Eletroeletrônica Avançada

Eletroeletrônica Avançada

(Parte 1 de 4)

Apostila dos alunos do 2º eletroeletrônica e 2º Módulo eletroeletrônico.

Experimentos com: Diodo, Transistores, Circuitos Lógicos, Tiristores entre outros.

EXPERIMENTO 01 POLARIZAÇÃO DE SEMICONDUTORES (DIODO SINAL, RETIFICADOR,ETC) 3 EXPERIMENTO 02 CIRCUITOS RETIFICADORES 7 EXPERIMENTO 03 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTOR 10 EXPERIMENTO 04 FLIP-FLOP RS 14 EXPERIMENTO 05 CIRCUITOS COM 5 16 EXPERIMENTO 06 CONTADOR DE DÉCADA 20 EXPERIMENTO 07 SCR EM CORRENTE CONTÍNUA 2 EXPERIMENTO 08 CONTROLE DE FASE POR SCR 24 EXPERIMENTO 09 TRIAC – CONTROLE DE POTÊNCIA 27 APÊNDICE 1 – CIRCUITOS INTEGRADOS MAIS UTILIZADOS 29 APÊNDICE 2 – AMPLIFICADOR OPERACIONAL 30 BIBLIOGRÁFIA 40

01 DIODO

OBJETIVOS: – Verificar experimentalmente o funcionamento do Diodo;

– Verificar experimentalmente o funcionamento do LED;

– Verificar experimentalmente o comportamento do Zener.

Diodo O diodo é um componente semicondutor de dois terminais anodo (A) e catodo (K), formado por uma junção PN, onde o seu nome é originado da junção das palavras duplas (di) com eletrodo, isto é um dispositivo formado por dois eletrodos. O terminal do cristal tipo P, no qual se formam os ânions, é o anodo (ânion + eletrodo), e o terminal do cristal tipo N, no qual se formam os cátions, é o catodo (cátion + eletrodo). Os diodos normalmente são construídos de germânio ou de silício onde a polarização de um diodo de germânio é a partir de 0,3V e um de silício é a partir de 0,6V o que isto significa que o diodo só permite a passagem da corrente elétrica quando atingir a tensão de polarização. O diodo mais utilizado é o de silício. Polarização Direta – Quando o diodo é alimentado positivamente no anodo e negativamente pelo catodo e a tensão de alimentação do circuito é maior ou igual à tensão de polarização do mesmo (0,6V para diodo de silício), faz com a resistência do componente diminua, aumentando assim o fluxo de corrente no circuito. Polarização Reversa – Quando o diodo é alimentado positivamente no catodo e negativamente no anodo, o componente se comporta como uma chave aberta, que na realidade, existe uma corrente reversa que é desprezível em relação à corrente direta, portanto quando polarizamos um diodo reversamente ele assumirá a tensão de alimentação que indicamos de tensão reversa que ao utilizarmos um diodo devemos consultar a tabela do componente para sabermos qual é a tensão reversa máxima que podemos aplicar em um diodo. Símbolo Elétrico

Portanto podemos concluir que o diodo é um componente que quando polarizado diretamente ele conduz a corrente elétrica e que o diodo também não é um componente linear como um resistor

Diodo Zener O diodo zener é um componente semicondutor que tem quase as mesmas características de um diodo normal, A diferença está na forma como ele se comporta polarizado reversamente. No diodo normal, quando ele está polarizado reversamente, se a tensão reversa é muito grande, os portadores minoritários são acelerados pelo campo elétrico até atingirem uma velocidade tão alta que, colidindo com outros causam energia suficiente para gerar nos pares de elétron-lacuna, este fenômeno é denominado de efeito avalanche ou efeito zener. O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suporta o efeito avalanche. Assim na qual este efeito ocorre é denominada tensão de zener (VZ) e pode variar em função do tamanho do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente, são encontrados diodos zener com VZ de 2V até 200V.

O diodo zener tem a capacidade de manter constante a tensão de VZ quando a corrente de operação (reversa) fica entre IZm (Corrente zener mínima) e IZM (corrente zener máxima). Nesta região o diodo zener dissipa uma potência PZ que pode ser calculada por:

PZ = VZ x IZ

Um diodo zener é especificado de acordo com a tensão de VZ e sua potência máxima suportada. Ex.: 5,6V/1W

Normalmente usamos diodo zener para estabilizar tensão de saída de fontes de alimentação no qual estudaremos mais adiante.

LED O LED é um tipo especial de diodo, pois emite luz quando polarizado diretamente. Por isso, ele é classificado como um dispositivo optoeletrônico. Neste experimento o LED será analisado com o objetivo de ser utilizado na sua aplicação mais básica que é a de indicador luminoso. O nome LED é a sigla de light emitting diode, que significa diodo emissor de luz. Trata-se de um dispositivo optoeletrônico, cuja principal característica é a conversão de sinal elétrico em óptico. Na polarização direta, quando os elétrons do lado N cruzam a junção, eles se recombinam com as lacunas do lado P. A recombinação produz uma irradiação de energia. Nos diodos comuns, a energia irradiada é a térmica, produzindo calor. Nos LED’s, a energia irradiada é na forma de onda eletromagnética, produzindo luz. A irradiação da energia luminosa é possível pela utilização de elementos como o gálio (Ga), arsênico (As) e o fósforo (P) na fabricação da junção PN. Os principais LED’s de luz visível são feitos a partir de GaAs acrescidos de fósforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luzes vermelha, laranja, amarela, verde ou azul e são muito utilizados como sinalizadores em instrumentos eletrônicos ou na fabricação de display’s (indicadores numéricos de sete segmentos onde cada segmento é um LED). Os LED’s têm as mesmas características dos diodos comuns, ou seja, só conduzem quando polarizados diretamente com tensão maior ou igual à tensão de polarização. Comercialmente, eles trabalham normalmente com correntes na faixa de 10mA à 50mA e tensões na faixa de 1,5V a 2,5V. Todo LED por segurança deve sempre vir acompanhado por um resistor limitador de corrente que tem a finalidade de garantir que a corrente do LED não seja ultrapassada.

Qtde. Descrição Especificação 1 Fonte de Alimentação FCC3005 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Diodo Retificador 1N4007 1 Diodo Zener 1N4742 1 LED Vermelho

1 Resistor 3Ω / ½W 1 Resistor 100Ω / 5W

1 Resistor 270Ω / ½W 1 Resistor 470Ω / ½W 1 Resistor 1KΩ / ½W

CIRCUITOS PROCEDIMENTOS MEDIDAS E ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito 1.

CPMA2 – Conectar o multímetro como amperímetro para medir a corrente de circuito e o multímetro analógico para medir a tensão do diodo e ajuste a fonte para os valores pedidos na tabela

Tensão da Fonte Tensão no Diodo

VD Corrente no Diodo

ID Resistência do Diodo RD

0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0

CPMA3 – A resistência do diodo foi _ conforme a tensão de alimentação foi aumentando. Completar a frase com a alternativa correta: Aumentando Diminuindo

CPMA4 – Montar o circuito 2 (Desligar a fonte e inverter a posição do diodo)

CPMA5 – Para cada valor de tensão listado, medir e anotar na tabela abaixo a tensão e a corrente do diodo mostrada pelos multímetros.

Tensão da Fonte Tensão no Diodo

VD Corrente no Diodo ID

CPMA6 – Um diodo age como uma resistência de alto valor quando: Está diretamente polarizado Está reversamente polarizado

CPMA7 – Montar o circuito 3 (Antes determinando qual é a tensão da fonte para o circuito sabendo que a corrente no LED é de 20mA e a tensão é de 2V) e verifique o funcionamento do LED.

CPMA8 – Calcular o resistor para um LED vermelho de 5mm sabendo que a tensão de alimentação é de 15V.

550Ω 600Ω 650Ω 700Ω

CPMA9 – Montar o circuito 4

CPMA10 – Medir a tensão no resistor limitador, tensão do zener, tensão da carga, corrente do resistor limitador, corrente do zener e corrente da carga para os valores de resistores de carga relacionados na tabela ao lado:

Medidas Resistor de

1kΩ
470Ω
3Ω

Carga (RL) VRS VZ OU VRL IRS IZ IRL 6

02 RETIFICADOR ONDA COMPLETA

- Conhecer a características do diodo retificador; - Analisar o comportamento dos componentes do retificador de onda completa; - Verificar a atuação do filtro capacitivo na transformação de tensão pulsante para tensão contínua.

Circuitos Retificadores A geração e distribuição de energia elétrica são feitas na forma de tensões senoidais, porém muitos aparelhos eletrônicos são alimentados por tensões contínuas. Sendo assim, necessitam de circuitos que transformam tensões alternadas em tensões contínuas. Estes circuitos são chamados de retificadores. Porém a tensão alternada na entrada de um circuito retificador deve ser adequada ao padrão de tensão, ou seja, a tensão da rede elétrica, antes de ser ligada ao retificar, precisa de reduzida, trabalho este realizado pelo transformador. Ainda, após o retificador, é necessário eliminar as variações da tensão contínua para que a mesma se torne constante, o que é feito através de filtros ou circuitos reguladores de tensão. A este conjunto de circuitos dá-se o nome de fonte de tensão ou fonte de alimentação.

Vejamos a seguir um diagrama de blocos de um retificador:

Transformação Retificação Filtração DC AC

Transformação – Componente responsável transformador, tem a finalidade de rebaixar a tensão deixando num valor apropriado para ser retificada. Retificação – Componente responsável diodo, tem a finalidade de transformar a tensão rebaixada e alternada do transformador em contínua pulsante. Filtração – Componente responsável Capacitor, tem a finalidade de fazer com que a tensão contínua pulsante se torne em contínua constante podendo chegar num percentual de 90% de tensão contínua pura. Existem dois tipos de retificadores que são: Retificador de Meia Onda Retificador de Onda Completa

Retificador de Meia Onda O mais simples dos retificadores é o retificador de meia onda. A sua constituição básica é um diodo em série com uma carga RL.

Retificador de Onda Completa com Derivação Central

O retificador de onda completa faz com que tanto o semiciclo positivo quanto o negativo caiam sobre a carga sempre com a mesma polaridade.

Filtro Capacitivo Para que a fonte de alimentação esteja completa, falta ainda fazer a filtragem do sinal retificado e a utilização do filtro capacitivo é muito comum nas fontes que não necessitam de boa regulação. No intervalo entre um ciclo e outro a descarga do capacitor faz com que apareçam pequenas ondulações que são denominadas Ripple. Porém mesmo com o ripple a filtragem tem a capacidade de aumentar o valor da tensão de saída da fonte deixando a bem próxima da tensão do secundário do transformador.

Qtde. Descrição Especificação 1 Osciloscópio 40MHz 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Transformador 110/220V 12 + 12 1A 2 Diodo Família 1N4000

1 Capacitor Eletrolítico 470µF/25V 1 Resistor 470Ω / 5W

CIRCUITOS PROCEDIMENTOS MEDIDAS E ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito 1

CPMA2 – Colocar o canal 1 do osciloscópio no secundário do transformador e o canal 2 na carga RL.

Canal 1 – SecundárioCanal 2 – Sinal Retificado

CPMA3 – Com a chave S1 desligada Desenhar nos quadros abaixo as formas de onda encontradas no canal 1 e no canal 2, Ligar a chave S1 e sobreponha sobre o desenho do canal 2 o sinal do capacitor.

CPMA 4 – Realizar as medidas abaixo com o osciloscópio e chave desligada

Tensão de pico no secundário Tensão de pico na carga Período da carga

CPMA5 – Realizar as medidas abaixo com o multímetro e chave desligada

Tensão de eficaz no secundário Tensão na carga Corrente na carga

CPMA6 – Realizar as medidas abaixo com o multímetro e chave ligada

Tensão na carga Corrente na carga

CPMA7 – Comprovando a teoria temos que a tensão na saída ou na carga é a razão entre o valor da tensão de pico na carga medido no item 8 pelo valor da constante π. Então:

2 x VPMAX VCARGA = π VCARGA = VCARGA =

CPMA8 – A tensão do secundário do transformador é:

Contínua Alternada

03 TRANSISTOR

OBJETIVOS: - Verificar experimentalmente o transistor trabalhando com chave analógica; - Conhecer os estados de funcionamentos;

- Calcular os ganho de corrente;

- Características de projetos usando transistor

Histórico A eletrônica marca registrada desde o século X, teve seu maior desenvolvimento a partir de 1904 com o cientista John Ambrose Fleming da University College, em Londres, com a criação da primeira válvula diodo. Essa válvula é formada por duas placas denominada anodo e catodo, e por um filamento, cuja função é aquecer o catodo para produzir uma nuvem de elétrons que, em movimento, constitui-se na corrente elétrica. A propriedade principal da válvula diodo é permitir a condução da corrente elétrica em um único sentido, tal como um diodo semicondutor. Dois anos depois em 1906 o cientista DeForest acrescentou uma grade ao redor do anodo, criando a válvula triodo. A função da grade é controlar o fluxo de elétrons que segue internamente do catodo ao anodo, possibilitando o efeito de amplificação de sinais variáveis. Foi quando a eletrônica realmente engrenou produzindo as válvulas com melhor qualidade (tetrodo e pentodo) diversos tipos de equipamentos começaram a ser projetados, como os transmissores e receptores de rádio e televisão, amplificadores de áudio, radares e os primeiros computadores, ainda na década de 40. Exatamente nesta época começaram os estudos sobre os semicondutores e puderam desenvolver com base já nas teorias quânticas e atômicas. O diodo semicondutor, feito à base de germânio, já tinha sido criado no inicio da década de 40, substituindo a válvula diodo. A principal tarefa foi criar um dispositivo que pudesse controlar corrente entre dois pólos e em ambos os sentidos, podendo a corrente ser controlada por um terminal a mais. Esse dispositivo só foi criado em 1947, nos laboratórios da Bell Telephones (EUA) por Walter Bratain e John Bardeen. Ele foi denominado de transistor, com propriedades similares às das válvulas triodos, tetrodos e pentodos, com a vantagem de consumir bem menos energia.

Transistor Bipolar O principio do transistor é também de poder 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.Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transistor. As extremidades são chamadas de emissor, e coletor, e a camada central dos transistores chamada de base.

Efeito Amplificação Analisando o fenômeno que ocorre com a polarização completa do transistor NPN sob o aspecto da variação das correntes, tem-se o seguinte:

- Um aumento na corrente de base iB provoca um número maior de recombinações, aumentando a corrente de coletor iC. Da mesma forma a diminuição na corrente de coletor. Isto significa que a corrente de base controla a corrente entre emissor e coletor. - A corrente de base, sendo bem menor que a corrente de coletor, faz com que uma pequena variação ∆iB provoque um grande variação ∆iC. Isto significa que a variação da corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente da base.

- O fato de o transistor possibilitar a amplificação e um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. Esse efeito amplificação, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação da corrente de coletor ∆iC e a variação da corrente ∆iB, isto é:

∆iC Ganho de Corrente =∆iB

Este efeito de amplificação ocorre também no PNP, só que as correntes fluem no sentido contrário. As características de saída, ou de coletor, pode ser dividida em três regiões distintas, pois cada transistor tem um comportamento especifico. Região de Corte – Dizemos que um transistor está em corte quando as duas junções PN estão polarizadas reversamente, ou seja, a corrente de coletor é praticamente nula, nesta condição é como se o transistor estivesse sido desconectado. Região de Saturação – Dizemos que um transistor está saturado quando as duas junções

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