eletronica industrial

ELETR NICA INDUSTRIAL

CENTRO DE FORMA O PROFISSIONAL PEDRO MARTINS GUERRA

Itabira

2005

Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petr nio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Le o dos Santos Gerente de Educa o e Tecnologia Edmar Fernando de Alc ntara Elabora o Equipe Tcnica - Ncleo Eletroeletr nica Unidade Operacional Centro de Forma o Profissional Pedro Martins Guerra

SSuummrr iioo APRESENTA O ........................................................................................ 1. FSICA DOS SEMICONDUTORES ..........................................................

1.1 Condu o dos semicondutores ........................................................... 1.2 Dopagem de semicondutores .............................................................

2. DIODO DE JUN O ................................................................................

2.1 Jun o PN ........................................................................................... 2.2 Diodo de jun o ideal .......................................................................... 2.3 Diodo de jun o real ........................................................................... 2.4 Comportamento do diodo em AC ........................................................ 2.5 Regime mximo do diodo em CC ....................................................... 2.6 Efeito da temperatura na caracterstica .............................................. 2.7 Resistncia do diodo ........................................................................... 2.8 Tempo de chaveamento do diodo ....................................................... 2.9 Classifica o dos diodos .....................................................................

3. RETIFICADORES .....................................................................................

3.1 Retificador de 1/2 onda ....................................................................... 3.2 Retificador de onda completa .............................................................. 3.3 Retificador em ponte .......................................................................... 3.4 Filtros ..................................................................................................

4. TRANSITOR BIPOLAR DE JUN O (TBJ) ........................................... 5. AMPLIFICADORES DE POT NCIA ........................................................ 5.1 Dissipadores de calor ......................................................................... 6. JFET ......................................................................................................... 7. ELETR NICA DE POT NCIA ........... ..................................................... 7.1Diodos .................................................................................................. 8. TIRISTORES ..................................................................................................... 8.1 O SCR .......................................................................................................... 8.2 TRIAC ........................................................................................................... 9. CHAVES CONTROL` VEIS ..................................................................... 9.1 GTO .................................................................................................... 9.2 IGBT Transitor bipolar de porta isolada ........................................... 10. UJT .......................................................................................................... 10.1 Geradores de pulsos: circuitos de disparo para tiristores e triacs .... 10.2 Gerador de pulsos sincronizados com a alimenta o ......................... 11. CIRCUITO INTEGRADO TCA 780/785 ....................................................... 12. RETIFICADORES ..................................................................................

05

06 08 08

11 11 14 14 17 18 19 19 19 20

26 26 30 32 35

41

50 51

53

56 57

61 61 66

68 68 69

74 76 78

81

95

12.1 Retificadores n o controlados .......................................................... 12.2 Retificadores controlados ................................................................. 13. INVERSORES ........................................................................................ 13.1 Inversores n o aut nomos ............................................................... 13.2 Inversores aut nomos ...................................................................... 13.3 Modula o PWM ............................................................................... 13.4 Inversores monofsicos .................................................................... 13.5 Inversores trifsicos .......................................................................... 14. EXEMPLO DE APLICA O .................................................................. 14.1 A evolu o do controle de velocidade .............................................. 14.2 Controle escalar ................................................................................ 14.3 O modo de controle vetorial .............................................................. 15. EXERCCIOS E PROBLEMAS .............................................................. REFER NCIAS BIBLIOGR` FICAS ............................................................

95 99

107 107 108 110 113 118

120 120 121 126

131

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Eletr nica Industrial

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Curso Tcnico de Manuten o em Equipamentos de Minera o

AApprreesseenn ttaa oo Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento.

Peter Drucker O ingresso na sociedade da informa o exige mudan as profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produ o, coleta, dissemina o e uso da informa o. O SENAI, maior rede privada de educa o profissional do pas,sabe disso , e consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a gide do conceito da competncia: formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolu o de problemas, com conhecimentos tcnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e conscincia da necessidade de educa o continuada. Vivemos numa sociedade da informa o. O conhecimento , na sua rea tecnol gica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualiza o se faz necessria. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliogrfico, da sua infovia, da conex o de suas escolas rede mundial de informa es Internet - t o importante quanto zelar pela produ o de material didtico. Isto porque, nos embates dirios,instrutores e alunos , nas diversas oficinas e laborat rios do SENAI, fazem com que as informa es, contidas nos materiais didticos, tomem sentido e se concretizem em mltiplos conhecimentos. O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didticos, agu ar a sua curiosidade, responder s suas demandas de informa es e construir links entre os diversos conhecimentos, t o importantes para sua forma o continuada !

Gerncia de Educa o e Tecnologia


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11.. FFSSIICCAA DDOOSS SSEEMMIICCOONNDDUUTTOORREESS 1.1CONDU O NOS SEMICONDUTORES Estrutura at mica Qualquer subst ncia ou material conhecido pode ser subdividido em partes cada vez menores, at que se chegue menor delas, a molcula. Pode-se ent o definir como molcula a menor partcula a qual se pode dividir um corpo sem que este perca suas propriedades fundamentais . A partir do ponto em que se descobriu molcula, conseguiu-se subdividi-la ainda mais, mas desta feita n o mais possvel conseguir que o material conserve suas propriedades fundamentais. A estas subdivis es da molcula deu-se o nome de ` TOMO, palavra de origem grega, que significa A=n o TOMO=divis o, ` TOMO=N O DIVISVEL. O tomo formado por um grande nmero de partculas, dentre as quais, podemos destacar:

- EL TRONS: parte do tomo com carga eltrica negativa (-). - PR TONS: parte do tomo com carga eltrica positiva (+). - N UTRONS: parte do tomo que n o tem carga eltrica.

Os pr tons e os nutrons constituem o chamado ncleo do tomo tendo em seu redor, num movimento de rota o, os eltrons, dispostos em rbitas concntricas. importante lembrar que somente a camada perifrica de um tomo pode apresentar-se incompleta, as demais est o sempre completas. Os eltrons que se encontram nesta camada perifrica, s o chamados de eltrons de valncia, e possuem a caracterstica de serem quase que completamente livres, para participar de fen menos qumicos e eltricos.

Quando um grupo de tomos esta disposto simetricamente entre si, um eltron de valncia muitas vezes gira em torno de dois ncleos, ao invs de um s . Quando isto acontece, os eltrons de valncia unem os tomos nos quais giram ao redor, a este tipo de liga o d-se o nome de liga o covalente.

EL TRON DE VAL NCIA: eltrons da camada externa, responsveis pela atividade qumica ou eltrica do elemento.


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Se, num material, ap s todas as liga es covalentes terem se realizado, ainda restarem eltrons que n o possuem uni es firmes, estes s o denominados de eltrons livres. Quanto maior o nmero de eltrons livres, maior a condutividade. A partir desse conceito podemos ent o definir:

- CONDUTOR: material que possui grande quantidade de eltrons livres. - ISOLANTE: material que possui pouca ou nenhuma quantidade de

eltrons livres.

- SEMICONDUTOR: existem certos materiais, com molculas especiais, que se situam entre os dois grupos e n o s o nem bons condutores, nem bons isolantes, chamam-se semicondutores, pois possuem eltrons livres, mas em pequena quantidade. Destes materiais os mais conhecidos s o: o Germ nio (Ge) e o Silcio (Si).

O nmero de valncia destes dois elementos equivale ao nmero ou quantidade de eltrons na ltima camada perifrica. Estes tomos possuem uma outra particularidade, que a de se combinarem entre si, para formar o que denominamos de estrutura cristalina. Estrutura cristalina O Ge por problemas de limita es (temperatura) teve o seu uso abandonado e o silcio passou a ser o cristal mais utilizado para a fabrica o de componentes eletr nicos. O silcio um elemento qumico pertencente ao quarto grupo da tabela peri dica. Cada tomo possui 14 eltrons na coroa. A camada mais interna ocupada somente por dois eltrons e a seguinte por oito. Os quatro eltrons restantes circulam numa terceira camada eletr nica. Portanto nesta terceira camada para que o tomo atingisse a estabilidade qumica, seriam necessrios mais quatro eltrons. No estado s lido e sob condi es adequadas de fabrica o, o silcio constitui uma rede cristalina, onde cada tomo tem quatro tomos vizinhos eq idistantes, interligados por pontes de pares de eltrons, liga o covalente; e todos os eltrons de valncia dos tomos de silcio, na estrutura cristalina, s o envolvidos pelas liga es entre tomos. Est o, desse modo, presos em um lugar, sendo denominados eltrons presos.

LIGA O COVALENTE: uni o entre dois tomos atravs de seus eltrons de valncia.


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Conceito de lacuna A rede cristalina se encontra sempre a uma temperatura acima do zero absoluto, ou seja, contm sempre determinada quantidade de energia trmica. O resultado da presen a dessa energia trmica que os tomos e os eltrons vibram em torno de suas posi es de repouso, o que tem como conseq ncia o aparecimento de for as mec nicas adicionais na rede cristalina. Se a energia introduzida for t o elevada que supere as for as de liga o, alguns eltrons poder o escapar de suas liga es covalentes. Tais eltrons ficam livres de seus tomos e com isso se tornam m veis; s o denominados, ent o, eltrons livres e est o, do mesmo modo como as molculas de um gs, em permanente movimento. Ao mesmo tempo, est o sempre colidindo com os tomos da estrutura em oscila o, modificando constantemente a dire o do movimento. Aparece um movimento em ziguezague irregular desses eltrons, no qual, em termos de valores mdios n o h dire o predominante. Quando um eltron abandona uma liga o covalente, fica faltando, nesse lugar, uma carga eltrica negativa, provocando ent o a forma o de uma lacuna. Verifica-se que essa lacuna, ou seja, uma carga negativa faltante na liga o da rede, tambm pode ser considerada como uma partcula aut noma, carregada positivamente. Existem, pois, com a introdu o de calor, eltrons livres e lacunas de igual nmero, e ambas as espcies de portadores contribuem para a condutividade do semicondutor.

1.2 DOPAGEM DE SEMICONDUTORES Semicondutor intrnseco uma estrutura cristalina formada somente por tomos do mesmo cristal, sendo, portanto um material semicondutor muito puro. A natureza dos semicondutores tal que mesmo quantidades muito pequenas de certas impurezas podem alterar drasticamente suas propriedades eltricas. Por esta raz o, um semicondutor n o seria chamado verdadeiramente intrnseco, a menos que, o nvel de impurezas fosse muito pequeno. A figura 01 ilustra a estrutura cristalina do Si, a qual idntica a do Ge.


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Figura 01 A estrutura do silcio numa representa o bidimensional. Semicondutor extrnseco Na aplica o da eletr nica, o material semicondutor dopado, isto , propositalmente s o adicionadas certas impurezas para resultar, em uma predominante condu o de eltrons ou lacunas, qualquer que seja o requerido. As impurezas usadas s o geralmente de dois tipos: uma delas formada por elementos que possuem trs eltrons de valncia e a outra por um elemento que possui cinco eltrons de valncia. A primeira chamada de impureza tipo-P, e a outra chamada de impureza tipo-N, ap s a impureza ter sido adicionada, o material ent o denominado um semicondutor extrnseco. Dopagem do semicondutor A dopagem um processo qumico que tem por finalidade introduzir tomos estranhos a uma subst ncia na sua estrutura cristalina; podendo esta ser do tipo N ou do tipo P, o que dar origem ao cristal N ou ent o ao cristal P, conforme apresentado a seguir: Dopagem em tipo N (cristal N) Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do Ge ou do Si uma quantidade de tomos com mais de quatro eltrons na ltima camada, forma-se uma nova estrutura cristalina denominada de cristal N. Tomemos como exemplo, a introdu o de tomos de f sforo, que possuem cinco eltrons na ltima camada, dos cinco eltrons externos do f sforo, quatro encontram um eltron no cristal, que possibilita a liga o covalente, o quinto eltron do f sforo n o forma liga o covalente porque n o encontra um eltron na estrutura que possibilite esta forma o. Este eltron isolado tem a caracterstica de se libertar facilmente do tomo, passando a vagar livremente dentro da estrutura do cristal, constituindo-se um portador livre de carga eltrica. Veja na figura 02:


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Figura 02

Dopagem em tipo P (cristal P) A utiliza o de tomos com menos de quatro eltrons na ltima camada, originar um tipo de estrutura chamada de cristal P, tomando como base o tomo de ndio, por exemplo, verifica-se a falta de um eltron para que os elementos com quatro eltrons (Si ou Ge) se combinem de forma covalente. Veja na figura 03:

Figura 03


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22.. DDIIOODDOO DDEE JJUUNN OO 2.1. JUN O PN Se unirmos cristais do tipo P a cristais do tipo N, de maneira a constituirmos um cristal nico (jun o na qual mantida a continuidade da estrutura cristalina), esta jun o ser denominada de JUN O PN ou DIODO DE JUN O. Observa es:

Nos elementos tipo N, os eltrons ser o denominados portadores majoritrios de carga, existindo tambm nesses elementos os portadores minoritrios de carga que s o as lacunas. Nos elementos tipo P, as lacunas ser o denominadas portadores majoritrios de carga, existindo tambm nesses elementos os portadores minoritrios de carga que s o os eltrons.

O material N apresenta um grande nmero de eltrons e o material P um grande nmero de lacunas logo, quando dispostos a formar uma jun o PN como na figura 04, haver passagem de lacunas do elemento P ao N e de eltrons do N para o P durante a difus o, as reas que se encontram em torno da jun o, ficar o livres dos portadores de carga (eltrons e lacunas), devido recombina o entre esses portadores e suas conseq entes anula es. Com a forma o de ons positivos de um dos lados da jun o e negativos do outro, teremos um decrscimo nas correntes, o que facilmente compreendido se lembrarmos que um eltron que tentar passar atravs da jun o vindo do lado N, encontrar uma barreira negativa do lado P, que o repelir; dando-se o mesmo com as lacunas, ficando claro que neste material ocorrer um equilbrio de cargas em torno da jun o. Com o acmulo de ons positivos de um dos lados da jun o e negativos do outro, se estabelecer uma regi o de carga espacial ou regi o de cargas. Devido a pouca quantidade de cargas m veis esta regi o chamada de REGI O DE DEPLEX O. As cargas que se formaram nesta regi o de espa o de cargas d o origem a uma diferen a de potencial Vo, e esta diferen a de potencial pode ser esquematicamente representada por uma bateria, associada jun o. Dentro da regi o de cargas existe uma carga positiva no lado de tipo N, e uma carga negativa no lado do tipo P, e isto d origem a uma barreira de potencial.


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Figura 04 Jun o PN

Jun o PN polarizada inversamente A jun o PN tem propriedades de retificadores, e se a conectamos a uma fonte de tens o, chamada de fonte de polariza o, poderemos observar como tal dispositivo opera, na figura 05, temos uma bateria conectada aos terminais da jun o, de tal forma que o p lo positivo est ligado ao material N, e o negativo ao material P. Assim, os portadores majoritrios s o atrados pela bateria, ou seja, as lacunas do material P s o atradas pelo p lo negativo da bateria e os eltrons do material N pelo positivo. Como estes portadores se afastam da jun o largura da barreira de potencial aumentada, e quando a for a de resistncia do campo da barreira se iguala da tens o aplicada, surge uma nova condi o de equilbrio, pois, nestas condi es, os campos internos (da barreira) e externo (da tens o aplicada) somam-se; onde com a barreira aumentada, n o pode haver fluxo de corrente, pois a barreira age como se fora um isolante

Figura 05 Jun o PN polarizada inversamente

Jun o P N

+ + + - - + + - - - + + + - - + + - - -

Barreira

- +

Bateria de Polariza o

Jun o P N

+ + + - - - + + + - - -

Barreira de Potencial


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Jun o PN polarizada diretamente Ocorre polariza o direta quando o p lo positivo da bateria est ligado ao material P e o negativo ao material N, nesta situa o a maioria dos portadores majoritrios s o repelidos em dire o jun o (claro que uma lacuna n o existe fisicamente, e quando falamos em movimento de lacuna subentende-se que um eltron se move no sentido oposto a ela).

Figura 06 Jun o PN polarizada diretamente

O primeiro efeito disto a neutraliza o de alguns ons doadores e receptores, e conseq entemente uma redu o na barreira de potencial. At aqui, a corrente somente aumentou ligeiramente. Um aumento da tens o eventualmente reduzir o potencial da barreira a zero, e ent o eltrons e lacunas ir o se mover atravs da jun o, os eltrons recombinando-se com eltrons no lado de tipo N assim, uma corrente agora flui atravs da jun o. E esta corrente aumenta rapidamente com somente um pequeno aumento adicional na tens o. A corrente que flui quando uma polariza o direta aplicada chamada de corrente direta, e consiste essencialmente de um fluxo de portadores em maioria de cada um dos lados atravs da jun o. Estes portadores em maioria que cruzam a jun o, tornam-se no outro lado portadores em minoria. Na figura 07 temos uma representa o da jun o n o polarizada.

Figura 07 Jun o PN n o polarizada

P N

B.P.

Jun o P N

+ + + - - - + + + - - -

Barreira

+ -

Bateria


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At agora tnhamos visto, para efeito de explica o, um modelo te rico onde destacvamos os materiais P e N e os portadores de cargas. No entanto, nos circuitos usamos uma representa o simb lica, como indica a figura 08.

Figura 08 Smbolo do diodo de jun o

O smbolo usado quer dizer que o fluxo de corrente do material P para o material N, ou seja, do anodo para o catodo e os sinais mais (+) e menos (-) indicam a polariza o direta que produzir tal corrente.

2.2. DIODO DE JUN O IDEAL Como diodo de jun o ideal, se compreende um diodo que apresenta caractersticas especiais, conduzindo ou bloqueando completamente. Condu o no diodo ideal Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir a corrente eltrica sem apresentar resistncia, comportando-se como um interruptor fechado, o qual equivale ao circuito do diodo ideal em condu o. Bloqueio do diodo ideal Polarizando inversamente um diodo semicondutor, ideal, deve-se comportar como um isolante perfeito, impedindo completamente a circula o de corrente. A condi o de bloqueio de um diodo tambm pode ser denominada de corte do diodo, por que o diodo corta a circula o de corrente; comportando-se como um interruptor aberto, o qual equivale ao circuito do diodo ideal em corte. 2.3. DIODO DE JUN O REAL O diodo de jun o real apresenta algumas diferen as em rela o ao diodo de jun o ideal. Estas diferen as existem porque o processo de purifica o dos cristais semicondutores para fabrica o de componentes eletr nicos n o perfeito. Ap s a purifica o ainda existe nos cristais uma pequena quantidade de impurezas originrias da forma o do material na natureza. Estas impurezas, chamadas de portadores minoritrios, resultantes da deficincia na purifica o fazem com que as caractersticas de condu o e bloqueio dos diodos reais se distanciem dos ideais.

nodo Ctodo + - Corrente I


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Condu o no diodo real Dois fatores diferenciam o diodo real no sentido de condu o:

A barreira de potencial A resistncia interna

A barreira de potencial, existente na jun o dos cristais, faz com que o diodo entre em condu o efetiva apenas a partir do momento em que a tens o da bateria externa atinge um valor maior que a tens o da barreira de potencial, veja na figura 09:

Figura 09 Diodo Real

A resistncia interna devida ao fato de que o cristal dopado n o um condutor perfeito; esta, na condu o, normalmente menor que 1 , como na maioria dos casos em que o diodo utilizado, as tens es e resistncias externas do circuito s o muito maiores que os valores internos do diodo (0,7v e ; 1 ), podemos normalmente considerar o diodo real igual ao ideal no sentido de condu o, sem provocar um erro significativo. Bloqueio no diodo real O diodo real polarizado inversamente, n o capaz de impedir completamente a existncia de corrente no sentido inverso, fluindo uma pequena corrente inversa (que desprezvel), sendo esta denominada de corrente de fuga, da ordem de alguns microampres. Isto significa que no sentido inverso o diodo apresenta uma resistncia elevadssima (vrios Mega Ohms). Como a corrente de fuga muito pequena comparada com a corrente de condu o, a resistncia inversa do diodo pode ser desprezada na anlise da grande maioria dos circuitos, considerando-se o diodo como ideal. A figura 10, representa a curva caracterstica de um diodo, com polariza o direta e reserva.

+ -

V > 0,7 V


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Vd = Tens o direta Id = Corrente direta Vr = Tens o reversa Ir = Corrente reversa

Figura 10 - Curva caracterstica do Diodo Real A curva da figura 10 ser a mesma para os elementos de germ nio e silcio. Como j se sabe, pode ser polarizado diretamente ou reversamente. Em polariza o direta o germ nio come a a conduzir com cerca de 0,3V, e o silcio com cerca de 0,6V. Podemos notar pela curva (em polariza o direta), que para pequenos valores de tens o Vd, quase n o temos Id, passando a existir corrente somente quando atingirmos as caractersticas de condu o do germ nio e do silcio. Em polariza o reversa, notamos que para pequenos valores de tens o a corrente Ir aproximadamente constante. Se aumentarmos Vr at pr ximo da tens o de ruptura, notaremos que Ir quase n o apresenta varia es, sendo ainda de pequeno valor. Ao atingirmos a tens o de ruptura, ocorrer o efeito avalanche (Break Down), que consiste no seguinte: A tens o reversa aplicada jun o, aumenta a barreira de potencial, e conseq entemente um eltron minoritrio presente nesta regi o ser acelerado devido ao campo eltrico. Com o aumento gradativo da tens o reversa, mais e mais eltrons s o acelerados, dando origem a novos eltrons livres e a posteriores aumentos de corrente. Pois bem, elevando-se a corrente, mais portadores ser o liberados, estabelecendo-se um ciclo que culminar com a ruptura do elemento semicondutor (Break Down).


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2.4 COMPORTAMENTO DO DIODO EM AC Considerando inicialmente o primeiro semiciclo da tens o alternada, de 0 a . Neste intervalo, a tens o positiva e o diodo fica polarizado diretamente, deixando passar uma corrente que tem a mesma forma de onda senoidal da tens o aplicada, com exce o da parte inicial e final do semiciclo, que apresenta alguma distor o, devido ao fato de que a caracterstica do diodo n o linear nesta regi o, (figura 11).

Figura 11 No semiciclo seguinte, de a 2 , a tens o se torna negativa, e o diodo polarizado inversamente; agora ele oferece uma resistncia muito alta passagem da corrente, circulando somente a corrente de fuga, que pode ser desprezada em compara o com a corrente direta, (figura 12).

Figura 12


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2.5 REGIME M` XIMO DO DIODO EM CC Os regimes mximos do diodo em CC estabelecem os limites da tens o e corrente que podem ser aplicados ao componente em circuitos de corrente contnua, sem provocar danos a sua estrutura. Analisando o comportamento do diodo em condu o e bloqueio verifica-se que os fatores que dependem diretamente do circuito ao qual o diodo est conectado s o:

Corrente de condu o ( If ) Tens o reversa ( Vr )

Pois a tens o de condu o Vd n o depende do circuito (0,7 V para o silcio e 0,3 V para o germ nio) e a corrente de fuga depende apenas do material do diodo (alguns microamperes). Corrente mxima de condu o: A corrente de condu o mxima de cada tipo de diodo dada pelo fabricante em folhetos tcnicos, nestes folhetos, a corrente mxima de condu o aparece designada pela sigla If. Tens o reversa mxima: As tens es reversas colocam o diodo em bloqueio. Nesta condi o toda a tens o aplicada ao circuito fica aplicada sobre o diodo. Cada diodo tem a estrutura preparada para suportar um determinado valor de tens o reversa. Aplicando um valor de tens o reversa superior ao especificado para cada diodo, a corrente de fuga aumenta excessivamente e o diodo danificado. Os fabricantes de diodos fornecem em folhetos tcnicos o valor caracterstico de tens o mxima que o diodo suporta sem sofrer a ruptura. Este valor aparece designado pela sigla Vr. Na tabela a seguir encontram-se as especifica es bsicas de alguns diodos retificadores (25 C).

Diodos Corrente direta mxima ( A ) Tens o de pico inversa ( V )

IN 4606 0,2 70

BY 126 1,0 650

DY 127 1,0 1250

BYX 10 2,0 800

IN 4001 1,0 50

IN 4004 1,0 400

IN 4007 1,0 1000

IN 1615 R 5,0 600


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2.6 EFEITO DA TEMPERATURA NA CARACTERSTICA Uma jun o PN sofre influncia da temperatura. A temperatura mxima do elemento silcio, est por volta de 150 C, enquanto que a do germ nio acha-se por volta de 100 C. para cada aumento de 1 C na temperatura, teremos em decorrncia, uma queda na tens o direta, cerca de 2,5 mV / C. 2.7 RESIST NCIA DO DIODO Resistncia esttica A partir da caracterstica direta do diodo podemos observar que n o um elemento hmico e sua resistncia em fun o do ponto de opera o. A resistncia esttica tambm denominada resistncia contnua e significativa para circuitos com pontos de opera o fixos. Resistncia din mica A resistncia din mica determinada a partir das varia es em torno do ponto quiescente, ambas as resistncias dependem do ponto de trabalho, porm, convm lembrar que a resistncia din mica tem interesse para regi es de pequenas varia es de tens o e corrente, e n o em toda a caracterstica do diodo. A resistncia que um diodo oferece em polariza o direta denominada resistncia direta e extremamente baixa; da ordem de algumas dezenas de ohms, e a resistncia reversa apresenta valores da ordem de algumas dezenas de milh es de ohms. 2.8 TEMPO DE CHAVEAMENTO DO DIODO Quando o diodo passa da condi o reversa para a condi o direta ou vice versa, h a passagem por um transit rio, decorrendo certo intervalo de tempo antes que o diodo volte ao regime estacionrio. O tempo de recupera o direta tfr a diferen a de tempos entre o ponto que corresponde a 10% do valor final da tens o do diodo e o ponto que corresponde a 90% do valor final da tens o; na maioria das aplica es, o tfr n o constitui na prtica um problema srio e, assim, consideramos apenas a mais importante situa o, que a recupera o reversa. Tempo de recupera o reversa do diodo: Quando uma tens o externa polariza diretamente uma jun o PN, a densidade de portadores minoritrios em regime permanente muito grande; estes, em cada caso, foram fornecidos pelo outro lado da jun o, onde, sendo majoritrios, s o fornecidos abundantemente. Se a tens o externa repentinamente alterada (invertida) de direta para reversa em um circuito cujo diodo atravessado por


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uma corrente direta, a nova corrente (reversa) do doido n o cair imediatamente para seu valor de regime permanente, pois a corrente n o pode atingir seu valor de regime enquanto a distribui o de portadores minoritrios ir o tornar a densidade de portadores minoritrios injetados ou em excesso quase nula. Durante este intervalo de tempo o diodo continuar conduzindo facilmente, e a corrente ser determinada pela resistncia externa no circuito do diodo. 2.9 CLASSIFICA O DOS DIODOS Diodo Zener Diodos projetados com capacidades adequadas de dissipa o de potncia para operar na regi o de ruptura podem ser empregados como dispositivos de tens o constante, tens o de referncia ou de avalanche.

Figura 13 Simbologia do Diodo Zenner

Os diodos zener s o usados da seguinte forma: a fonte V e o resistor R s o selecionados de maneira que, inicialmente, o diodo esteja operando na regi o de ruptura. A tens o sobre o diodo, que tambm a tens o na carga R1, igual a Vz, e a corrente do diodo denominada Iz. O diodo ir regular, agora, a tens o na carga contra as varia es de corrente (na carga) e tambm contra as varia es de tens o na fonte de alimenta o, pois na regi o de ruptura, grandes varia es na corrente do diodo produzem pequenas varia es na tens o (do diodo); alm disso, como existem mudan as na corrente de carga ou na tens o de alimenta o, a corrente do doido se acomodar a estas mudan as para manter a tens o na carga aproximadamente constante. Como os diodos zener s o empregados para tens es superiores a 2V; abaixo desta tens o comum o uso de diodos polarizados diretamente para serem usados como reguladores de tens o, e como referncia; pois a caracterstica volt-ampre de um diodo polarizado diretamente igual caracterstica reversa, exceto que, para a caracterstica direta, o joelho ocorre para uma tens o mais baixa. Para alcan ar tens es maiores, colocamos vrios diodos em srie. Tal conjunto de diodos, encapsulados como um nico dispositivo, encontrado com tens es de at 5V, sendo s vezes preferidos aos diodos zener polarizados reversamente, que em baixas tens es tem valores muito altos de resistncia din mica.

nodo Ctodo + -


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As caractersticas eltricas do diodo zener s o: - Tens o Zener - Potncia Zener - Coeficiente de temperatura - Toler ncia - Tens o Zener: a tens o zener (tens o de ruptura) dos diodos zener depende do processo de fabrica o e da resistividade da jun o semicondutora. Os diodos zener s o fabricados para valores de tens o zener da ordem de 2V at algumas dezenas de volts. - Potncia Zener: o diodo zener funciona na regi o de ruptura, apresentando um valor determinado de tens o sobre seus terminais (Vz), sendo percorrido por um uma corrente inversa. Nestas condi es verifica-se que o componente dissipa potncia em forma de calor. A potncia dada pelo produto de tens o e corrente:

P = V . I POT NCIA Pz = Vz . Iz POT NCIA ZENER

O valor da potncia determina a dissipa o mxima que o componente pode suportar, o que possui uma rela o direta como a regi o de funcionamento do zener, a qual definida por dois valores de corrente, uma vez que sua tens o inversa constante; sendo estas:

- Iz mximo - Iz mnimo

O valor de Iz mximo definido pela potncia zener:

Iz mx = Pz Vz

O valor de Iz mnimo definido como 10% do valor de Iz mximo.


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- Toler ncia: a toler ncia do diodo zener informa a varia o que pode existir entre o valor especificado e o valor real da tens o reversa do diodo zener. Isto significa que um diodo zener de 12V pode ter uma tens o reversa real, por exemplo, de 11,5V. Varicap Os varicaps s o diodos semicondutores especiais que substituem os capacitadores variveis, em circuitos de alta frequncia. Nestes diodos aproveitam-se as caractersticas da capacidade da jun o PN quando polarizada reversamente, pois um aumento da tens o reversa aplicada ao diodo, faz com que haja um aumento da largura da barreira de potencial e conseq entemente uma diminui o da capacidade da jun o. Este tipo de diodo indicado para moduladores de FM, sintonizadores de FM, controle de frequncia, etc.

Figura 16 Smbolo do varicap Diodo emissor de luz - LED O diodo do tipo LED um diodo semicondutor que apresenta emiss o de luz regida pelo fen meno da eletroluminescncia. Assim como necessrio fornecer energia para gerar o par eltron-lacuna, da mesma maneira a energia liberada quando um eltron se recombina com uma lacuna. Esta energia liberada transferida para o cristal sob forma de calor. Em outros semicondutores tais como o arseneto de glio, h uma quantidade considervel de recombina o direta. Nestas circunst ncias a energia liberada pelo eltron, ao cair da banda de condu o para a banda de valncia, aparece em forma de radia o. Um diodo que funcione nestas condi es chamado de Diodo Emissor de Luz (LED), embora a maior parte da radia o emitida esteja na faixa do infravermelho. A eficincia do processo de gera o de luz aumenta com a corrente injetada e com a diminui o da temperatura. A luz est concentrada perto da jun o devido ao fato de que a maior parte dos portadores se recombinam nas vizinhan as da mesma. O diodo emissor de luz, identificado comunente como LED representado pelo smbolo apresentado na figura 17.


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Figura 17 Smbolo do LED

Os LED s o encontrados com as mais diversas formas e dimens es, conforme mostra a figura 18.

Figura 18 Tipos mais comuns de Diodo

O catodo de um LED, de formato redondo, pode ser identificado por um corte na base do encapsulamento. (figura 19)

Figura 19 - Corte no lado do Catodo ( Vista de baixo ) Caractersticas do LED - Corrente direta nominal (If): um valor de corrente de condu o indicado pelo fabricante no qual o LED apresenta um rendimento luminoso timo (normalmente 20mA). -Tens o direta nominal (Vf): Especifica o que define a queda da tens o tpica do diodo no sentido de condu o. A queda de tens o nominal (Vf) ocorre no componente quando a corrente direta tem valor nominal (If).

CATODO


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- Tens o reversa mxima (Vr): Especifica o que determina o valor mximo de tens o, que o LED suporta, no sentido inverso sem sofrer ruptura. A tens o inversa mxima dos LEDs pequena, da ordem de 5V. A tabela abaixo apresenta as caractersticas de alguns LED.

LED COR Vf a If = 20 mA If mx.

LD 30C Vermelho 1,6V 100mA

LD 37I Verde 2,4V 60mA

LD 3I1 amarelo 2,4V 60mA LED bicolor O LED bicolor consiste, na verdade, de dois LEDs colocados dentro de uma mesma cpsula. Estes LEDs tm trs terminais. (figura 20)

Figura 20 - LED bicolor

LED infra-vermelho A luz infra-vermelha um tipo de irradia o que n o visvel ao olho humano, este tipo de luz usado principalmente em alarmes, controle remoto, etc. Assim os LEDs que emitem esta luz, funcionam como os outros, porm n o se pode observar visualmente se est o ligados ou n o. Fotodiodo O fotodiodo um diodo semicondutor com jun o PN cuja caracterstica operar na polariza o inversa da jun o. Na polariza o inversa a corrente praticamente nula, porm, se o cristal for devidamente dopado, o nmero de portadores aumenta tremendamente sob luz incidente, pois esta fornece energia sob forma de f tons. E este o princpio bsico do funcionamento de um fotodiodo. A aplica o do fotodiodo se verifica em leitura de cart es, circuitos digitais, acopladores pticos, etc.


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Figura 21 Smbolo do fotodiodo


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33.. RREETTIIFFIICCAADDOORREESS 3.1 RETIFICADORES DE ONDA A retifica o de meia onda um processo de transforma o de CA em CC, que permite o aproveitamento de apenas um semiciclo da tens o de entrada, na carga, (figura 22).

FFiigguurraa 2222 -- EEnnttrraaddaa ee SSaaddaa nnaa rreettiiffiiccaa oo ddee oonnddaa

Funcionamento Primeiro semiciclo Durante o primeiro semiciclo a tens o positiva no ponto A, com rela o ao ponto B. esta polaridade de tens o de entrada coloca o diodo em condu o, permitindo a circula o de corrente. (figura 23)

Figura 23

A tens o sobre a carga assume a mesma forma da tens o de entrada, (figura 24).

Figura 24

1 ciclo

ENTRADA CIRCUITO RETIFIDADOR DE MEIA ONDA

TENS O NA CARGA


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O valor de pico de tens o sobre a carga menor que o valor do pico de tens o da entrada, porque o diodo, durante a condu o, apresenta uma pequena queda de tens o Vd (0,7 para o silcio e 0,3V para o germ nio). Entretanto, na maioria dos casos, a queda de tens o sobre o diodo pode ser desprezada porque o seu valor muito pequeno em rela o ao valor total do pico de tens o sobre a carga. Segundo semiciclo Durante o segundo semiciclo, a tens o de entrada negativa no ponto A, com rela o ao ponto B, esta polaridade de tens o de entrada coloca o diodo em bloqueio, logo n o h corrente, (figura. 25).

Figura 25

Nesta condi o toda a tens o de entrada aplicada sobre o diodo, que atua como interruptor aberto, e a tens o na carga nula porque n o h circula o de corrente, (figura 26).

FFiigguurraa 2266

Observa-se que para cada ciclo completo da tens o de entrada, apenas um semiciclo passa para a carga, enquanto o outro semiciclo fica sobre o diodo. Os grficos da figura 27 ilustram o que foi descrito.


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FFiigguurraa 2277 -- TTeennss oo ddee eenn tt rraaddaa xx dd iiooddoo xx ssaaddaa

Retifica o de meia onda com tens o de sada negativa Dependendo da forma como o diodo est colocado no circuito retificador, pode-se obter uma tens o CC positiva ou negativa em rela o ao terra. Tens o e corrente CC de sada da retifica o de meia onda. Tens o de sada A tens o na carga, apesar de ser contnua, n o constante, recebendo o nome de contnua pulsante. O valor mdio DC de um sinal alternado senoidal nulo, assim se conectarmos um voltmetro DC para medir um sinal senoidal, a leitura indicada pelo aparelho ser zero. Se medirmos, com um medidor DC, o sinal da figura 26, que um sinal retificado de meia onda, pulsante e senoidal, o medidor fornecer o valor DC do sinal tambm denominado valor contnuo.

Figura 28 Tens o de sada e tens o mdia

Tens o na entrada

Tens o no Diodo

Tens o na carga

Tens o Mdia


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O valor DC dado pela rela o abaixo:

Vdc = 1 / x (Em) Esta rela o representa a rea sob a curva, dividida pelo perodo da onda retificada. importante notar que num circuito retificador de meia onda, quando o diodo for polarizado reversamente, aparece uma tens o em seus terminais denominada tens o de pico reversa. E de acordo com a aplica o da Segunda Lei de Kirchhoff, em um retificador de onda, determinamos que o valor da tens o de pico o valor mximo da tens o alternada aplicada. Corrente de sada Na retifica o de meia onda a corrente de sada tambm pulsante, uma vez que a tens o sobre a carga pulsante, isto implica que a corrente mdia na sada (sobre a carga) uma mdia entre os perodos de existncia e inexistncia de corrente, (figura 28.1).

FFiigguurraa 2288..11 CCoorrrreenn ttee mmdd iiaa ddee ssaaddaa

Inconvenientes da retifica o de meia onda: A retifica o de meia onda apresenta alguns inconvenientes, decorrentes da sua condi o de funcionamento. - O rendimento baixo (45%) em rela o tens o eficaz de entrada - Nas retifica es com transformador existe um mau aproveitamento da capacidade de transforma o porque a corrente circula em apenas um semiciclo

I mdia


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3.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA um processo de convers o de corrente alternada em corrente contnua que faz o aproveitamento dos dois semiciclos da tens o de entrada, (figura 29).

FFiigguurraa 2299 CCoorrrreenn ttee mmdd iiaa ddee ssaaddaa

O circuito retificador de onda completa o mais empregado nos equipamentos eletr nicos porque realiza um melhor aproveitamento da energia aplicada na entrada. Esta retifica o pode ser realizada de duas maneiras distintas: - Empregando um transformador com deriva o central e dois diodos. - Empregando quatro diodos ligados em ponte.

Retifica o de onda completa com dois diodos. A retifica o de onda completa com deriva o central, a denomina o tcnica do circuito retificador de onda completa que emprega dois diodos com um transformador com deriva o central. A figura 31 apresenta a configura o deste tipo de circuito retificador.

FFiigguurraa 3300 RReett ii ff iiccaaddoorr ddee oonnddaa ccoommpp lleettaa ccoomm 22 dd iiooddooss

Este tipo de retifica o tambm chamado de retifica o de onda completa CENTER TAPE, a express o significa DERIVA O CENTRAL.

1 ciclo

ENTRADA CIRCUITO RETIFIDADOR DE MEIA ONDA

TENS O NA CARGA


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Funcionamento O princpio de funcionamento do circuito retificador de onda completa pode ser facilmente compreendido, considerando-se cada um dos semiciclos da tens o de entrada isoladamente, conforme mostra a figura 31.

FFiigguurraa 3311

Para tens es de entrada acima de 10Vca pode-se desconsiderar a queda de tens o no diodo, desenvolvendo a equa o como: Vcc = 2 Em Vd desconsiderando Vd tm-se: p Vcc = 2 . Em como Em = Vca . 2 p Vcc = 2 . Vca . 2__ simplificando: 2 / p tm-se: p Vcc = 2 . Vca . 0,45

Tens o na entrada

Tens o no Diodo

Tens o na carga

Tens o no Diodo

D1

D2


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Corrente de sada A corrente mdia na sada da retifica o de onda completa depende da tens o mdia: IDC = Vdc RL Rela o entre freq ncia de entrada e freq ncia de sada: Na retifica o de onda completa cada ciclo da tens o CA de entrada transformado em dois semiciclos de tens o sobre a carga. Desta forma, a freq ncia dos picos de tens o sobre a carga o dobro da freq ncia da rede, (figura 32).

FFiigguurraa 3322 3.3 RETIFICADOR EM PONTE A retifica o em ponte com quatro diodos entrega carga uma onda completa sem que seja necessrio utilizar um transformador com deriva o central. A figura 33 apresenta a configura o da retifica o de onda completa em ponte.

FFiigguurraa 3333


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Funcionamento Primeiro Semiciclo Considerando a tens o positiva no terminal de entrada superior, teremos:

Diodo 1 anodo positivo em rela o ao catodo = CONDU O Diodo 2 catodo positivo em rela o ao anodo = BLOQUEIO Diodo 3 catodo negativo em rela o ao anodo = CONDU O Diodo 4 anodo negativo em rela o ao catodo = BLOQUEIO

Segundo Semiciclo No segundo semiciclo ocorre a intervens o da polaridade nos terminais de entrada do circuito, onde teremos:

Diodo 1 = anodo negativo em rela o ao catodo BLOQUEIO Diodo 2 = catodo negativo em rela o ao anodo CONDU O Diodo 3 = catodo positivo em rela o ao anodo BLOQUEIO Diodo 4 = anodo positivo em rela o ao catodo CONDU O

A ponte retificadora entrega carga, os dois semiciclos, da mesma forma que a retifica o de ponto central, com uma freq ncia da CC pulsante igual ao dobro da freq ncia da rede. A ponte retificadora tambm pode ser representada em esquema conforme mostra a figura 34

Figura 34


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Tens o e corrente CC de sada da retifica o em ponte Tens o de Sada A ponte retificadora fornece na sada o mesmo tipo de forma de onda que a retifica o com deriva o central, contudo, h uma diferen a em termos de tens o de pico sobre a carga, devido ao fato de que na ponte retificadora em cada semiciclo existem dois diodos em srie, o que implica que o pico de tens o sobre a carga 1,4V menor que o pico de tens o na entrada (para diodos de Si), (figura 35).

Para tens es acima de 20 Vca na entrada da ponte pode-se desconsiderar as quedas de tens o nos diodos (2Vd) de forma que o desenvolvimento da equa o resulta em: Para uma mesma tens o de sada, a retifica o em ponte usa apenas uma tens o no secundrio, enquanto que a retifica o com deriva o central, necessita de duas tens es, com o terminal central comum. As figuras 36 e 37 mostram claramente o que foi descrito:

Figura 36

Tens o CC mdia na sada

Vcc = 2 x Em 2Vd = 2 . Em

p p


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Figura 37 Conseq entemente o transformador melhor aproveitado nas retifica es em ponte porque o secundrio trabalha integralmente nos dois semiciclos. Corrente de sada A Corrente de sada dada pela mesma equa o utilizada na retifica o de ponto mdio:

IDC = Vdc RL (carga) 3.4 FILTROS Uma tens o alternada, ap s ser retificada, reduz-se a uma tens o contnua pulsativa, ou seja, ainda guarda em si as altern ncias da CA. Contudo, a corrente contnua CC que desejamos n o pode conter oscila es, e para evit-las usamos um circuito de filtro, (figura 38).

Figura 38 Circuito retificador de1/2 onda com filtro

A filtragem freq entemente realizada colocando-se um capacitor ligado em paralelo com a carga. Este sistema baseia-se no fato de que o capacitor armazena energia durante o perodo de condu o do diodo, e fornece esta mesma energia para a carga durante o perodo em que o diodo est cortado. Desse modo, o tempo durante o qual a corrente passa pela carga RL, prolongado e a ondula o consideravelmente menor. A tens o de ondula o definida a partir do seu valor mdio ou CC.


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Filtro capacitivo Tanto o retificador de meia onda quanto o de onda completa, apresentam como resultados, correntes contnuas, porm pulsantes, como mostra a figura 39.

Figura 39 - Sada de um retificador sem filtro Se conectarmos um capacitor em paralelo com a carga, como mostra a figura 40, observaremos uma diminui o na varia o (ou na ondula o) da tens o de sada.

Figura 40

A tens o de sada com o capacitor mostrada na figura 41.

Figura 41


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Durante o meio ciclo em que o anodo for positivo em rela o ao catodo, do diodo, o diodo conduz e o capacitor C se carrega simultaneamente com o valor da tens o aplicada. Durante o semiciclo seguinte, quando o anodo for negativo em rela o ao catodo, o diodo corta e o capacitor C descarrega-se atravs da resistncia de carga. fcil notar que o tempo de descarga da associa o RL x C que vai determinar o valor da tens o mnima, Vpmin. Quanto maior for o tempo de descarga da associa o maior ser a constante de tempo e, portanto, maior ser o valor mnimo e menor a ondula o. A figura 42, mostra a tens o de sada com trs capacitores de filtro cujas capacit ncias s o respectivamente C1 < C2 < C3.

Figura 42 Essa ondula o recebe o nome de tens o de ripple, e seu valor pico a pico dado por:

Vrpp = Vp Vpmin. As figuras 43 e 44 mostram respectivamente a tens o de sada na carga e a tens o de ripple.


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Figura 43

Figura 44 Ripple: fator, tens o e percentagem Para uma melhor compreens o do equacionamento do fen meno e para uma melhor visualiza o do circuito, analisaremos a forma de onda da figura 45, que se aproxima em muito, da tens o de sada de um circuito com filtro.

Figura 45

Essa figura mostra um sinal contnuo e constante Vdc, somado a uma senoide. Medindo esta tens o com o voltmetro DC, obteramos o valor mdio ou contnuo, isto , Vdc; se medirmos essa mesma tens o com um voltmetro AC, mediramos somente o valor eficaz da sen ide, que a ondula o indesejvel.


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Por defini o a express o matemtica do fator de ripple :

E a percentagem de ripple dada pela rela o:

r = tens o eficaz de ripple

tens o contnua

r = Vr eficaz Vdc

% r = 100 . r % r = 100 . Vref

Vdc

Capacitor de filtro em onda completa: Do mesmo modo que no circuito de meia onda, o capacitor de filtro vai ligado em paralelo com a carga. A figura 47 mostra a forma de onda que resulta ap s conectarmos o capacitor de filtro em retificadores de onda completa. Deve-se notar que o sinal filtrado apresenta um nvel DC e um sinal de ripple em cima.

Figura 46

Figura 47


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Analisando a figura 48, que mostra um retificador de onda completa com filtro e sua forma de onda, podemos destacar dois tempos particulares.

Figura 48

O intervalo Tc o intervalo de tempo em que o capacitor se carrega e o intervalo de tempo Td o intervalo de tempo em que o capacitor se descarrega atravs da resistncia de carga, onde o valor do capacitor e o valor da resistncia de carga, influenciam no intervalo de tempo Td da descarga, e obviamente no valor da tens o de ripple, no fator de ripple, no valor contnuo Vdc, etc... O valor contnuo ou Vdc dado por:

E o valor eficaz da tens o de ripple dado por:

Vdc = Vp - 1/2 Vrpp (1)

Vref = Vrp = 1/2 Vrpp (2)

2 2


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44.. TTRRAANNSSIISSTTOORR BB IIPPOOLLAARR DDEE JJUUNN OO (( TTBBJJ )) Ap s o estudo do diodo de jun o, que o componente essencial de dois terminais, vamos agora come ar a abordar dispositivos semicondutores de trs terminais. Eles s o muito mais utilizados e de fun es mais complexas, que v o desde amplifica o de sinais at a l gica digital. O nome transistor bipolar reflete o fato de que o fluxo de corrente nestes elementos ser direcional, ou seja, uma parte formada por eltrons e outra por lacunas. Outro fato curioso est no nome: o prefixo TRANS vem da palavra inglesa TRANSFER e o sufixo SISTOR de RESISTOR. Combinando ambas, temos algo semelhante a resistor de transferncia. medida que nos aprofundamos no estudo do dispositivo mostraremos esta caracterstica fundamental. Enfim, o transistor de jun o (que fora desenvolvido no incio da dcada de 50) revolucionou a tecnologia at alcan ar o estgio atual. Para se ter uma idia do significado da inven o do transistor, historiadores da cincia referem-se nossa poca como a Era do Transistor! Estrutura fsica A figura 49, mostra duas estruturas cristalinas: uma NPN e outra PNP. Visualmente percebem-se trs regi es: emissor, base e coletor. O emissor dopado fortemente, pois, dele partem os eltrons para a outra regi o, a base. Na base, que fina e fracamente dopada, a maioria dos eltrons injetados pelo emissor passa para o coletor. O coletor a maior das trs regi es, pois nele gerada uma quantidade de calor maior, e assim designado pelo fato dos eltrons da base convergirem para l (diz-se que o coletor junta os eltrons da base). O nvel de dopagem do coletor intermedirio, est entre o da base e o do emissor.

FFiigguurraa 4499 -- EEssttrruuttuurraass ffssiiccaass

Modos de opera o polariza o Fazemos a abordagem dos transistores de silcio pelos mesmos motivos que nos levaram a fazer tal escolha para o diodo, objeto de nossos estudos anteriores.


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Tais motivos eram as especifica es de tens o/corrente mais altas e a menor sensibilidade temperatura. Lembre-se, tambm, que a 25C a barreira de potencial era aproximadamente 0,7V. Na figura 50 temos a ilustra o da estrutura cristalina NPN com as regi es sombreadas.

FFiigguurraa 5500

Observe, nas figuras anteriores, que existem duas jun es nas estruturas cristalinas: uma entre base-coletor e outra entre base-emissor. O diodo situado entre a base-emissor denominado diodo emissor e o outro, entre base-coletor, diodo coletor. Como s o dois diodos, temos quatro hip teses para polariza o simult nea de todos eles. Veja o quadro a seguir:

Denomina o do modo de polariza o Diodo emissor Diodo coletor

Corte Reverso Reverso N o se aplica Reverso Direto

Ativo Direto Reverso Satura o Direto Direto

Os modos de corte e satura o s o aqueles em que o transistor usado para operar como chave eletr nica em circuitos l gicos (por exemplo, em computadores). No modo ativo, o transistor opera como fonte de corrente e capaz de amplificar sinais. Vejamos, adiante, a descri o da opera o em cada um dos modos.

Modo ativo do transistor NPN polariza o direta-reversa Esta situa o est ilustrada na figura 51, duas fontes de tens o externas s o usadas para estabelecer as condi es de opera o. A tens o Vbe faz com que a base tipo P esteja em um potencial mais alto do que o emissor tipo N; portanto, se a d.d.p. entre as duas regi es for aproximadamente 0,7V, este diodo est diretamente polarizado. A tens o na jun o base-coletor Vcb faz com que o coletor tipo N esteja em um potencial mais alto do que a base tipo P; portanto, este diodo est reversamente polarizado.

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E

B

C- - - -

- - - -

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----

----

----

----

CAMADA DE DEPLE O


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Figura 51

Rela o entre as correntes Ib, Ic e Ie Voc j tem conhecimento sobre a ordem de grandeza entre as correntes que circulam no transistor polarizado direta e reversamente. Esta rela o depende do nvel de dopagem entre as regi es constituintes do transistor. Como foi mencionado, a base, o coletor e o emissor s o fraca, mdia e intensamente dopados, respectivamente. Na prtica, os transistores modernos de baixa potncia tm corrente de coletor, que s o cerca de 99% da corrente de emissor. Portanto, resta base 1%. Dados estes percentuais, razovel admitir e relacion-las por meio de nmeros adimensionais denominados e . A rela o mede qu o pr xima a corrente de coletor Ic est de Ie, ou seja, o quociente entre elas. a raz o entre Ic e Ib, e basicamente nos permite dizer o quanto os portadores majoritrios do emissor (os eltrons) fluem pelo coletor e qual a taxa se recombina na base. Matematicamente, temos: = Ic e = Ic

Ie Ib Obs.: freq ente o uso de hfe (ndices maisculos) para representar o envolvendo Ic e Ib contnuos. Muitos se referem a ele como cc. O ca representado por hfe (ndices minsculos). Simbologia Apesar de estarmos estudando a estrutura transistora tipo NPN, na figura 52, apresentamos a seguir os smbolos de ambos os tipos.

N NPE

B

C

RCRE

VBB VCC


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Figura 52 Simbologias

Conex es do transistor bipolar Nossa avalia o do funcionamento do transistor tem sido realizada sob o circuito montado com a estrutura cristalina NPN. Existem configura es tpicas elaboradas com o TBJ e essencial aprender a reconhec-las apenas com um olhar lan ado sobre um circuito transistorizado. S o trs as configura es com terminal em comum: base, emissor e coletor. Observe-as na figura 53:

Figura 53

Obs.: Se voc retornar ilustra o da estrutura cristalina NPN em funcionamento, ver que se trata de uma configura o em base comum, pois este terminal comum a Vbb e a Vcc. Anlise na configura o Emissor-Comum (EC) Entre as trs configura es do TBJ, a mais utilizada, na prtica, a em emissor comum, requerendo assim uma anlise mais cuidadosa. Faremos o emprego da estrutura cristalina do TBJ NPN pela ltima vez, pois daqui para frente sempre empregaremos o smbolo em nossas anlises.


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Para analisar a liga o EC, primeiramente colocamos o transistor na vertical, com o emissor em baixo. Cuidamos para que esse terminal seja realmente comum s duas fontes, ligando os negativos nele. Dois resistores Rb e Rc limitam a corrente na base e no coletor, nessa ordem. Veja a ilustra o da figura 54.

Figura 54 Especifica es de um TBJ Pretendemos, aqui, apresentar algumas especifica es teis do transistor bipolar. Deixamos claro que o uso do manual do fabricante ou Databook de vital import ncia e que o aluno n o deve se contentar em saber apenas as especifica es que apresentaremos. O quadro abaixo apresenta as principais caractersticas de um TBJ com a descri o de cada uma.

Par metro Descri o (o fabricante pode fornecer valores mnimos, tpicos ou mximos) Ib Corrente de base

Ic Corrente de coletor

Ie Corrente de emissor

Pd Potencia dissipada

Vceo Tens o de coletor ao emissor com a base aberta

Vcbo Tens o de coletor base com emissor aberto

Vebo Tens o de emisor base com o coletor aberto

P Fator de degrada o

Rthj Resistncia trmica da jun o

N

P

N

RB

RC

VBB

VCC1


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As trs primeiras especifica es s o bvias. Especificar a potncia Pd importante para evitar o inconveniente de destruir o transistor por excessiva dissipa o de calor. Matematicamente, podemos encontr-la por: Pd = Vce . Ic

Esta n o toda a potncia que o transistor dissipa, mas est pr xima dela, pois as componentes da potncia dissipada nos diodos emissor e coletor s o desprezveis em compara o com ela. As trs tens es: Vceo, Vcbo e Vebo s o importantes na escolha do transistor. Vceo e Vebo s o boas aproxima es para as tens es de ruptura dos diodos coletor e emissor, respectivamente. Todas as especifica es de componentes eletr nicos s o feitas a determinadas temperaturas. P mede o fator de degrada o da especifica o de potncia medida que nos distanciamos das temperaturas ideais de funcionamento. O ltimo par metro importante para a escolha do irradiador de calor, visto que, em algumas circunst ncias, a quantidade de calor gerada na jun o n o trocada com o meio ambiente. Nestas circunst ncias, o irradiador de calor bem-dimensionado muitas vezes resolve o problema. O transistor como chave O primeiro circuito que estudamos com o transistor a configura o tpica de uma chave. Com um projeto consistente, o transistor opera apenas no modo de satura o e corte. Esta aplica o o princpio do funcionamento dos computadores e circuitos digitais. Estude-a com aten o e perspiccia, pois futuramente voc entrar em contato direto com os circuitos digitais e a base da opera o destes ser vista aqui.

Esquema do circuito A chave eletr nica com o transistor feita usando-se o terminal da base como controle e a sada retirada no coletor, ambos relativos ao terra. Veja a figura 55:

Figura 55


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O controle , tipicamente, um sinal quadrado que varia de 0 a um nvel fixo, que 5V para circuitos denominados TTL (Transistor Transistor L gico). Quando o sinal de controle est em 0V, a malha da base est submetida a 0V de d.d.p.; portanto, n o h corrente na base e, por conseguinte, no coletor tambm n o. Como Ic = 0A, a queda de tens o em Rc nula e, para que a lei de Kirchhoff das tens es continue vlida, Vce tem de assumir o valor da fonte Vcc, chave aberta. No instante em que i pulso sobe para o nvel alto nvel fixo de tens o h corrente na base e, se esta corrente for suficientemente alta, o transistor entra na regi o de satura o tornando Vce pr ximo 0V. A corrente circulante no coletor Icsat e, de coletor para emissor, o transistor se assemelha a uma chave fechada. Novamente para a lei de Kirchhoff permanecer inalterada, o resistor de coletor Rc tem entre seus terminais a tens o da fonte Vcc. importante observar que, o sinal quadrado de sada exatamente o oposto ao do controle. Isto devido s condi es em que ocorrem os chaveamentos. Quando controle = 0V, a sada = Vcc. Caso contrrio, se controle = Vbb, a sada = 0V. Por isso, os sinais s o recprocos. Condi o suficiente para o funcionamento da chave eletr nica A condi o necessria e essencial que a corrente Ib seja grande o suficiente para levar Ic satura o. Os profissionais que projetam chaves a transistor usam uma regra superdimensionada para escolha dos resistores Rb e Rc. Eles adotam um = 10; este praticamente n o se encontra, mesmo em transistores de potncia que s o conhecidos por terem betas pequenos. Dessa maneira dividimos o projeto em trs etapas: 1 etapa O resistor Rc normalmente a carga que se deseja acionar. imprescindvel conhecer sua resistncia eltrica ou a corrente de funcionamento. Esta corrente dever ser tida como Icsat. 2 etapa Podemos calcular Ib usando um beta crtico igual a 10. portanto, Ib = Icsat/10. 3 etapa Encontramos o valor de Rb usando a lei de Ohm, j que sabemos que a tens o nos terminais dele deve ser Vbb 0,7V e Ib, acabamos de encontrar: Rb = (Vbb 0,7V) / Ib. Acionando carga com o transistor No estudo feito acima, buscamos especificar um resistor de base que o transistor saturasse irremediavelmente. Na prtica, a chave muito usada para acionar rels, motores CC de pequena capacidade, l mpadas de baixa potncia, LEDs indicadores etc. Veja um exemplo do acionamento por rels:


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Usando rels ligar (ou desligar) cargas CA, figura 56

Figura 56

Obs.: Toda vez que um transistor chavear cargas indutivas necessrio acrescentar um diodo, reversamente polarizado, em paralelo com a carga. Isto porque quando a carga est sendo acionada (transistor saturado) a indut ncia da carga recebe energia da fonte. Durante o desligamento (transistor indo para o corte) ocorre a invers o da tens o nos terminais da carga (lei de Lenz) para manter a corrente circulando no mesmo sentido. Essa tens o pode ser suficientemente alta e destruir o diodo coletor. O diodo D, faz o retorno da corrente e dissipa a energia armazenada na indut ncia da carga, protegendo o transistor. Outra aplica o importante do transistor, como fonte de corrente, pois nesta, o transistor capaz de amplificar sinais CA, veremos um pouco frente, em nossos estudos, como polarizar circuitos transistorizados na regi o ativa e prepar-los para a amplifica o. Outros transistores especiais Fototransistor um transistor otimizado para operar a partir da luz. Existe uma janela transparente para incidncia de luz (f tons). A luz converge para a jun o base-coletor reversa, diodo reverso, e quebra liga es covalentes na banda de valncia. Os eltrons s o elevados banda de condu o e podem circular l como intensidade da luz adequada ao funcionamento do dispositivo, aquela que possui o comprimento de onda certo e pode ser visvel ou n o. Veja na figura 57 sua simbologia.

Figura 57 Simbologia do Fototransistor

VBE

VCC

RC RB

D2


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Optoacoplador com fototransistor Como o fototransistor um receptor de luz e atua somente na presen a dela, os fabricantes oferecem um pequeno CI que incorpora o par emissor-receptor. Este par bastante aplicado na isola o eltrica entre circuitos eletr nicos. Transistor multiemissor e multicoletor A figura 58 mostra a sua simbologia

Figura 58

Obs.: No caso do transistor multiemissor, basta que um dos transistores tenha o emissor colocado, por exemplo, no terra para que todas as bases estejam em 0,7V. De forma equivalente, se no smbolo um dos emissores vai ao terra, a base assume 0,7V de potencial e circulam as correntes Ic e Ib correspondentes quantidade de emissores em condu o. No caso do multicoletor necessrio que pelo menos um dos transistores tenha o coletor em Vcc, atravs de Rc, para existir Ib e Ie. Transistor Darlington Consiste em uma conex o de dois transistores. O emissor do primeiro vai base do segundo; os coletores s o ligados juntos. O emissor do segundo e a conex o em comum dos coletores s o: a base, o emissor e o coletor do Darlington, respectivamente. A raz o principal da conex o a obten o de um transistor cujo beta o produto de 1 e 2.


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55.. AAMMPPLL IIFFIICCAADDOORREESS DDEE PPOOTT NNCCIIAA Os estgios amplificadores, estudados at este ponto, tratam da amplifica o de sinais com maior nfase no ponto de vista de tens o. Porm, para que possamos aplicar estes sinais carga, que geralmente tm valor de resistncia baixo, alguns poucos Ohms, necessrio que eles sofram tambm uma amplifica o de corrente. Do exposto, entende-se claramente que os sinais a serem amplificados passam por estgios amplificadores de tens o e corrente, isto , s o amplificadores em potncia para acionar a carga. Os transistores do estgio final de amplifica o (potncia) dissipam grande quantidade de calor, visto que, neste, a potncia do sinal elevada (acima de 0,5W). Deve-se tomar cuidado de mont-los em irradiadores de calor (dissipadores), a fim de que possam trocar de calor com o meio externo, evitando a sua destrui o por dissipa o excessiva de potncia. Os transistores dos estgios iniciais s o de potncia inferior (abaixo de 0,5W) e n o necessitam de dissipadores. Estes estgios recebem a denomina o de pr-amplificadores. Os amplificadores de potncia que discutiremos operam em trs classes distintas, que s o: A, B e AB. Defini es Ganho de tens o (Av) Conforme j estudado, o ganho de tens o a rela o entre a tens o de sada e a tens o de entrada

Ganho de corrente (Ai) O ganho de corrente a rela o entre as correntes CAs de coletor e de base, podendo ser aproximada ao com erro desprezvel. Ganho de potncia (Ap) O ganho de potncia a rela o entre a potncia de sada (Po) e a potncia de entrada (Pin) de um amplificador. Potncia de carga (Pl) Correspondente ao valor de potncia CA na sada do amplificador, isto , sobre a carga.


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Potncia de dissipa o do transistor (Pd) Deve-se tomar o cuidado de especificar a potncia do transistor como sendo maior que a potncia quiescente (Pdq), visto que a condi o de dissipa o de potncia ocorre quando n o h sinal na entrada do mesmo, ou seja, Pd diminui medida que a tens o pico a pico na carga aumenta.

Rendimento ou eficincia do amplificador em porcentagem ( %) Corresponde rela o entre a potncia CA em RL com a potncia entregue pela fonte Vcc. 5.1DISSIPADORES DE CALOR A potncia desenvolvida sob forma de calor no coletor dos transistores de sada muito alta, fazendo valer algumas considera es importantes. Por exemplo, temperatura ambiente (25C), a troca de calor entre o meio ambiente e a cpsula (inv lucro) do transistor, que poder ser metlica ou plstica, pode ser suficiente para uma determinada condi o de funcionamento do equipamento. Porm, com o aumento desta temperatura, esta troca de calor para a mesma condi o anterior de trabalho poder n o ser t o eficiente, fazendo com que os transistores permane am quentes por uma faixa de tempo, tendo como conseq ncia o suprimento de uma corrente reversa nos terminais de coletor. Esta corrente somada ao nvel quiescente, faz com que a dissipa o de potncia nos transistores seja ainda maior. Este efeito cumulativo e termina por levar os transistores destrui o. A este fen meno denominamos deriva trmica. Uma forma de minimizar este efeito fazer com que a rea de superfcie do encapsulamento do transistor seja aumentada. Para isso utilizamos os dissipadores de calor, que s o massas metlicas (chapas de metal) de modelos variados, podendo ou n o ser alteradas, com o prop sito de melhorar a transferncia de calor do encapsulamento para o meio ambiente. Em alguns casos, o terminal de coletor conectado a uma placa metlica ou carca a do encapsulamento, a fim de facilitar a conex o com o dissipador e melhorar a dissipa o de calor. Quando isso acontece, necessrio, s vezes, isolar o terminal de coletor do terra do circuito. Para isso, s o utilizados isoladores de mica, por se tratar de um material que bom isolante eltrico e condutor trmico. Outros acess rios s o amplamente utilizados, como, por exemplo, isoladores plsticos (buchas) para isolar terminais e/ou parafusos de fixa o, pasta trmica para reduzir a resistncia trmica entre o dissipador e o encapsulamento, entre outros. A figura 59 a seguir ilustram alguns tipos de transistores e dissipadores de comum utiliza o.


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66.. JJFFEETT JFET - TRANSISTORES DE JUN O POR EFEITO DE CAMPO ( Junction Field Effect Transistor )

um dispositivo semicondutor que requer um campo eltrico para o controle de sua corrente de opera o. , tambm, conhecido como transistor unipolar, por possuir apenas um tipo de portador de corrente (eltrons ou lacunas). Compara o entre FET e Transistor Bipolar: - O FET tem imped ncia de entrada muitas vezes maior; - O FET tem comuta o mais rpida; - O FET apresenta elevada sensibilidade trmica; - O FET quase n o gera rudos; - O FET tem ganhos e potncias de trabalho menores.

A figura 60, mostra a se o em corte de um JFET canal N. A regi o denominada substrato feita de material do tipo P, no qual est incrustado o material do tipo N para produzir o canal. Os terminais nas extremidades do canal s o conhecidos como dreno (D drain) e fonte (S source). No centro do material tipo N existe outra regi o tipo P, denominada porta (G gate).

Figura 60

Polariza o de um FET Normalmente o substrato conectado internamente ao terminal de porta. Como veremos, isso aumenta o controle sobre o canal. N o h necessidade de resistncia na porta, pois em ambos os casos a jun o porta-canal deve estar reversamente polarizada. A polariza o direta na porta-canal n o tem significado, em termos de controle da corrente Ids, e deve ser evitada para manuten o das caractersticas do JFET.

G

D

S

N

N

PP

CANAL

SUBSTRATO

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