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1. ELETRÔNICA: BREVE HISTÓRICO

No início do século, com o surgimento da válvula eletrônica, houve um grande avanço na produção de equipamentos e dispositivos fabricados com a finalidade de executar muitas tarefas úteis para a época. Rádios, telégrafos, telefonia e até mesmo a televisão tiveram seu desenvolvimento por causa das válvulas. Você deve estar se perguntando: O que é uma válvula eletrônica? Observe a figura abaixo.

catodo anodo filamento

Uma válvula é um dispositivo composto por duas placas metálicas encapsuladas em vidro evacuado.

Dentro desse bulbo de vidro, também há um filamento que, conectado a uma bateria, aquece uma das placas, o catodo, gerando um fluxo de elétrons que tende a se deslocar em direção à segunda placa, polarizada positivamente, chamada anodo. Quando invertemos a polarização da placa, cessa o fluxo de elétrons, ou seja, cessa a corrente elétrica dentro do tubo. Podemos concluir, a partir disso, que é possível fazer circular a corrente em um único sentido dentro de uma válvula diodo.

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2. SEMICONDUTORES

Semicondutores são materiais sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa “facilidade” de sua condição de isolante para a de condutor, isto é, podem sofrer grandes alterações em sua condutividade.

2.1. Condutividade elétrica

É a capacidade de conduzir corrente elétrica sob aplicação de uma tensão, tem uma das mais amplas faixas de valores que qualquer outra propriedade física da matéria. Metais como cobre, prata e alumínio são excelentes condutores, mas isolantes como diamante e vidro são condutores muito pobres. Em baixas temperaturas, semicondutores puros se comportam como isolantes. Sob temperaturas mais altas ou luz ou com a adição de impurezas, porém, pode ser aumentada dramaticamente a condutividade de semicondutores podendo ser alcançados níveis que se aproximam dos metais. As propriedades físicas de semicondutores são estudadas em física do estado sólido.

2.2. Elétrons de condução e lacunas

Os semicondutores comuns são fabricados a partir de elementos químicos (semimetais) como silício, germânio e selênio; além de combinações como: arseneto de gálio, seleneto de zinco e telureto de chumbo. O aumento da condutividade com a temperatura, luminosidade ou impurezas surge de um aumento no número de elétrons de condução que são os portadores da corrente elétrica. Em um semicondutor puro, ou intrínseco (inerente), como o silício, os elétrons de valência, ou elétrons exteriores de um átomo (última camada), formam pares e são compartilhados entre átomos vizinhos formando ligações covalentes que mantêm coesa a estrutura do cristal. Estes elétrons de valência não são livres para produzir corrente elétrica. Para produzir elétrons de condução, temperatura ou luz é usada para excitar os elétrons de valência para fora de suas ligações, deixando-os livre para produzir corrente. A deficiência de elétrons, ou “lacunas”, surgem no lugar de onde saíram os elétrons excitados, o que faz com que outros elétrons livres ou de valência possam vir a completar aquele par na ligação covalente. Diz-se que as lacunas são os "portadores positivos" de eletricidade. Esta é a origem física do aumento na condutividade elétrica de semicondutores com a temperatura. Devido à dupla possibilidade de condução de corrente, por elétrons livres e por lacunas, a condutividade pode aumentar expressivamente nestes cristais.

2.3. Dopagem

Outro método para produzir portadores de carga elétrica livres é adicionar impurezas, ou “dopar”, ao semicondutor. A diferença no número de elétrons de valência entre o material dopante (doadores ou aceitadores de elétrons), e o cristal intrínseco, dá lugar a semicondutores extrínsecos (artificiais) dopados negativamente (tipo negativo ou n) ou positivamente (tipo positivo ou p). Cada átomo de silício possui quatro elétrons de

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Gerência Educacional de Eletrotécnica valência. São necessários dois elétrons de átomos distintos para formar uma ligação covalente. No semicondutor de silício tipo n, átomos como o fósforo (P) com cinco elétrons de valência, substituem átomos de silício e provêem elétrons extras. Como sobram elétrons (carga negativa), o semicondutor é do tipo n. No semicondutor de silício tipo p, átomos com três elétrons de valência, como o alumínio (Al), produzem uma deficiência de elétrons, ou uma lacuna que age como um portador de carga positiva. Os elétrons extras e as lacunas podem produzir corrente elétrica. Acrescente-se que quando um elétron ocupa a órbita de uma lacuna, devolve a energia cinética que possui, desaparecendo duas cargas livres (o elétron e a lacuna). A este processo chama-se recombinação.

2.4. Junção pn

Quando regiões de semicondutor do tipo p e tipo n são adjacentes dentro de um mesmo cristal, forma-se um diodo semicondutor. A região de contato é chamada “junção pn”. Um diodo é um dispositivo de dois terminais que tem uma condutância baixa à corrente elétrica em uma direção mas uma alta condutância elétrica na outra direção.

As propriedades de condutância da junção pn dependem da polaridade e valor da tensão sobre o dispositivo. Séries de junções pn são usadas para fazer transistores e outros dispositivos semicondutores como: células fotoelétricas, tiristores, laser, retificadores, e etc.

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3. DIODO SEMICONDUTOR

O Diodo semicondutor é um elemento que tem a função de deixar passar a corrente em um sentido (para um lado) e não deixar passar a corrente em sentido contrário. Esse componente é muito utilizado em circuitos que precisam transformar corrente alternada em corrente contínua, como se verá na tarefa que envolve retificadores de tensão.

Como exemplo, podemos analisar o funcionamento do circuito abaixo e que utiliza um diodo entre a lâmpada e a fonte de tensão.

1a Situação: Diodo polarizado diretamente

A lâmpada acende porque o diodo está diretamente polarizado (o circuito fecha e a corrente passa para a lâmpada)

2a Situação: Diodo polarizado reversamente circuito não é percorrido por corrente, pois o diodo está "bloqueado" (reversamente polarizado).

3.1. Como é construído um diodo?

A função básica do diodo semicondutor é deixar passar a corrente elétrica em um sentido e não deixar passar no sentido inverso. A construção é feita usando um material semicondutor, o qual permite que sua capacidade de condução seja alterada pela adição de impurezas (negativas ou positivas). Em um dos lados são adicionadas cargas positivas e no outro, negativas, separadas por uma barreira que não permite que elas se recombinem. Para que haja a circulação de corrente, é necessário que se aplique a ele uma polarização adequada. Como você observou no experimento, a corrente só passa pelo diodo quando o terminal do ANODO está ligado ao pólo positivo da bateria e o CATODO ligado ao pólo negativo.

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BARREIRA DE POTENCIAL Região P Região N

AnodoCatodo

3.2. Principais especificações do diodo

Os diodos disponíveis no mercado possuem especificações que se referem à sua capacidade de corrente direta, tensão reversa, freqüência de operação, potência máxima e podem identificados nas folhas de dados dos componentes da seguinte forma:

GRANDEZA Simbologia / unidade Ex: Diodo 1N4001

Corrente Direta Máxima IDM (A) 1A Corrente de Fuga (inversa) IF (A) 10µA

Tensão de Pico inversa (reversa) VBr (V) 50V Potência Máxima PDM (W) 1W

3.3. A Curva do diodo e a Reta de Carga

ID – Corrente no diodo VD – Tensão no diodo

IS – Corrente de saturação (corrente máxima no diodo considerando-o como um “curto”).

Q – Ponto quiescente ou ponto de trabalho. Vc – Tensão de corte (tensão no diodo para corrente nula). Vcc – Tensão da fonte.

RL – Resistência da carga.

IF – Corrente de fuga (com o diodo na polarização reversa).

O gráfico acima mostra a curva característica de um diodo. Quando VD e ID são positivos temos o comportamento do diodo na polarização direta. Quando VD e ID são negativos temos o diodo na polarização reversa.

Na polarização reversa temos uma pequena corrente de fuga (IF - 10 µA para o diodo 1N4001) e o ponto de quebra (VBR – 50V para o diodo 1N4001) ou seja, a máxima tensão reversa que o diodo suporta. Na polarização direta observamos o Vγ (aproximadamente 0,7V para os diodos de silício e 0,3V para os diodos de germânio). A inclinação desta curva significa uma resistência que o diodo apresenta quando polarizado diretamente, isto é: aumenta a tensão VD com o aumento da corrente que passa por ele.

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Este gráfico apresenta também o traçado de uma reta de carga. Qual a sua utilidade? De posse da curva de um determinado diodo podemos determinar o seu ponto de trabalho (Q – ponto quiescente). Desta forma podemos determinar a reta de carga da seguinte forma:

Primeiro: Determina-se a tensão de corte VC = VCC e IS = Zero (na prática é a tensão da fonte).

Segundo: Determina-se a corrente de saturação considerando que o diodo é um curto Is = VCC/RL e VD = Zero.

Terceiro: Unindo-se os dois pontos acima, encontra-se o ponto quiescente (Q) no encontro com a curva característica do diodo.

Quarto: O ponto Q fornece a tensão e a corrente no diodo (VD e ID). Com estes dois pontos podemos determinar a potência dissipada pelo diodo (PD = VD x ID). De posse destes dados podemos escolher o diodo para o circuito comparando os valores calculados com as especificações técnicas do componente.

3.4. Modelos do Diodo 3.4.1. Diodo Ideal

Aqui ele é um circuito aberto.

Aqui ele é um curto circuito.

3.4.2. Diodo com Vγ ID

3.4.3. Exemplo - 1 Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:

Diodo ideal

Considerando o modelo 1

A potência no diodo é zero.

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Considerando o modelo 2 – Diodo com Vγ = 0,7V – diodo de silício

A potência no diodo é: PD = VD x ID = 67,6 mW

3.4.4. Exemplo - 2 Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:

Considerando o modelo 2 Diodo com Vγ = 0,7V – diodo de silício

A potência no diodo é: PD=VD*ID = 53,7 mW

OBSERVAÇÕES: Há uma diferença entre as considerações feitas para o cálculo da potência dissipada no diodo. Isto está relacionado com as tensões aplicadas no diodo.

modelo. Normalmente para tensões muito baixas, o 0,7V do diodo faz diferençacomo no cálculo de uma

Logo, quando não for especificado, fica por conta do “bom senso” adotar o primeiro ou o segundo fonte de 3V, por exemplo, onde VD representa mais de 20%.

Considerando o modelo 1 Diodo ideal.

A potência no diodo é zero.

1) Qual é a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta, se a tensão do diodo for de 0,7 V e a corrente de 100 mA? 2) Determinar a reta de carga, o ponto quiescente (Q) e a potência dissipada pelo diodo no circuito a seguir, dada a sua curva característica.

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3) Para os circuitos a seguir, utilizando-se os três modelos de diodos, calcular o valor das correntes nos diodos (ΙD) e analisar os resultados obtidos. Circuito 1:

Especificações do diodo: Vγ = 0,7 V e RD = 10 Ω Circuito 2:

Especificações do diodo: Vγ = 0,7 V e RD = 10 Ω 4) O circuito abaixo apresenta um problema. Identificá-lo e propor uma solução.

5) Identificar a condição das lâmpadas no circuito abaixo, de acordo com a seguinte convenção:

Ι - lâmpada acende; ΙΙ - lâmpada não acende; ΙΙΙ - lâmpada acende com sobrecarga de tensão, podendo danificar-se.

Especificações das lâmpadas: VL = 6 V e PL = 120 mW

6) Esboçar a curva característica de um diodo de silício com Vγ = 0,7 V e VBR = 50 V. Explicar com suas palavras cada parte do gráfico.

7) Para o circuito da Figura 1, calcular a corrente e a potência dissipada pelo diodo. Considerar o modelo do diodo com Vγ.

FIGURA 1 Pág. 9/38

Gerência Educacional de Eletrotécnica 8) Qual o valor da tensão reversa sobre o diodo, no circuito da Figura 2?

FIGURA 2

9) Aqui estão alguns diodos e suas especificações de tensão de ruptura (VBR) e corrente máxima (ΙDM):

10) Qual desses diodos rompe-se, quando utilizado no circuito da Figura 3?

FIGURA 3

1) Quais os diodos relacionados no exercício anterior, que podem ser utilizados no circuito da Figura 4?

FIGURA 4 12) No circuito da Figura 5, VD = 5 V. O diodo está aberto ou em curto ?

FIGURA 5

13) No circuito da Figura 6, a resistência R está em curto. Qual será a tensão sobre o diodo? O que acontecerá ao diodo?

FIGURA 6 Pág. 10/38

Gerência Educacional de Eletrotécnica 14) O que há de errado com o circuito da Figura 7?

FIGURA 7

15) Para o circuito da Figura 10, calcular a corrente de saturação, a tensão de corte e o ponto Q, dado a curva característica do diodo. Qual o valor da potência dissipada pelo diodo?

FIGURA 10

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4. DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)

O diodo emissor de luz (LED) é um tipo de diodo que funciona da mesma forma que os diodos comuns, com a diferença de que o LED, quando polarizado diretamente, emite luz. Os LED's são muito utilizados em circuito de sinalização, e podem ter sua luminosidade controlada pela corrente que circula por ele. Sua tensão de funcionamento varia entre 1,2 e 2,5 V. Existem LED's que trabalham emitindo radiação infravermelha (invisível) e são muito utilizados em circuitos de alarme contra roubo ou leitores de código de barras em cartões de plástico. O circuito abaixo mostra como podemos montar um circuito adequado para polarizar um diodo. Podemos testar um LED simplesmente usando um multímetro analógico na escala de menor resistência e aplicando as ponteiras do instrumento ao componente para verificar se o mesmo acende. Existem aparelhos que possuem uma função específica para teste de diodos.

A figura abaixo mostra como podemos ligar um LED a uma bateria através de um resistor de 390 Ω para que este apresente uma luminosidade adequada.

12 V I

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5. CIRCUITOS RETIFICADORES

A finalidade dos circuitos retificadores é converter tensão alternada em tensão contínua (num único sentido). Para isso utilizamos também os transformadores que podem abaixar ou elevar a tensão alternada (transformadores abaixadores e transformadores elevadores).

5.1. Tipos de transformadores

O primário ou o secundário pode ser constituído de enrolamento único ou múltiplo. Para o nosso estudo vamos considerar alguns exemplos de transformadores:

5.1.1. Especificações resumidas de um transformador

Exemplo 1. 110+110 V / 16+16V - 8VA. É um transformador com dois enrolamentos no primário (tipo 4); o secundário também com dois enrolamentos (tipo 2 ou tipo 3) com derivação central ou Center-Tap que fornece 16V eficazes em cada enrolamento e uma corrente de 250mA em cada enrolamento (total de 500mA - 8VA). Os valores fornecidos são todos valores eficazes. A forma de onda é senoidal.

Exemplo 2. 0 – 110 - 220V / 15V - 15 VA. É um transformador que possui o primário com derivação central (tipo 3) e o secundário com enrolamento único (tipo 1 ou tipo 4) e fornece 1A.

perdasum transformador ideal):

O primário e o secundário do transformador estão assim relacionados (isto sem levar em conta as

N=e 2112NNI
I=onde: 2211IVIV×=×

onde: N1 = número de espiras do primário N2 = número de espiras do secundário I1 = corrente no primário I2 = corrente no secundário

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Gerência Educacional de Eletrotécnica 5.2. Retificadores de Meia-Onda

5.3. Retificadores de Onda Completa 5.3.1. Transformador com derivação central

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Gerência Educacional de Eletrotécnica RESUMINDO: Retificadores Ideais (considerando diodos ideais).

(Transf. c/ deriv. central)

(Transf. sem deriv. central)

Tensão de pico de saída V2p0,5V2pV2p Tensão de pico inversa V2pV2pV2p

Freqüência de ondulação FENT2FENT2FENT Corrente média no diodo Icarga0,5Icarga0,5Icarga

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6. FILTRO CAPACITIVO

Depois que o sinal é retificado, a tensão produzida na saída é contínua, porém pulsante, inadequada para alimentar circuitos que exijam uma tensão contínua constante. Para obtermos uma tensão mais estável, usamos um capacitor na saída em paralelo com a carga. A tensão sobre a carga, com a presença do capacitor em paralelo, se tornará "quase contínua" porque o capacitor se carrega até o valor máximo da tensão retificada e tende a permanecer com esse valor. Pode-se observar com o auxílio do Osciloscópio.

A finalidade do filtro capacitivo é tornar a tensão de saída mais próxima possível de uma tensão contínua e constante. Este tipo de fonte é aplicada em equipamentos que admitem pequenas variações na tensão de alimentação. Estas variações recebem o nome de tensão de ondulação ou ripple.

O gráfico abaixo mostra que a tensão de saída varia desde o valor de pico até um valor mínimo. Enquanto esta tensão esta aumentando o capacitor é carregado. Dependendo do valor do capacitor e também do valor carga (RL) o capacitor descarrega com maior ou menor rapidez. Se a rapidez da descarga for maior, a inclinação da reta de descida será maior. Com isso chega-se a um valor mínimo mais distante do valor de pico.

Logo a ripple será também maior. Fazendo uma aproximação podemos dizer que a tensão de saída (Vmf) está no ponto médio entre o valor máximo (de pico) e o valor mínimo.

VRL Tensão de saída da fonte filtrada ou tensão na carga

V2p Tensão no secundário do trafo ou na saída do filtro considerando o diodo ideal

Vmf Tensão média fornecida pela fonte Vr Tensão de ripple ou tensão de ondulação

A tensão de ripple está assim relacionada: CRf

r××=onde:

Vr = tensão de ripple Vmf = tensão de saída da fonte (média) f = freqüência de entrada (freq. da rede) C = capacitância

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Logo, quanto maior for a constante de descarga do capacitor (R x C) menor será a tensão de ripple. Com isso podemos perceber que aumentando a resistência de carga (diminuindo a corrente) ou aumentando o capacitor ou ambos, diminuímos a tensão de ripple (diferença entre o valor máximo e mínimo). Como a tensão de saída é o valor de pico menos a metade do ripple, concluímos que a tensão de saída da fonte aumenta.

RESUMINDO: Retificadores Ideais (considerando diodos ideais) com filtros (com capacitor):

GRANDEZAS MEIA ONDA ONDA COMPLETA (Transf. c/ deriv. central) EM PONTE (Transf. sem deriv. central)

Número de diodos 1 2 4

Tensão de pico de saída V2p0,5V2pV2p Tensão de pico inversa 2V2pV2pV2p Freqüência de ondulação FENT2FENT2FENT Corrente média no diodo Icarga0,5Icarga0,5Icarga Tensão média de saída V2p0,5V2pV2p

Deste modo você tem elementos suficientes para calcular e implementar uma fonte filtrada.

EXEMPLOS: Basicamente temos dois tipos de problemas para ilustrar o assunto “fonte filtrada”.

Exemplo 1. Tenho um transformador e quero montar uma fonte filtrada com ele. O trafo que possuo é de 110+110V / 12 + 12V – 10VA. Logo, o trafo disponível possui enrolamento com derivação central e pode fornecer 416mA em cada enrolamento de 12 V (isto significa fornecer 24V / 416mA ou 12V/ 832mA).

Escolha do retificador: Para um transformador com derivação central vamos escolher um retificador de onda completa (melhor aproveitamento do trafo) com 2 diodos.

• Especificações dos diodos

A tensão máxima na saída do retificador será : γ−×=V2VVeficaz2p = 16,3V

• Especificando o capacitor Adotando como tensão de ripple 1 Volt e freqüência da rede 60Hz teremos tensão máxima de 16,3 V e tensão mínima de 15,3V e portanto a tensão média será de 15,8V, para isso o capacitor deverá ter capacitância igual a 6.933 µF. A tensão suportada pelo capacitor deverá ser maior que 16,3V. A carga terá uma resistência igual a

Exemplo 2. Quero projetar uma fonte filtrada para fornecer uma corrente de 2 Ampères a 20 V. A tensão de ripple máxima adotada será de 5%. A tensão máxima será de 20,5 V e a mínima de 19,5 V. Neste caso tenho as especificações da carga e vou dimensionar o trafo e os outros componentes.

• Especificando o transformador Vamos escolher um transformador com secundário único (sem derivação central). Poderíamos escolher outro tipo transformador. De acordo com o transformador escolhido temos que utilizar um retificador em ponte

(4 diodos). A resistência da carga (RL) será de 10Ω. Para que a tensão na carga seja 20V, a tensão de pico na saída do transformador será de:

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Considerando a rede local, este transformador deverá ter o primário para 220V e o secundário para 15,5V / 40VA.

A relação de espiras é de 14,2 (V1/V2)

• Especificando os diodos A corrente suportada pelo diodo deverá ser maior que 1,3 A (40VA/15,3/2). A tensão reversa (breakpoint) deve ser maior que 21,9V.

• Especificando o capacitor

Considerando a corrente na carga 2 A; freqüência da rede 120Hz; obtemos 16.6 µF e tensão maior que 21,9V

• Desenhe o esquema elétrico da fonte indicando as especificações dos componentes e as tensões nos principais pontos.

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7. Especificações do Diodo Zener

1) Vγ - Tensão de condução na polarização direta, onde VD ≥ Vγ

2) VZ - Tensão Zener (dada pelo fabricante). Como VZ sofre uma pequena variação em função de IZ, o fabricante fornece um valor obtido por uma corrente de teste IZT.

3) IZM - Corrente Zener máxima

4) IZm ou IZK - Corrente Zener mínima. Caso não seja dado o valor de IZK considera-se IZm como sendo 10% de IZM ou seja:

IZm = 0,1 ⋅ IZM 5) PZM - Potência Zener máxima. O diodo Zener dissipa esta potência quando sua corrente atinge o valor IZM, ou seja:

6) RZ - Resistência Zener. Esta resistência reflete a pequena variação de VZ em função de IZ e pode ser calculada por:

Iz z

EXEMPLO: Diodo 1N961 - especificações dadas pelo fabricante

Corrente zener máxima IZM32 mA Corrente zener mínima IZm0,25 mA Tensão Zener VZ10 V Resistência Zener RZ8,5 Ω

Potência máxima PDM350 mW

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8. Diodo Zener como Regulador de Tensão

8.1. Introdução

Como vimos anteriormente, o Diodo Zener tem uma peculiaridade interessante: enquanto ele está operando na Região Zener (inversamente polarizado) sua tensão é praticamente constante (não varia mais do que 5%) para grandes variações de corrente (às vezes, mais de 100x) que por ele circula. No entanto, para se conseguir esta condição, existe um valor mínimo de corrente que garanta a presença da Tensão Zener sobre o diodo, já definida como IZmin. Por outro lado, o Diodo Zener também tem um limite máximo de corrente para que ele não queime, chamada de IZMAX. Vejamos, então, como garantir que um Diodo Zener opere dentro dos limites de corrente estabelecidos pelo fabricante e com isso usá-lo na sua principal função: um bom regulador de tensão. Observe a figura do circuito eletrônico e as equações a seguir.

O resistor RS é colocado para limitar a corrente que passa no Diodo Zener (IS = IZ) e, ao mesmo tempo, apresentar a diferença de tensão que existir entre VE e VZ. Se a corrente IZ possui valores mínimos e máximos para que o Diodo Zener opere satisfatoriamente, o resistor RS deverá ser escolhido entre um valor mínimo e um máximo para garantir que a corrente IZ esteja dentro da faixa permitida. Vejamos os cálculos:

Smin EZ

Zmax

Smax EZ

Zmin

Note que para o cálculo do valor máximo de RS, utilizamos o valor mínimo de corrente IZ, e vice-versa.

Somente a partir do cálculo dos valores para RS (mínimo e máximo) poderemos escolher um valor comercial adequado para ser utilizado no circuito.

EXEMPLO: Calcule os limites do resistor RS colocado para limitar a corrente do Diodo Zener 1N961

12 V+ VZ =10 V

Corrente zener máxima IZM30 mA Corrente zener mínima IZm0,25 mA Tensão Zener VZ10 V Potência máxima PDM320 mW

1012 mARSMax VALORES COMERCIAIS = 68 Ω < RS < 6K8 Ω (sempre ENTRE os valores encontrados)

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8.2. Regulador de tensão para carga e fonte fixas

O que ocorre quando colocamos uma carga para ser alimentada por esta fonte de tensão?

Pela figura abaixo, verificamos que a corrente IS deve se dividir em duas: IZ e IL. Logo, devemos alterar nossa forma de cálculo do resistor RS, pois a corrente que passa nele é diferente da corrente que passa no Diodo Zener (IS ≠ IZ). O cálculo de RS deve levar em conta que a divisão de corrente deve ser feita de forma a garantir que o Diodo Zener sempre receba sua corrente IZ dentro dos limites estabelecidos.

Note que a equação de tensão não se alterou, apenas a equação de corrente, pois IS é agora a soma da corrente que circula nos dois ramos. A função do resistor RS continua a mesma, controlar a corrente que a fonte fornece ao circuito, além de “receber” a diferença de tensão existente entre VE e VZ. A alteração em relação ao cálculo anterior dos valores limites de RS é que agora devemos levar em conta o valor de IL, além de IZ. Vejamos como ficam os cálculos:

Smin EZ

Zmax L

Smax EZ

Zmin L

= −+ Note que para o cálculo do valor máximo de RS, utilizamos o valor mínimo de corrente IZ, e vice-versa.

EXEMPLO: Calcular os limites do resistor RS que deve ser colocado para garantir a corrente exigida pela carga e pelo Diodo Zener especificado abaixo:

IL14 V + RS

ISIZ1K Ω

Corrente zener máxima IZM60 mA Corrente zener mínima IZm0,5 mA Tensão Zener VZ6,2 V Potência máxima PDM350 mW

mA K

V RSMax

VALORES COMERCIAIS = 120 Ω < RS < 1K Ω (sempre ENTRE os valores encontrados)

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9. TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR (BJT)

9.1. Introdução DIODO Ö chave: aberta/fechada Ö não há controle da corrente

O princípio do transistor é controlar a corrente. Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas, Figura 6.1.

FIGURA 6.1 – Aspectos construtivos e símbolos dos transistores bipolares

Cada uma das camadas, Figura 6.2, recebe um nome em relação a sua função na operação do transistor:

FIGURA 6.2 – Portadores nos transistores bipolares

Base (B): dopagem média e muito fina. Assim, a maioria dos portadores lançados do emissor para a base, conseguem atravessá-la dirigindo-se ao coletor;

Coletor (C): levemente dopado, coleta (recolhe) ao portadores que vêm da base. Ele é muito maior que as outras camadas, pois é nele que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitos transistorizados;

Emissor (E): fortemente dopado, tem por função emitir portadores de carga para a base (e- no transistor NPN e lacunas no PNP).

9.2. Barreiras de potencial

Da mesma forma que na junção PN dos diodos, nas duas junções J1 e J2 dos transistores, Figura 6.3, surgem devido à recombinação dos portadores barreiras de potencial, cujos valores a 25oC são Vγ = 0,7 V para semicondutores de silício e Vγ = 0,3 V para semicondutores de germânio.

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FIGURA 6.3 – Barreiras de potencial nos transistores bipolares

9.3. Princípio do transistor

O comportamento básico dos transistores nos circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor, através da base. Isto é conseguido, polarizando-se adequadamente suas junções.

A junção E – B funciona como um diodo quando polarizada diretamente, ou seja, por ela circula uma elevada corrente (ΙB) de portadores majoritários (e-), Figura 6.4. Existe uma pequena corrente (corrente de fuga) em sentido contrário, devido aos portadores minoritários.

FIGURA 6.4 – Polarização direta da junção E – B

9.3.2. Polarização reversa da junção B – C Polarizando-se reversamente a junção C – B a barreira de potencial aumenta, diminuindo o fluxo de corrente de portadores majoritários, Figura 6.5. Os portadores minoritários atravessam a barreira de potencial com facilidade no sentido contrário, produzindo uma corrente reversa desprezível.

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FIGURA 6.5 – Polarização reversa da junção B – C

Polarizando-se diretamente a junção E – B e reversamente a junção B – C, o fluxo de e- livres na primeira, que antes dirigia-se ao terminal da base, agora, devido a maior atração exercida pelo coletor, dirige-se quase que totalmente para ele, atravessando a outra junção sem encontrar dificuldades, Figura 6.6.

FIGURA 6.6 – Polarização completa do transistor bipolar

Como a base é mais fina e menos dopada, os portadores do emissor saturam a base através de recombinações. Assim, uma pequena parte dos portadores saem pela base e a maioria sai pelo coletor.

9.3.4. Tensões e correntes nos transistores NPN e PNP

Da Figura 6.7, tem-se que: Ö NPN: BCEΙ+Ι=Ι e CBBECEVVV+=; Ö PNP: BCEΙ+Ι=Ι e BCEBECVVV+=.

FIGURA 6.7 – Tensões e correntes nos transistores bipolares Pág. 24/38

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As correntes de portadores minoritários, por serem muito menores que as correntes de portadores majoritários, serão sempre desprezadas.

Aumentado-se a corrente ΙB aumenta o número de recombinações, aumentando-se a corrente ΙC, pois ΙB controla a corrente entre o emissor e o coletor.

Como ΙB << ΙC, uma pequena variação em ΙB (∆iB), Figura 6.8, provoca uma grande variação em ΙC (∆iC). Portanto, verifica-se que ∆iC é um reflexo amplificado de ∆iB.

FIGURA 6.8 – Efeito de amplificação no transistor NPN

Como o transistor possibilita a amplificação de um sinal, ele é chamado de componente ativo.

O efeito de amplificação do transistor é chamado de ganho de corrente (β), sendo expresso pela equação:

Base Comum

Emissor Comum

Coletor Comum

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9.4. Principais características

Característica de entrada: relação entre a corrente e a tensão de entrada, para vários valores constantes da tensão de saída.

Característica de saída: relação entre a corrente e a tensão de saída, para vários valores constantes da corrente de entrada. Estas características, em forma de curva, permitem o cálculo dos resistores de polarização.

9.5. Configuração emissor comum (EC) É a configuração mais utilizada em circuitos transistorizados, Figura 6.9. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos, têm como referência esta configuração.

FIGURA 6.9 – Configuração emissor comum (EC)

Para esta configuração, tem que: Base (B): entrada de corrente; Coletor (C): saída de corrente; Emissor (E): terminal comum às tensões de entrada e saída.

Curva característica de entrada

FIGURA 6.10 – Curva característica de entrada EC

BBECE VtetanconsV ∆Ι→∆∴= ; característica de base; controla-se ΙB, variando-se VBE.

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Gerência Educacional de Eletrotécnica Curva característica de saída

FIGURA 6.1 – Curva característica de saída EC

CCEB Vtetancons ∆Ι→∆∴=Ι ; característica de saída ou de coletor; regiões: Ö corte: 0C≈Ι;

Ö saturação: 0VCE≈; Ö ativa: região entre o corte e a saturação (ΙB é linear).

Ganho de Corrente

B CFEhΙΙ=β=

Como ΙC >> ΙB, β >> 1. Logo, o transistor na configuração EC, funciona como um amplificador de corrente.

Como a inclinação da curva característica de saída varia para cada valor de ΙB, o ganho de corrente não é constante. Os valores típicos de β são de 50 a 900.

9.6. Limites dos transistores

FIGURA 6.12 – Limites do transistor bipolar

Ö tensão máxima de coletor: VCEmax;

Ö corrente máxima de coletor: ΙCmax; Ö potência máxima de coletor: PCmax;

Ö para EC: PCmax = VCEmax x ΙCmax; Ö tensão de ruptura da junções (BV):

BVCBO = tensão de ruptura entre C e B, com E aberto;

BVCEO = tensão de ruptura entre C e E, com B aberto;

BVCES = tensão de ruptura entre C e E, com B em curto.

9.7. Polarização dos transistores bipolares

As principais aplicações dos transistores são na amplificação de sinais e como chave. Para tanto, o transistor deve estar polarizado.

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Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, que esteja dentro de sua região de operação. A polarização também é chamada de polarização DC, pois fixa através de resistores externos, valores de correntes e tensões contínuas no transistor. O ponto de trabalho do transistor é chamado de ponto de operação estática ou ponto quiescente (Q). A escolha do ponto Q é feita em função da aplicação do transistor (regiões de corte, saturação ou ativa.

FIGURA 6.13 – Regiões de trabalho do transistor bipolar

QA: região ativa (grandes variações em ΙB, ΙC e VCE); QB: região de saturação (VCE ≈ 0); QC: região de corte (ΙC ≈ 0).

A reta de carga, Figura 6.14, é o lugar geométrico de todos os pontos quiescentes possíveis, para uma determinada polarização e depende da configuração adotada.. Para determiná-la, necessita-se de apenas dois pontos de operação conhecidos.

FIGURA 6.14 – Reta de carga do transistor bipolar 9.7.3. Circuitos de polarização EC

FIGURA 6.15 – Circuito de polarização EC

Para que transistor trabalhe na região ativa: junção E – B: polarizada diretamente; junção B – C: polarizada reversamente.

Para tanto, utilizam-se duas fontes de alimentação e resistores para limitar as correntes e fixar o ponto Q do circuito.

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Malha de entrada: BC B

Malha de saída: →=+Ι⋅+−0VRVCECCCCCCCCCERVVΙ⋅−= 9.7.4. Circuito de polarização EC com corrente de base constante

FIGURA 6.16 – Circuito de polarização EC com corrente de base constante

RB > RC para garantir a polarização direta da junção E – B e reversa da junção B – C; elimina-se a fonte de alimentação VBB → simplificação.

Malha de entrada: BC B

9.8. Influência da temperatura no comportamento dos transistores O material semicondutor é sensível à temperatura, ou seja, com o aumento da temperatura ocorre a geração de novos portadores.

Nos transistores, a variação de temperatura (∆T) altera o ganho de corrente (β), a tensão baseemissor (VBE) e a corrente de fuga (ΙF).

FIGURA 6.17 – Influência da temperatura no transistor bipolar a variação de VBE com a temperatura é desprezível; a ΙF e o β podem apresentar variações acentuadas;

∆T → ∆β → grande variação em ΙC, sem variação em ΙB ∴ circuito instável.

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FIGURA 6.18 – Variação do ponto Q em função da temperatura o ponto Q do circuito ao lado, deve fixar os valores de ΙCQ e VCEQ; na malha de saída um aumento na temperatura, provoca um aumento de ΙCQ e da queda de tensão em RC (VRC). Como VCC = constante, esse aumento de VRC tem de ser compensado pela diminuição de VCEQ. A diminuição de VCEQ provoca novo aumento de ΙCQ, gerando uma realimentação positiva que provoca a instabilidade do circuito; solução: realimentação negativa, ou seja, colocar em série com o emissor um resistor

9.8.1. Circuito de polarização EC com corrente de emissor constante

FIGURA 6.19 – Circuito de polarização EC com corrente de emissor contante aumentando a temperatura, aumenta ΙC, ΙE,

VRC e VRE, diminuindo VCEQ → realimentação positiva → instabilidade; com o aumento de VRE, diminui VRB (VBE ≈ constante); com a diminuição de VRB, diminui ΙBQ. Assim, ΙCQ diminui compensando seu aumento inicial; o aumento de VRE gera uma realimentação negativa, que garante a estabilidade do circuito e do ponto Q.

Como a realimentação negativa faz ΙCQ voltar ao seu valor original, o mesmo acontece com ΙEQ que mantém-se constante. Por isso, esse circuito de polarização é conhecido por polarização EC com corrente de emissor constante.

BECC BBEBEBBCC R1R

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Gerência Educacional de Eletrotécnica 9.8.2. Circuito de polarização EC com divisor de tensão na base

FIGURA 6.20 – Circuito de polarização EC com divisor de tensão na base este circuito é uma outra forma de solucionar o problema da instabilidade; o circuito é projetado para fixar o valor da tensão no resistor RB2 (VRB2);

VRB2 = VBE + VRE → fixado o valor de VRB2, como VBE ≈ constante, VRE também permanece constante. Assim, garante-se a estabilidade de ΙEQ e ΙCQ, independente da variação de β;

Malha de entrada: C 2B1B

mas: E

(a) Ponto de saturação: VCEsat = 0

Malha de saída: () EC

C CsatCsatECCEsatCC R

(b) Ponto de corte: 0EcorteCcorte=Ι=Ι Malha de saída: ()CCCEcorteCcorteECCEcorteCCVVRRVV=∴Ι⋅++=

A reta de carga do circuito de polarização EC com divisor de tensão na base, é apresentada na Figura 6.21.

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FIGURA 6.21 – Reta de carga do circuito de polarização EC com divisor de tensão na base

9.9. Transistor como chave

O transistor operando na região de saturação e de corte funciona como uma chave, ou seja, como um elemento de controle on – off, Figura 6.2, conduzindo corrente ou não.

FIGURA 6.2 – Analogia transistor bipolar – chave

Para que o transistor comporte-se como uma chave, utiliza-se o circuito de polarização EC com corrente de base constante com duas fontes de alimentação, Figura 6.23.

FIGURA 6.23 – Circuito de polarização para o transistor bipolar operando como chave Para que o transistor trabalhe na região de corte (Q1), figura 6.24:

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Para que o transistor trabalhe na região de saturação (Q2) Figura 6.13: fechadachave0VVV SCsatCBEE →≈∴Ι=Ι→>

Malha de entrada: BC B

O corte do transistor depende apenas da tensão VE, então, para a determinação do ponto de saturação tem-se que:

CsatCCCCEsatBsatCsat

B BEEBsat RVVeR

FIGURA 6.24 – Reta de carga para o transistor bipolar operando como chave

9.10. Reguladores Série Pode-se usar um transistor na configuração coletor comum, para melhorar o desempenho de um regulador zener, Figura 6.25. A tensão zener é a tensão na base do transistor, de modo que a tensão de saída é expressa por:

Esta tensão de saída é fixa. Se a tensão de entrada variar, a tensão zener permanecerá aproximadamente constante e, também, a tensão de saída. Assim, o circuito funciona como um regulador de tensão.

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FIGURA 6.25 – Regulador série

A vantagem deste regulador sobre o regulador zener comum, visto no capítulo 5, é que como a corrente através de RS é dada por:

BZRSΙ+Ι=Ι mas: β Ι=ΙRLB

Esta corrente de base é muito menor que a corrente de carga, podendo-se utilizar um diodo zener com menor capacidade de corrente do que aquele do regulador zener comum.

Para projetar um regulador série, deve-se considerar a potência dissipada no transistor que é dada por:

CCEDVPΙ⋅= onde: EC

Como os terminais C – E do transistor estão em série com a carga, a corrente de carga deve passar através do transistor, que é chamado de transistor de passagem. Devido a sua simplicidade, os reguladores série são amplamente empregados.

A principal desvantagem de um regulador série, é a potência dissipada no transistor de passagem. Desde que a corrente de carga não seja muito grande, o transistor de passagem não aquece demais. Mas, quando a corrente de carga é muito elevada, o transistor de passagem tem que dissipar uma boa quantidade de potência, aumentando a temperatura interna do equipamento. Em alguns casos, pode ser necessário um ventilador para diminuir o calor.

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9.1. Exercícios

Determinar as seguintes quantidades para a configuração da figura 1: ΙB, ΙC, VCE, VB e VC. Resp.: ΙB = 47,08 µA - ΙC = 2,35 mA – VCE = 6,83 V – VB = 0,7 V – VC = 6,83 V

Figura 1

Resp.: ΙB = 40,1 µA - ΙC =ΙE = 2,01 mA – VCE = 13,97 V – VB = 2,71 V – VC = 15,98 V –VE

Para o circuito da figura 2, determinar: ΙB, ΙC, ΙE ,VCE, VB, VC e VE. = 2,01 V

Figura 2

Determinar o ponto Quiescente (Q) e a reta de carga para a configuração da figura 3. Resp.: VCEQ = 12,2 V - ΙCQ = 0,85 mA - ΙCsat = 1,91 mA – VCEcorte = 2 V

Figura 3 Pág. 35/38

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Determinar VC e VB para o circuito da figura 4. Resp.: VC = - 4,48 V – VB = - 8,3 V

Figura 4

Determinar VC e VB para o circuito da figura 5. Resp.: VC = 8,53 V – VB = - 1,59 V

Figura 5

Para o circuito da figura 6, determinar: ΙC, RC, RB e VCE. Resp.: ΙC = 3,2 mA – RC = 1,87 kΩ - RB = 282,5 kΩ - VCE = 6 V

Figura 6 Pág. 36/38

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Para o circuito da figura 7, determinar: ΙC, VCC, β e RB. Resp.: ΙC = 3,98 mA – VCC = 15,96 V - β = 199 – RB = 763 kΩ

Figura 7

Para o circuito da figura 8, determinar: ΙBQ, ΙCQ, VCEQ, VC, VB e VE.

Resp.: ΙBQ = 29,24 µA - ΙCQ = 2,92 mA - VCEQ = 8,59 V - VC = 12,9 V - VB = 5,08 V – VE = 4,38 V

Figura 8

Para o circuito da figura 9, determinar: RC, RE, RB, VCE e VB. Resp.: RC = 4,7 kΩ - RE = 1,2 kΩ - RB = 356 kΩ - VCE = 0,2 V – VB = 3,1 V

Figura 9 Pág. 37/38

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Para o circuito da figura 10, determinar: ΙBQ, ΙCQ, VCEQ, VC, VB e VE.

Resp.: ΙBQ = 24,78 µA - ΙCQ = 1,98 mA - VCEQ = 6,9 V - VC = 8,28 V - VB = 2,05 V - VE = 1,35 V

Figura 10

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