Eletrônica-Analógica-1ª-Etapa -2010, Notas de estudo de Eletrônica

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UTRAMIG

FUNDAÇÃO DE EDUCAÇÃO PARA O TRABALHO DE MINAS GERAIS

ELETRÔNICA

ANALÓGICA

1ª ETAPA

Prof. Jair Massola Junior Prof. Francisco Manfrini BELO HORIZONTE, 2009.

Apresentação

No material didático de Teoria para Eletrônica Analógica você encontrará informações e

circuitos com componentes como o diodo retificador, diodo de sinais, diodo zener e

transistores, tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada. O conteúdo foi

distribuído da seguinte forma:

• Introdução aos semicondutores;
• Polarização direta e reversa de diodos comuns e diodos zener;
• Circuitos retificadores de meia onda e onda completa;
• Filtro capacitivo;
• Circuitos típicos com diodos e transistores;
• Polarização de transistores.

Aluno: este material didático é necessário, mas não é suficiente. Ele não deve ser sua única

fonte de estudos e aprendizagem além de seu professor. Sempre que julgar necessário

consulte um livro da área para complementar seus estudos.

Prof. Jair Massola Junior

Coordenador do Material Didático - Eletrônica

• 1 INTRODUÇÃO AOS SEMICONDUTORES .........................................................
• 1.1 A estrutura do Átomo
• 1.2 Materiais Condutores
• 1.3 Materiais Isolantes
• 1.4 Material Semicondutor...........................................................................................................................
  • 1.4.1 Introdução.............................................................................................................................................
  • 1.4.2 Impurezas
  • 1.4.3 Impureza Doadora
  • 1.4.4 Impureza Aceitadora
  • 1.4.5 Semicondutor Tipo N
  • 1.4.6 Semicondutor Tipo P............................................................................................................................
• 1.5 O Diodo
  • 1.5.1 Polarização do Diodo
  • 1.5.2 Curva Característica do Diodo
• 1.6 Resistor Limitador de Corrente.............................................................................................................
• 1.7 Análise de Circuitos a Diodos em CC....................................................................................................
• 1.7 Diodo Emissor de Luz...........................................................................................................................
• 1.8 Diodo Zener
• 1.9 Exercícios Propostos
• 2 CIRCUITOS RETIFICADORES .........................................................................
• 2.1 Introdução à Tensão Alternada
• 2.2 O Transformador..................................................................................................................................
  • 2.3.1 Retificadores de Meia Onda
  • 2.3.2 Retificadores de Onda Completa........................................................................................................
  • 2.3.4 O capacitor
• 2.4 Exercícios Propostos
• 1 UTILIZAÇÃO DO LABORATÓRIO ................................................................... II
• 2 USO DO MULTÍMETRO E MATRIZ DE CONTATOS .......................................
• 2.1 Multímetro Digital ET-2082B
• 2.2 Matriz de Contatos...............................................................................................................................
• 3 A FONTE DE ALIMENTAÇÃO ..........................................................................
• 4 CURVA CARACTERÍSITICA DE UM DIODO ...................................................
• 5 CIRCUITOS COM DIODOS ...............................................................................
• 6 USO DO OSCILOSCÓPIO E GERADOR DE FUNÇÕES .................................
• 7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA .......................................................................
• 8 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TAP CENTRAL.........................
• 9 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO ..............
• 10 CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO ZENER ..........................................

1 Introdução aos Semicondutores

1.1 A estrutura do Átomo

O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares. Elétrons, prótons e nêutrons. A carga do elétron é igual a do próton, porém de sinal contrário. Os elétrons giram em torno do núcleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de até sete camadas. Em cada átomo, a camada mais externa é chamada de valência, e geralmente é ela que participa das reações químicas.

Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tipos de átomo, diferenciados entre si pelos seus números de prótons, elétrons e nêutrons. Cada material tem uma infinidade de características, mas uma especial em eletrônica é o comportamento à passagem de corrente. Pode-se dividir em três tipos principais:

1.2 Materiais Condutores

São materiais que não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica. Quanto menor for a oposição a passagem de corrente, melhor condutor é o material. O que caracteriza o material bom condutor é o fato dos elétrons de valência estar fracamente ligados ao átomo, encontrando grande facilidade para abandonar seus átomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganhar estabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre.

1.3 Materiais Isolantes

São materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem da corrente elétrica. Os elétrons de valência estão rigidamente ligados aos seus átomos, sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se de seus átomos para se transformarem em elétrons livres. Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas (borracha, mica, baquelita etc.).

Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacunas, sendo também conhecida como buraco. As lacunas não têm existência real, pois são apenas espaços vazios provocados por elétrons que abandonaram as ligações covalentes rompidas.

Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem simultaneamente um elétron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétron preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo de recombinação). Como tanto os elétrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual a de elétrons livres.

Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons.

1.4.2 Impurezas

Os cristais de silício (ou germânio, mas não vamos considerá-lo, por simplicidade e também porque o silício é de uso generalizado em eletrônica) são encontrados na natureza misturados com outros elementos.

Características destes cristais é feito um processo de purificação do cristal e em seguida é injetado através de um processo controlado, a inserção proposital de impurezas na ordem de 1 para 10^6 átomos do cristal, com a intenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. A este processo de inserção dá-se o nome de dopagem.

As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos: Impurezas doadoras e impurezas aceitadoras.

1.4.3 Impureza Doadora

São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência. Ex : Fósforo e Antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um elétron fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é suficiente para se tornar livre).

1.4.4 Impureza Aceitadora

São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência. Ex: Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente.

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:

Cada vez que um elétron atravessa a junção ela cria um par de íons. Os íons estão fixo na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de íons aumenta, a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção.

Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. Na temperatura ambiente (25ºC), esta barreira é de aproximadamente 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio.

Obs.: Alguns autores consideram a queda de potencial em função da camada de depleção com um valor de 0,6V para o diodo de silício e 0,2V para o diodo de germânio. Nesta apostila será sempre utilizado o valor de 0,7V para o de silício e de 0,3V para o de germânio.

O símbolo mais usual para o diodo é mostrado a seguir:

1.5.1 Polarização do Diodo

Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo negativo em contato com o material tipo n.

• POLARIZAÇÂO DIRETA

No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrados para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Para haver fluxo livre de elétrons a tensão da bateria tem que sobrepor o efeito da camada de depleção.

Polarização Direta do Diodo

• POLARIZAÇÃO REVERSA

Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn , isto é, ligando o pólo positivo na material tipo n e o pólo negativo no material tipo p , a junção fica polarizada reversamente (ou inversamente).

No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra.

Polarização Reversa do Diodo

1.7 Análise de Circuitos a Diodos em CC

Basicamente são utilizadas 3 leis da eletricidade para análise de circuitos a diodos: Lei de Ohm, Lei de Kirchhoff para Tensões e Lei de Kirchhoff para Correntes. Além destas leis, faz- se necessário o conhecimento de bipolos passivos e ativos e representação dos circuitos elétricos.

Os bipolos são todos os elementos de circuito que são compostos por dois terminais. Um bipolo é dito passivo quando a corrente convencional entra pelo pólo positivo e sai pelo pólo negativo:

Um bipolo é dito ativo quando a corrente convencional entra pelo pólo negativo e sai pelo pólo positivo:

Observe a notação das setas. No bipolo passivo o sentido das setas de tensão e corrente são opostos o que indica que do ponto A para o ponto B houve uma queda de tensão (queda de potencial), ou seja, o valor do potencial elétrico no ponto A é maior que o do ponto B. Já num bipolo ativo ocorre o contrário: as setas possuem o mesmo sentido, o que indica que o potencial elétrico no ponto B é maior que do ponto A.

De um modo geral, os circuitos elétricos são representados em malhas que se apresentam de forma quadrada, entretanto, uma forma alternativa é comumente utilizada: representação de potenciais. Observe as figuras a seguir:

A seguir serão apresentadas as 3 referidas anteriormente.

• Lei de Ohm : esta lei é aplicada aos resistores associados aos diodos no circuitos e diz que a tensão elétrica sobre um resistor é proporcional ao valor de sua resistência e à corrente elétrica que circula por ele.

AB^.^ A B.

AB A B

AB A B

V R I ou V V R I

I V^ ou I V^ V R R

R V^ ou R V^ V I I

• Lei de Kirchhoff para Tensões : “a soma das tensões que elevam o potencial em uma malha é igual a soma das tensões que causam queda de potencial nesta mesma malha”.

Da malha ABCEA, temos: E1 = V1 + V2 + V4 => E1 – V1 + V2 + V4 = 0

Observe que colocando todas as tensões de um lado da igualdade obtemos como resultado o valor zero. Desta forma podemos dizer que “a soma algébrica das tensões numa malha qualquer é nula”.

1 – Identificação dos Nós

VC = 0V

2 – Determinação de Potenciais Elétricos Conhecidos e Identificação dos Desconhecidos VA = 12V VB = ???

3 – Estado de Condução dos Diodos

O anodo do diodo D1 está direcionado para o positivo da fonte de alimentação. Logo, supões- se que o mesmo está conduzindo de forma direta. Com isto, pela queda de potencial na barreira do diodo,

VAB = VA − VB =0, 7 V

4 – Potencial Elétrico nas Extremidades do Diodo

Da expressão anterior, tem-se: 12 0, 7 12 0, 7 0, 7 12 11, 11,

AB B B B B B

V V

V

V

V

V V

Se VB =11,3V, VC =0V, VBC =11,3V. Assim, a diferença de potencial no resistor é de 11,3V.

5 – Correntes e Tensões Desconhecidas

Finalmente, pela Lei de Ohm aplicada ao resistor, pode-se determinar a corrente elétrica que circula pelo circuito.

11,

. 11,

1. 11, 11, 1 11,

V BC VR V

R I

k I I (^) k I mA

Exercício : Considerando um diodo real (queda de tensão no diodo de 0,7V), determine a tensão sobre o resistor e a corrente que passa pelo diodo.

1.7 Diodo Emissor de Luz

O diodo emissor de luz (LED, do inglês Light Emmiter Diode ) é um diodo que quando polarizado diretamente emite luz visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul), ou luz infravermelha. Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. O LED é amplamente usado em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa resposta em circuitos de chaveamento.

Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5 a 2,5 V para correntes entre 10mA (pouco brilho) a 50 mA (muito brilho).

1. Determine o valor da resistência Rs para que a corrente no LED seja 30mA. Considere que o mesmo tem uma tensão de 2V.

1.8 Diodo Zener

O diodo zener é um dispositivo semicondutor, que tem quase as mesmas características que o diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente. A figura a seguir apresenta o símbolo utilizado para o diodo zener.

No diodo normal, quando ele está polarizado reversamente, se a tensão reversa é muito grande, ele rompe-se permitindo passar por ele uma corrente reversa intensa. Este efeito é denominado efeito avalanche e consiste num aumento repentino da corrente reversa, dissipando uma potência suficiente para causar a ruptura da junção PN. A tensão na qual este efeito ocorre é chamada tensão de ruptura ou breakdown voltage (VBR ), sendo uma das características que se deve especificar nos projetos que utilizam diodos.

O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suportar o efeito avalanche. Assim, a tensão na qual este efeito ocorre é denominada tensão zener (VZ), podendo variar em função do tamanho e do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente, são encontrados diodos zener com VZ de 2V a 200V. Pela curva característica do diodo zener, observa-se que a tensão reversa VZ mantém-se praticamente constante quando a corrente reversa está entre I (^) Zm (corrente zener mínima) e I (^) ZM (corrente zener máxima).

Assim como o diodo de silício, o diodo zener na polarização direta apresenta a queda de potencial de 0,7V (V (^) D).

Quando em polarização reversa, o diodo zener apresentará a queda de potencial de acordo como o seu valor nominal (VZ).

Você deve observar que associado ao diodo zener existe o resistor limitador de corrente, tanto em condução direta quanto em condução reversa.

Outra informação importante com relação ao diodo zener é o valor da potência máxima que o mesmo pode dissipar. Comercialmente, os diodos zener são vendidos em função da tensão zener e da potência máxima. Assim, é possível se determinar o valor da corrente máxima que o mesmo suporta:

A corrente mínima do diodo zener é considerada como sendo de 10% do valor da corrente máxima.

Ex.: Se um diodo zener de 12 V tem uma especificação de potência máxima de 400 mW, Qual será a corrente máxima permitida? Qual o valor da corrente mínima?