eletronica - 04 eletronica basica2, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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APOSTILA DE ELETRÔNICA BÁSICA

1ªEDIÇÃO

ÍNDICE

• 1.0 MATERIAIS SEMICONDUTORES
• 1.1 MATERIAIS INTRÍNSECOS E MATERIAIS EXTRÍNSECOS
• 1.2 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO P
• 1.3 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO N
• 2.0 DIODOS
• 2.1 JUNÇÃO PN
• 2.2 BARREIRA DE POTENCIAL
• 2.3 JUNÇÃO PN POLARIZADA DIRETAMENTE
• 2.4 JUNÇÃO PN POLARIZADA REVERSAMENTE
• 2.5 TENSÃO DE RUPTURA
• 2.6 DIODO IDEAL
• 2.7 DIODO REAL
• 3.0 RETIFICADORES MONOFÁSICOS
• 3.1 A ONDA SENOIDAL
• 3.2 TENSÃO DE PICO
• 3.3 VALOR DE PICO A PICO (VPP)
• 3.4 VALOR MÉDIO (VM)
• 3.5 VALOR EFICAZ (VEF ou VRMS)
• 3.6 TRANSFORMADORES
• 3.7 RETIFICADOR MONOFÁSICO DE MEIA ONDA
• 3.8 FORMAS DE ONDA DAS TENSÕES
• 3.9 EQUAÇÕES CARACTERISTICAS
• 3.10 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (VMRL)
• 3.11 TENSÃO REVERSA NO DIODO (PIV)
• 3.12 CORRENTE MÉDIA NO DIODO (IMRL)
• 3.13 FREQUÊNCIA DE ONDULAÇÃO DA TENSÃO NA CARGA (fond)
• 3.14 RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA COM TOMADA CENTRAL
• 3.15 CIRCUITO ELÉTRICO
• 3.16 FUNCIONAMENTO
• 3.17 COMPORTAMENTO DO RETIFICADOR
• 3.18 FORMAS DE ONDAS DAS TENSÕES NO CIRCUITO
• 3.20 EQUAÇÕES CARACTERISTICAS DO CIRCUITO
• 3.21 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (VMRL)
• 3.22 TENSÃO REVERSA NOS DIODOS (PIV)
• 3.23 CORRENTE MÉDIA NA CARGA (IMRL)
• 3.24 CORRENTE MÉDIA NOS DIODOS (IMD)
• 3.25 FREQUÊNCIA DE ONDULAÇÃO DA TENSÃO NA CARGA (fond)
• 3.26 RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA EM PONTE
• 3.27 CIRCUITO ELÉTRICO
• 3.28 FUNCIONAMENTO
• 3.29 FORMA DE ONDA DAS TENSÕES E CORRENTES NO CIRCUITO
• 3.30 EQUAÇÕES CARACTERISTICAS
• 3.31 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (VMRL)
• 3.32 CORRENTE MÉDIA NA CARGA (IMRL)
• 3.33 CORRENTE MÉDIA NOS DIODOS (IMD)
• 3.34 FREQUÊNCIA DE ONDULAÇÃO DA TENSÃO NA CARGA (fond)
• 3.35 TENSÃO REVERSA NOS DIODOS (PIV)
• 4.0 FILTROS CAPACITIVOS PARA RETIFICADORES
• 4.1 FUNCIONAMENTO
• 5.0 DIODO ZENER
• 5.1 Corrente máxima do zener
• 5.2 Corrente mínima do zener
• 5.3 REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER
• 6.0 TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO
• 6.1 POLARIZANDO O TRANSISTOR
• 6.2 POLARIZAÇÃO DIRETA
• 6.3 POLARIZAÇÃO REVERSA
• 6.4 POLARIZAÇÃO DIRETA – REVERSA
• 6.5 ALFA CC ( α CC)
• 6.6 CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EMISSOR COMUM (EC)
• 6.8 BETA CC (βCC)
• 6.9 SIMBOLOGIA DOS TRANSISTORES
• 6.10 Regiões de operação de um transistor
• 6.11 Região de corte / saturação
• 6.12 ESPECIFICAÇÕES DOS TRANSISTORES
• 6.13 O TRANSISTOR OPERANDO COMO CHAVE
• 6.14 TRANSISTOR OPERANDO NA REGIÃO LINEAR
• 6.15 Curvas de ganho de corrente (βCC X IC)
• 6.16 CurvaS CaracterísticaS de Coletor
• 6.17 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE
• 6.18 Circuito Elétrico
• 6.19 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES
• 6.20 POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE EMISSOR
• 6.21 Circuito Elétrico
• 6.22 POLARIZAÇÃO POR REALIMENTAÇÃO DE COLETOR
• 6.23 Circuito Elétrico
• 6.24 POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO NA BASE
• 6.25 Circuito Elétrico
• 7.0 FONTES DE ALIMENTAÇÃO REGULADAS
• 7.1 Principais tipos de circuitos estabilizadores de tensão
• 7.2 Regulador utilizando diodos zener
• 7.3 Circuito Elétrico
• 8.0 REGULADORES INTEGRADOS DE TENSÃO
• 8.1 Aplicações típicas dos reguladores integrados
• 8.2 FONTE VARIAVEL 1,25 a 35 V / 5A
• 9.0 APÊNDICE
• 9.1 TRANSISTORES
• 9.2 DIODOS ZENER
• 9.3 DIODOS RETIFICADORES
• 10.0 EXERCÍCIOS
• 11.0 BIBLIOGRÁFIA

corrente elétrica. A necessidade de se quebrar ligações entre átomos de semicondutores para a liberação de elétrons, mesmo que sejam ligações fracas (covalentes), é uma situação bem menos favorável à circulação de corrente elétrica do que em condutores, onde a liberação de elétrons ocorre com muito mais facilidade.

É possível que materiais semicondutores absorvam, a partir de fontes externas, energia suficiente para quebrar ligações covalentes, o que aumenta o número de elétrons livres e diminui a resistividade elétrica do material. Assim sendo, os semicondutores puros têm uma variação muito grande de sua resistividade com a variação da temperatura, luz ou qualquer outro tipo de energia irradiante e quanto maior for a temperatura maior será o numero de elétrons livres na camada de valência e nos metais isto acontece ao contrário.

1.1 MATERIAIS INTRÍNSECOS E MATERIAIS EXTRÍNSECOS

Quando um material semicondutor é totalmente puro, ele é chamado de material intrínseco e quando ele possui alguma impureza ele é chamado de material extrínseco. Os materiais extrínsecos possuem impurezas adicionadas de propósito, o que altera a sua estrutura atômica, alterando sua resistividade. Os materiais extrínsecos podem ser do tipo N ou do tipo P.

1.2 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO P

Quando se adiciona uma impureza do tipo trivalente (três elétrons de valência), como o Boro, Gálio e o Índio, ao cristal puro de um material semicondutor, o material resultante passa a ter um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A vaga resultante é chamada de lacuna e é representada por um pequeno circulo ou sinal positivo, devido a ausência de carga negativa. Como a vaga resultante aceita facilmente um elétron livre, as impurezas acrescentadas são átomos receptores ou aceitadores. As lacunas são chamadas portadores majoritários de um material do tipo P , pois elas tendem a absorver elétrons livres, o que acaba definindo um número muito maior de lacunas que de elétrons livres no material do tipo P. Os elétrons livres eventualmente presentes em um material do tipo P são denominados portadores minoritários de carga.

1.3 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO N

O material tipo N é feito através da adição de átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência (pentavalentes) como o Antimônio, Arsênico e o Fósforo. Com o acréscimo destes átomos ao material intrínseco o material resultante terá um elétron livre para cada átomo de material dopante. As impurezas com cinco elétrons na camada de valência são chamadas de impurezas doadoras. No material do tipo N , os portadores majoritários de carga são os elétrons (maior número), e os minoritários são as lacunas, o contrário do que ocorre para o material do tipo P.

2.4 JUNÇÃO PN POLARIZADA REVERSAMENTE

Quando se liga o pólo positivo da bateria ao lado N diz-se que a junção está reversamente polarizada. Quando isto acontece os elétrons livres do lado N se afastam da junção em direção ao pólo positivo da bateria; as lacunas da região P também se afastam da região de junção, aumentando a largura da camada de depleção. Com o aumento da tensão reversa aplicada sobre a junção, mais larga se torna a camada de depleção. A camada só pára de aumentar quando a tensão sobre a camada de depleção for igual a tensão da fonte. O aumento da camada de depleção não é infinito pois na maior parte das vezes ela se rompe destruindo o componente. Somente alguns tipos de diodos especiais podem conduzir reversamente polarizados sem que haja danificação da junção. Quando polarizada reversamente, uma junção PN possui uma corrente de fuga na sentido reverso produzido pelos portadores minoritários. Os diodos de silício possuem esta corrente muito menor que os diodos de germânio, por isto o Silício tem uso preferencial.

2.5 TENSÃO DE RUPTURA

Se a tensão reversa for aumentada haverá um valor chamado de tensão de ruptura em que o diodo retificador (feito para só conduzir em um sentido) passa a conduzir intensamente no sentido reverso. Isto ocorre devido à liberação progressiva de elétrons de valência causada pela corrente de fuga. Este movimento chega a um ponto em que passa a existir uma avalanche de elétrons em direção ao pólo positivo destruindo o componente. Diodos comerciais para retificação quase sempre possui tensão reversa acima de 50 V. ( VRRM - tensão reversa repetitiva máxima).

2.6 DIODO IDEAL

O diodo semicondutor é utilizado em uma gama muito grande de aplicações em sistemas de eletrônica atualmente. O caso mais clássico é em circuitos retificadores (conversores de tensão CA em tensão CC). O diodo ideal é um

componente ilustrativo que serve para entender com facilidade o funcionamento de um diodo real. No gráfico abaixo, no lado esquerdo da curva ocorre a polarização reversa da junção. Supõe-se que quando operando na lado direito da curva o diodo conduza intensamente, quando operando do lado esquerdo ele não conduza, idealmente não possuindo corrente reversa.

2.7 DIODO REAL

O diodo real é bem diferente do diodo ideal pois apresenta uma queda de tensão quando polarizado diretamente, além de uma corrente de fuga no quando polarizado no sentido reverso.

A corrente de fuga possui tipicamente baixo valor e depende muito da temperatura, necessitando por isto que se tome cuidados especiais quando for utilizar retificadores (diodos). Existe ainda uma tensão reversa máxima que se pode aplicar sem destruir o diodo pelo efeito de avalanche, representado pelo aumento repentino da corrente de fuga.

3.3 VALOR DE PICO A PICO (VPP)

O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre seu valor máximo e o seu valor mínimo. O valor de pico a pico de uma senóide é o dobro do valor de pico.

VPP = 2 .VP

3.4 VALOR MÉDIO (VM)

O valor médio de um sinal periódico é igual à média aritmética de todos os valores que este sinal assumiu em um ciclo. Como as senóides apresentam simetria perfeita em seus valores negativos e positivos, seu valor médio é nulo.

3.5 VALOR EFICAZ (VEF ou VRMS)

Quando uma tensão senoidal é aplicada a um resistor ela força a circulação de uma corrente também senoidal sobre o resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência instantânea. Como o resistor dissipa uma quantidade de calor médio constante a temperatura se comporta como se o resistor estivesse sendo alimentado por uma tensão contínua. O valor eficaz de uma onda senoidal é igual ao valor contínuo que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal.

VEF =VRMS= 0 , 707 .VP

3.6 TRANSFORMADORES

São equipamentos elétricos que tem a função de transformar grandezas elétricas, além de fornecer isolamento elétrico entre seus enrolamentos. Como os valores de tensões utilizados na maioria das vezes em eletrônica é inferior ao valor de distribuição das concessionárias de energia, faz-se o uso de transformadores com fim de reduzir o valor da tensão da rede.

A relação fundamental de um transformador é a relação de transformação α, que especifica em quantas vezes foi alterada a tesão do secundário em relação à do

primário. O funcionamento de um transformador ideal pode ser entendido pelas seguintes relações entre tensão, corrente e potência a seguir. Nestas relações, V 1 , I 1 , e P 1 são respectivamente tensão, corrente e potência elétricas no primário do transformador (enrolamento ligado à rede) e V 2 , I 2 , e P 2 definidas da mesma forma para o secundário do transformador (enrolamento ligado à carga):

1

2 2

1 I

I

V

V

= ; P 1 =P 2

3.7 RETIFICADOR MONOFÁSICO DE MEIA ONDA

É o retificador mais simples que existe, e sua aplicação está restrita a baixa potência servindo apenas para uso em pequenas fontes de alimentação, tensão de referência, etc. Seu uso é muito restrito devido ao retificador possuir uma tensão média baixa e um alto nível de ondulação na tensão na carga (ripple).

Este circuito é composto só por um diodo que conduz somente em um semiciclo positivo da tensão de entrada.

3.8 FORMAS DE ONDA DAS TENSÕES

3.14 RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA COM

TOMADA CENTRAL

É o retificador mais usado para baixas tensões e baixas potências. Utiliza somente dois diodos, porém necessita de um transformador especial que causa uma defasagem de cento e oitenta graus nas tensões de saída. Este retificador apresenta um inconveniente que é a elevada tensão reversa sobre os diodos, mas seu uso é disseminado em eletrônica geral de baixas tensões.

3.15 CIRCUITO ELÉTRICO

3.16 FUNCIONAMENTO

No semiciclo positivo o diodo D1 está polarizado diretamente e entra em condução permitindo a circulação da corrente pela carga. Neste mesmo semiciclo o diodo D2 está polarizado reversamente, devido à tensão V2b estar negativa com referência à tomada central do transformador. Quando o diodo estiver polarizado reversamente deve-se notar que a tensão a que ele fica submetido é diferença entre V2a e V2b. No semiciclo negativo (quando a tensão V2a fica negativa) o diodo D1 fica reversamente polarizado, portanto, agora é ele que esta submetido a tensão das duas fases. O diodo D2 estará diretamente polarizado, permitindo assim a circulação de corrente pela carga. Pode-se notar que a corrente da carga hora é fornecida por um diodo, hora é fornecida por outro diodo.

.

3.17 COMPORTAMENTO DO RETIFICADOR

3.18 FORMAS DE ONDAS DAS TENSÕES NO CIRCUITO

3.20 EQUAÇÕES CARACTERISTICAS DO CIRCUITO

3.21 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (VMRL)

VMRL = 0 , 9 .V EFin ; VMRL = 0 , 636 .VMAXin

3.22 TENSÃO REVERSA NOS DIODOS (PIV)

PIV = 2 .V MAXin

3.23 CORRENTE MÉDIA NA CARGA (IMRL)

L

MRL MRL (^) R

V

I =

tensão positiva) os diodos D2 e D4 estão polarizados diretamente e é por ai que a corrente flui através da carga. Neste momento os diodos D1 e D3 é que estarão reversos e com a tensão máxima de entrada. Como cada par de diodos funciona em um semiciclo a corrente média na carga é o dobro da corrente média nos diodos, assim como no circuito retificador com tomada central.

3.29 FORMA DE ONDA DAS TENSÕES E CORRENTES NO

CIRCUITO

3.30 EQUAÇÕES CARACTERISTICAS

3.31 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (VMRL)

VMRL = 0 , 9 .V EFin ; VMRL = 0 , 636 .VMAXin

3.32 CORRENTE MÉDIA NA CARGA (IMRL)

L

MRL MRL (^) R

V

I =

3.33 CORRENTE MÉDIA NOS DIODOS (IMD)

I

I MD = MRL

3.34 FREQUÊNCIA DE ONDULAÇÃO DA TENSÃO NA CARGA

(fond)

fond = 2 .f rede

3.35 TENSÃO REVERSA NOS DIODOS (PIV)

PIV =V MAXin

4.0 FILTROS CAPACITIVOS PARA RETIFICADORES

Após a retificação, a tensão aplicada à carga, apesar de unidirecional, possui ainda uma ondulação bastante acentuada, dificultando o seu aproveitamento em circuitos eletrônicos. Para que ela se torne mais uniforme é necessário o uso de algum tipo de filtro. O filtro mais utilizado é o filtro capacitivo que reduz muito a ondulação da tensão, tornando assim o retificador aceitável para a maioria das aplicações

4.1 FUNCIONAMENTO

Quando acontece o primeiro semiciclo, o capacitor se carrega através dos diodos D1 e D3 até o valor de pico da tensão de entrada. Quando a tensão retificada diminui os capacitores começam a descarregar, alimentando a carga. No outro semiciclo o capacitor será carregado por D2 e D4 até o valor de pico, novamente quando a tensão começa a reduzir o capacitor passa a fornecer corrente para a carga.

Mesmo utilizando um filtro, existe um pequena ondulação de tensão que tende a aumentar com o aumento da corrente da carga. Esta ondulação define o fator de ripple do circuito, de forma que quanto maior é a ondulação, maior o fator de ripple. Outro parâmetro importante é a tensão de ripple Δ VC , que é a variação de tensão observada na saída do filtro quando este alimenta uma carga. Em geral, deve-se projetar uma fonte de alimentação que forneça uma tensão com a mínima variação possível.