Curva característica do diac.
O DIAC não conduz até que a tensão através dele exceder a tensão de interrupção emqualquer sentido. Uma vez que o diac está conduzindo, a única forma de abri-lo é através deum desligamento por baixa corrente. Isto significa reduzir a corrente abaixo da corrente demanutenção especificada pelo componente.
9.5 Triac
Quando é necessário controlar a potência em uma carga AC, com corrente nos doissentidos, pode ser usado o circuito visto com dois SCRs em antiparalelo, como mostra aFigura 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 umterminal de controle permitindo disparar o dispositivo com diferentes valores de tensão. Comoo 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 terminalprincipal 1 (T1) e terminal principal 2 (T2).
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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 emrelação à chave mecânica. Permite, por exemplo, controlar grandes potências a partir depotências relativamente pequenas, TRIAC não apresenta “trepidação” (o que acontece comum 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 deaparecimento de grandes picos de corrente ao ligar o circuito a primeira vez, principalmenteno 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 dapossibilidade de serem gerados surtos de corrente muito elevados no instante que o TRIAC échaveado, principalmente se no instante que o TRIAC for gatilhado a tensão da rede estiverpassando por um pico e a carga for resistiva. No modo síncrono o TRIAC somente será levadoà condução quando a tensão da rede estiver passando próximo do zero, daí os circuitos queefetuam este tipo de controle ser chamados de Zero Voltage Switching (ZVS). Na Figura9.14, o circuito ZVS comanda o disparo do TRIAC somente quando a tensão de entradaestiver passando próximo de zero, não deixando o TRIAC disparar se a tensão de entrada formuito alta.
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Figura 9.14. Chave síncrona com TRIAC.
Controle de Potência – Dimmer.
A luminosidade de uma lâmpada pode ser controlada através da variação da potênciaelétrica que lhe é entregue, e isso pode ser feito alterando-se o angulo de disparo durante cadasemi ciclo. A Figura 9.15 mostra um circuito simples que controla a potência de uma lâmpadausando 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 dopotenciômetro 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-opara um determinado ângulo de disparo.
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A mudança brusca de corrente de zero para um determinado valor produz rádiofreqüência (RF) que causa interferências em aparelhos de rádio colocados na mesma rede. Oindutor Lf e o capacitor Cf, mostrados na Figura 9.16, funcionam como um filtro que reduzemessas interferências a níveis aceitáveis.
A Figura 9.17 mostra as formas de onda da tensão na carga para um determinadoangulo 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.
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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 k.
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 quedade tensão de 0,6V no ponto de desligamento. R= 2,2K.
Ex3: O circuito abaixo é um detector de sobretensão. Explique o funcionamento. Dado: Fontede alimentação = 10V, Tensão de interrupção do diodo de 12V.
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