Baixe semi condutores e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Hídrica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 73 CAPÍTULO IV MATERIAIS SEMICONDUTORES Um dos triunfos das teorias cinética e atômica é sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades físicas da matéria, explicando, por exemplo, por que alguns materiais são bons condutores de calor, enquanto outros não o são. Existe uma classe intermediária de substâncias, chamadas semicondutores, que possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Desta forma, são melhores condutores do que os isolantes de eletricidade, mas não tão bons condutores como o cobre. Tais materiais se mostram extremamente úteis para a eletrônica. Em comparação com os metais e com os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas. Um semicondutor puro como o elemento silício apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; porém se pequenas quantidades de impurezas são incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente. O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, da forma como age um diodo. A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido. Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor Para uma correta compreensão do funcionamento destes materiais, faz-se necessário recordar alguns conceitos já vistos. 4.1 Níveis de Energia A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos. Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron. Conforme a Teoria Quântica os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isso não é perceptível porque os valores são muito pequenos, mas, os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos. Assim, a energia total que o elétron pode ter é UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 74 definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete podendo ser representados pelos números 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 ou pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Para os 113 elementos químicos conhecidos, segundo o princípio de exclusão de Pauli, o número máximo de elétrons em cada nível é 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4, respectivamente, conforme representado na figura seguinte. 2n2 onde n é o número do nível. Assim, o nível 1 poderá possuir no máximo 2 elétrons, o nível 2 poderá ter no máximo 8 e assim sucessivamente. É regra geral na natureza a estabilização na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para o maior e um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo. Em cada camada ou nível de energia, os elétrons se distribuem em subcamadas ou subníveis, representados pelas letras s, p, d, f, em ordem crescente de energia. O número máximo de elétrons de cada subnível também foi determinado experimentalmente: Subnível S p d f Número máximo de elétrons 2 6 10 14 O número de subníveis que constituem cada nível de energia depende do número máximo de elétrons que cabem em cada nível. Assim, como no primeiro nível cabem no máximo 2 elétrons este nível apresenta apenas um subnível s, no qual cabem os dois elétrons. O subnível s do primeiro nível de energia é representado por 1s. Como no segundo nível cabem no máximo 8 elétrons, o segundo nível é constituído de um subnível s, no qual ficam 2 elétrons, e um subnível p, com no máximo 6 elétrons. Deste modo o segundo nível e formado por dois subníveis representados por 2s 2p, e assim por diante. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 77 Existem, ainda, os semicondutores III-V que são formados por um elemento trivalente, o GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo (areia). 4.5 Condução Elétrica nos Semicondutores Num determinado instante quando recebe um acréscimo de energia e sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo, conforme apresenta a figura seguinte: No instante seguinte, verifica-se que a lacuna também se move. Porém, a movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. Num material condutor o movimento das lacunas é desprezível. 4.6 Semicondutores do Tipo N e P No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa. O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme ilustrado na figura abaixo. Representação Plana do Átomo de Silício UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 78 Para a maioria das aplicações não há elétrons livres suficientes num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente elétrica utilizável. Portanto, para se obter esta corrente foram criados os semicondutores do tipo N e P. Quando certas substâncias, denominadas impurezas, são adicionadas, as propriedades elétricas são radicalmente modificadas. Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for adicionado e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução conforme mostra a figura seguinte. O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo N. Nota-se que o material continua eletricamente neutro, pois os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda, de forma a permitir a condução. Agora imagine a situação inversa, conforme ilustrado abaixo: uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada. Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco (lacuna) positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo P, devido à carga positiva dos portadores (buracos). O processo de introduzir átomos de impurezas num cristal de silício, de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto de lacunas, chama-se dopagem. Quando um cristal de silício foi dopado, ele passa a ser chamado de semicondutor extrínseco. 4.7 Aplicações 4.7.1 Diodo Semicondutor A união física de um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N forma uma junção PN, mostrada na figura ao lado. Esta junção PN recebe o nome de diodo semicondutor. Um diodo é composto por uma seção de material tipo-N ligado a uma seção de material tipo-P, com eletrodos em cada extremidade. Essa combinação conduz UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 79 eletricidade apenas em um sentido. Na formação da junção PN ocorre o processo de recombinação, no qual os elétrons do lado N, mais próximos da junção, migram para o lado P. Este processo ocorre até que haja o equilíbrio eletrônico e a estabilidade química, ou seja, 4 ligações covalentes em cada átomo. Durante o processo de recombinação forma-se, próximo à junção, a camada de depleção. Ao final deste processo, a camada de depleção fica ionizada formando a barreira de potencial (Vγ) ou zona vazia. Isto ocorre quando nenhuma diferença de potencial é aplicada ao diodo, ou seja, os elétrons do material tipo-N preenchem os buracos do material tipo-P ao longo da junção entre as camadas. Em uma zona vazia, o material semicondutor volta ao seu estado isolante original - todos os buracos estão preenchidos, de modo que não haja elétrons livres ou espaços vazios para elétrons, e assim a carga não pode fluir. Na junção, elétrons livres do material tipo-N preenchem buracos do material tipo-P. Isto cria uma camada isolante no meio do diodo, chamada de zona vazia. Para se livrar da zona vazia, é necessário que os elétrons se movam da área tipo-N para a área tipo-P e que buracos se movam no sentido inverso. Para fazer isto, conecta-se o lado tipo-N do diodo ao terminal negativo do circuito e o lado tipo-P ao terminal positivo. Desta forma, os elétrons livres no material tipo-N são repelidos pelo eletrodo negativo e atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos no material tipo-P se movem no sentido contrário. Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é alta o suficiente, os elétrons na zona vazia são retirados de seus buracos e começam a se mover livremente de novo. A zona vazia desaparece e a carga se move através do diodo. A figura a seguir ilustra este processo. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 82 DIODO EMISSOR DE LUZ - LED O LED (Light Emitting Diode) é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é produzida pelas interações energéticas do elétron através de um processo chamado eletroluminescência. A recombinação de lacuna e elétron exige que a energia possuída pelo elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. No silício e no germânio, elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido a opacidade do material), e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável. Já em outros materiais, como o arsenieto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes. Em geral, os LEDS operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim, os LEDS infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5V, os vermelhos com 1,7V, os amarelos com 1,7V ou 2.0V, os verdes entre 2.0V e 3.0V, enquanto os LEDS azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil de 100.000 horas, ou mais. Enquanto todos os diodos liberam luz, a maioria não o faz muito eficientemente. Em um diodo comum, o próprio material semicondutor termina absorvendo parte da energia da luz. Os LEDs são fabricados especialmente para liberar um grande número de fótons para fora. Além disso, eles são montados em bulbos de plásticos que concentram a luz em uma direção específica. Como pode ser visto na figura ao lado, a maior parte da luz do diodo ricocheteia pelas laterais do bulbo, viajando na direção da ponta redonda. Os LEDs têm muitas vantagens sobre lâmpadas incandescentes convencionais. Uma delas é que eles não têm um filamento que se queime e então durarão muito mais tempo. Além disso, seus pequenos bulbos de plástico os tornam muito mais duráveis. Eles também cabem mais facilmente nos modernos circuitos eletrônicos. OLEDS (Organic Light-Emitting Diode ou Diodo Orgânico Emissor de Luz) Uma tecnologia um pouco mais recente começa a chamar a atenção da indústria. Chamada OLED (Organic Light-Emitting Diode ou Diodo Orgânico Emissor de Luz) esta tecnologia promete suprir os grandes problemas atuais dos dispositivos de vídeo a um custo aceitável para o mercado de produtos de consumo. O OLED tem basicamente a mesma estrutura dos LEDs mas diferem no tipo de material utilizado, apresentando em sua construção substâncias eletroluminescentes compostas de UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 83 Carbono que, ao serem excitadas por uma corrente elétrica, emitem luz em uma freqüência determinada por sua composição química. Em outras palavras, são células de diodo impressas na tela que são polarizadas de acordo com a imagem. Painéis de vídeo compostos por OLEDs podem ser extremamente finos (como uma folha de papel) e flexíveis (executados em materiais plásticos, como polímeros). Essa possibilidade surge do fato de que as substâncias químicas que compõe o OLED podem ser impressas em um filme plástico (como um documento é impresso em papel) para marcar os pixels. Ao colar outro filme plástico sobre a impressão cria-se pequenas capsulas que aprisionam cada pixel. A aplicação de eletrodos minúsculos à cada célula permite que se leve à ela a corrente elétrica necessária para excitar cada uma das cores primárias que irão compor as imagens. Esta técnica permite a construção de monitores muito pequenos ou grandes, resistentes à água devido à sua natureza plástica, e flexíveis ou até mesmo dobráveis. As primeiras aplicações de monitores OLED ocorreram em dispositivos móveis, como celulares, PDAs e até mesmo notebooks; onde a pequena espessura e o baixo peso da tela são mais importantes que outros fatores. Entretanto o preço de produção de monitores com essa tecnologia tem caído bastante e hoje já é possível construir telas OLED mais baratas e tão duráveis quanto telas LCD equivalentes. Além da simplicidade construtiva e das vantagens físicas os monitores OLED ainda superam seus rivais em vários aspectos técnicos. Monitores OLED são capazes de criar a cor preta, gerando o chamado “real black” e conseguem taxas de contraste 10 vezes maiores que monitores LCD produzidos atualmente. Não são susceptíveis ao efeito burn-out que agride monitores CRT e Plasma, situação onde a exibição prolongada de uma mesma imagem marca a tela de forma definitiva, fato ocorrido na maioria das telas de Plasma produzidas hoje em dia. Ainda que uma nova tecnologia de Plasma tenha sido desenvolvida para evitar o burn-out ela resulta em telas mais caras, razão que levou muitos fabricantes à ignorá-la. A rigor, ao comprar uma tela de Plasma, dificilmente será possível saber se aquele modelo específico é resistente ou não ao efeito danoso. Isso pode levar à desagradável situação de se observar, por exemplo, um pequeno símbolo da emissora no canto inferior direito da tela durante uma reprodução de DVD. Além disto, o OLED dispensa iluminação de background, necessária nos LCDs, o que o torna a tecnologia mais econômica em termos de consumo de energia disponível atualmente. Ademais é uma excelente solução para dispositivos que operam com baterias já que atualmente a economia de energia é uma preocupação global. O OLED é capaz de reproduzir cores tão bem quanto o Plasma e apresentar um tempo de resposta muito menor que o do LCD. Tempo de resposta é o tempo que um pixel leva para acender, atingir a cor ideal e então apagar voltando ao estado de negro. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 84 Entretanto alguns fatores continuam a atrasar a adoção em massa da nova tecnologia. Mesmo tendo custos de produção mais baixos que outras técnicas o OLED é relativamente recente. Muitas empresas que desenvolveram partes importantes da tecnologia, ainda cobram valores excessivamente altos pelas patentes e licenças de produção em busca de ressarcirem seus gastos em pesquisa e desenvolvimento. Além disso, os altos gastos na implementação das tecnologias atuais ainda não foram completamente amortizados. Muitos fabricantes não desejam tirar seus monitores LCD e Plasma de linha por entenderem que ainda há muito comércio com esses produtos antes que uma nova tecnologia possa ser levada ao mercado de massa. Entretanto a queda significativa nos preços dos monitores LCD e Plasma verificada em todos os mercados é uma mostra de que, assim que essas tecnologias tornem-se o padrão, estará aberto o caminho para que outra possa ser implementada. Mas o OLED ainda tem alguns detalhes a resolver antes que seja a tecnologia usada nas próximas gerações de televisores: A fragilidade dos filmes plásticos, que se rompidos inutilizam o monitor; A durabilidade dos compostos, especialmente os que reproduzem freqüências azuis. Entretanto parece claro que é o OLED a tecnologia que irá assumir o lugar do LCD e do Plasma no futuro, por unir as qualidades de ambos e ainda apresentar características que nenhuma delas pode reproduzir. A figura a seguir mostra a estrutura de um OLED. 4.7.2 Transistor de Junção Bipolar Uma combinação de tipos diferentes de semicondutores compõe o transistor, um dispositivo que pode ser empregado como uma válvula de triodo, substituindo-a em amplificadores e outros circuitos eletrônicos. E, admiravelmente, ao contrário da válvula, o UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 87 No transistor de junção PNP, os tipos de semicondutores são invertidos em relação ao NPN (coletor e emissor são semicondutores tipo P e base é tipo N). A operação é similar, com inversão dos portadores de cargas e tensões de polarização de sinais contrários aos da figura anterior (a) e símbolo conforme (b) da mesma figura. 4.7.3 Transistor de Unijunção Os transistores de unijunção ou UJT (Unijunction Transistor) podem ser utilizados em osciladores de baixa freqüência, disparadores, estabilizadores, geradores de sinais dente de serra e em sistemas temporizados. Basicamente o transistor de unijunção é constituído por uma barra de material semicondutor do tipo N (de alta resistividade) com dois contatos B1 e B2 extremos. Tais contactos não constituem junções semicondutoras, e assim, entre B2 (base 2) e B1 (base 1) temos, na prática uma resistência, formada pelo material semicondutor N. O material do tipo P como material do tipo N formam a única junção PN semicondutora interna. Na altura da junção P haverá uma tensão na barra que dependerá da sua resistência ôhmica e de Vb. Enquanto Ve for menor que essa tensão, a junção do emissor estará inversamente polarizada e, portanto, a corrente será nula. Se Ve aumenta de forma que a junção fique diretamente polarizada, haverá um fluxo de portadores entre o emissor e base B1 e a corrente aumenta mesmo que Ve diminua. Isto dá ao dispositivo uma característica de resistência negativa, conforme indicado no gráfico da figura ao lado. Tudo se passa como se o bloco do tipo N fosse formado por duas simples resistências (Rb2 e Rb1), em série, tendo ligado no seu ponto central um diodo (terminal E ou Emissor). O terminal do emissor (E) está mais próximo da base 2 (B2), conforme o circuito equivalente apresentado ao lado. Princípio de Funcionamento: O valor resistivo normal entre os terminais da base 2 e 1 é relativamente alto (tipicamente entre 4 KΩ e 12 KΩ). Assim, se ligarmos o terminal B2 a um potencial positivo (tipicamente entre 6 e 30 Volt), e o terminal B1 ao negativo, uma corrente muito pequena circulará por Rb2 e Rb1. Ao mesmo tempo, Rb2 e Rb1 formam um divisor de tensão, em cujo ponto intermédio surge uma tensão menor, porém proporcional àquela que foi aplicada a B2. Suponhamos que Rb2 e Rb1 têm valores iguais, de 5 KΩ cada um. Assim, se aplicarmos (com a + 6 a 30 Volt _ + UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 88 polaridade indicada) 10 Volt entre B2 e B1, o “cátodo” do “diodo” do emissor terá uma tensão de 5 Volts. Ao aplicarmos, então, uma tensão de entrada no emissor (E) do UJT, esta terá que, inicialmente vencer a barreira de potencial intrínseca da junção PN (0,6V) e, em seguida, superar a própria tensão que polariza o “cátodo” (5 Volts no exemplo). Nesse caso, enquanto a tensão aplicada ao terminal do emissor (E) não atingir 5,6 Volts (0,6V + 5V) não haverá passagem de corrente pelo emissor através de Rb1 para a linha de negativo da alimentação. Mantendo-se, no exemplo, uma tensão de emissor igual ou maior do que 5,6 Volts haverá a passagem de uma corrente; já qualquer tensão inferior (a 5,6V) será incapaz de originar passagem da corrente elétrica pelo emissor (E) e por Rb1. Portanto, enquanto os 5,6V não forem atingidos, a corrente será nula, como através de um interruptor aberto. Alcançando os 5,6V, tudo se passa como se o interruptor estivesse fechado e, assim, a corrente que circulará estará limitada unicamente pelo valor resistivo intrínseco de Rb1. Como a transição de corrente nula para corrente total, entre emissor (E) e base 1 (B1), se dá sempre de forma abrupta (quando a tensão de emissor chega à tensão/limite de disparo), podemos considerar o UJT como um simples interruptor acionado por tensão. 4.7.4 Transistor de Efeito de Campo Os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo distinguem-se pela sua estrutura e princípio de funcionamento; há, no entanto, uma diferença que determina a sua utilização: O transistor bipolar é comandado por corrente, enquanto o de efeito de campo é comandado por tensão. Um transistor de efeito de campo (FET - Junction Field Efect Transistor) pode ser de dois tipos: a) J-FET O J-FET canal N é constituído basicamente por uma junção PN, sendo ambos os extremos da região N dotada de terminais (Dreno e Fonte), formando a região P (Gate ou porta) um anel em volta da região N. Se ligarmos uma bateria entre os terminais da região N circulará uma corrente limitada apenas pela resistência do material semicondutor. Porém, se polarizarmos inversamente a junção PN (Gate negativa em relação à Fonte), formar-se-á uma zona de depleção em volta da junção PN. Devido a esse fato, ficará mais estreito o canal o que equivale a um aumento da resistência interna da região N. Zona de deplecção VDS VGS NOTA: Para o J-Fet canal P devemos inverter a polaridade das tensões aplicadas aos terminais. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 89 Através da Gate podemos determinar o maior ou menor fluxo de corrente entre os terminais Fonte e Dreno. Fixando o valor da tensão dreno-fonte (VDS), a corrente de dreno (ID) será função da polarização inversa do Gate que variará a espessura do canal por variação da zona de depleção. Princípio de Funcionamento: Para o FET funcionar, o Gate deve ser inversamente polarizado (no J-FET canal N: Gate negativo em relação à Fonte, no J-FET canal P: gate positivo em relação à Fonte), o Dreno (D) é positivo em relação à Fonte (S). A corrente dreno-fonte (IDS) ou simplesmente corrente de dreno (ID) é inversamente proporcional à tensão gate-fonte (VGS), conhecida por tensão de gate (VG). Assim se: VG ↑ ⇒ ID ↓ (isto porque a zona de depleção vai aumentar e o canal vai estreitar o que provoca um aumento de resistência e consequentemente uma diminuição da corrente) Mantendo-se constante VDS e fazendo variar VG, ID sofrerá uma certa variação e a relação ∆ID/∆VG dá-nos a transcondutância em Siemens do FET, representada por Gm. Considerando ID como saída e VGS como entrada, o J-FET surge como uma fonte de corrente controlada por tensão. b) MOS-FET Os transistores de gate isolada (Mos-FET ou Ig-FET) recebem esse nome em virtude da gate ser uma película metálica (de alumínio) isolada eletricamente do canal (semicondutor) através de uma finíssima camada de óxido de silício. Um efeito semelhante ao anterior pode ser obtido com a porta totalmente isolada do canal. Este dispositivo, que usa uma camada de óxido para a isolação da porta, é denominado MOS-FET. Deve-se evitar tocar com as mãos nos terminais dos FET já que todos eles, mas especialmente os de tecnologia MOS, são sensíveis a cargas elétricas estáticas, que podem danificar permanentemente a sua estrutura interna. A sua resistência de entrada é muito elevada (da ordem dos 1015 Ω). Tipos de MOS-FET: 1. de empobrecimento ou depleção Tal como no J-FET um dos extremos do canal é a Fonte, e o outro o Dreno; e sobre o canal existe uma delicada capa de óxido de silício (SiO2) sobre a qual é aplicada uma camada de alumínio (Al) para formar a Porta ou Gate. VDS RD RS RG IDS J-Fet canal N UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 92 a) NTC (Negative Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. Podem ser usados como sensores de temperatura em diversas aplicações com limitador de picos de corrente (Inrush Current Limiting Devices), por exemplo. b) PTC (Positive Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Geralmente são usados como fusíveis “resetáveis”, elementos de aquecimento, sensores de temperatura. Conforme a curva característica do termistor, o seu valor de resistência pode diminuir ou aumentar em maior ou menor grau em uma determinada faixa de temperatura. Assim alguns podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação, no caso a nível industrial, é a medição de temperatura (em motores, por exemplo), pois o termistor possibilita a obtenção da variação de uma grandeza elétrica em função da temperatura em que este se encontra. A combinação de sensibilidade, estabilidade e precisão faz do termistor a melhor relação custo x benefício dentre todas as tecnologias para medição de temperatura. É aplicado em: ar condicionado refrigeradores e freezers desumidificadores aquecedores de hidromassagem equipamentos terapêuticos chocadeiras ar condicionado automotivo cafeteiras fornos/autoclave fritadeiras chuveiros odontológicos filtro de água encubadeiras termostatos eletrônicos máquinas de fast food gôndolas térmicas equipamentos médicos expositores gerenciamentos de energia 4.7.8 Fotocondutores O fotocondutor é, essencialmente, um componente semicondutor sensível à radiação, sendo a sua condutividade variável com a incidência de luz. O esquema de operação de um fotocondutor pode ser visto na figura ao lado. Um fóton de energia hv maior que o gap de energia da banda é absorvido para produzir um par elétron-lacuna, alterando conseqüentemente a condutividade elétrica do semicondutor. Quase sempre, a mudança na condutividade é medida por meio de eletrodos fixados no semicondutor. Utilizam, geralmente, uma junção PN composta por dois semicondutores que são UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 93 escolhidos em função das características que o detector deverá possuir. O fotocondutor é, então, um outro resistor tipo NTC e um transdutor do tipo que converte energia luminosa na forma de energia elétrica. O exemplo de fotocondutor é o LDR (Light Dependent Resistor). Este possui a interessante característica de ser um componente eletrônico cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um LDR consiste na conexão do material fotossensível com os terminais, sendo que uma fina camada é simplesmente exposta à incidência luminosa externa. Com o LDR pode-se fazer o controle automático de porta, alarme contra ladrão, controle de iluminação em um recinto, contagem industrial, controle de iluminação pública, todos estes fotocontrolados para a operação de um relé. Dispositivos fotocondutores comerciais são chamados de células fotocondutivas. São utilizados para medir a quantidade de iluminação (como um medidor de luz), para registrar uma modulação de intensidade luminosa e como um relé de luz liga-desliga (como um circuito digital ou de controle), neste caso, pode ser chamado de Relé-fotocélula, capaz de perceber a luz do sol, assim, identificando se é dia ou noite, acendendo as lâmpadas automaticamente quando o dia escurece e desligando após o amanhecer, com grande aplicação em iluminação pública (figura ao lado). O dispositivo fotocondutor de maior aplicação é a célula de sulfeto de cádmio dopada com uma pequena quantidade de prata, antimônio ou índio. As vantagens desses fotocondutores são: • Alta capacidade de dissipação; • Excelente sensibilidade no espectro visível; • Baixa resistência quando estimulados pela luz (em escuridão, em torno de 2MΩ e, com luz forte, menos de 100Ω) Podem então, controlar um circuito de vários Watts operando um relé diretamente, sem circuitos amplificadores intermediários. Outros materiais fotocondutores: • Sulfeto de chumbo, sendo usado para detecção ou medidas de absorção de infravermelho; • Selenium, sensível em toda a parte do espectro visível, particularmente perto do azul. Os fotocondutores são também usados utilizados em máquinas de xérox que funcionam da seguinte maneira: 1) Quando se inicia a operação de uma máquina de xerox, acende-se uma lâmpada, que "varre" todo o documento a ser copiado. A imagem é projetada por lentes e espelhos sobre a superfície de um cilindro fotossensível (de alumínio, revestido por material fotocondutor). 2) Uma imagem latente é formada na superfície do cilindro; 3) O cilindro recebe uma carga de material conhecido como toner ou tonalizador (tinta em pó) que é atraído pelas cargas que formam a imagem. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 94 4) Transfere-se o toner para o papel, atrávés de cargas elétricas, e fixa-se o mesmo através de um processo que envolve calor e pressão. Atualmente, no processo digital, a imagem latente é formada no cilindro através de raios laser ou diodos emissores de luz (LEDs), semelhante às impressoras à laser. 4.7.9 Células Fotovoltaicas As Células Fotovoltaicas são muito usadas em residências rurais distantes de linhas de distribuição, pequenas calculadoras, relógios de pulso e aparelhos que precisam de pouca energia. A célula fotovoltaica é construída de silício ao qual são adicionadas substâncias ditas dopantes de modo a criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico, isto é, conversão direta da potência associada à radiação solar em potência elétrica em corrente contínua (DC ou CC). Composição e funcionamento de uma célula fotovoltaica cristalina: 1 – eletrodo negativo; 2 – eletrodo positivo; 3 – camada tipo N; 4 – camada tipo P; 5 – camada de limite (depleção) Quando os elétrons e lacunas atingem a junção PN, eles são separados pelo campo interno da região de depleção. O elemento fotovoltaico força a corrente a fluir no circuito externo, portanto, a energia luminosa é convertida em energia elétrica. Em outras palavras, a célula solar trabalha segundo o princípio de que os fótons incidentes, colidindo com os átomos de certos materiais, provocam um deslocamento dos elétrons, carregados negativamente, gerando uma corrente elétrica. Este processo de conversão UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 73 CAPÍTULO IV MATERIAIS SEMICONDUTORES Um dos triunfos das teorias cinética e atômica é sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades físicas da matéria, explicando, por exemplo, por que alguns materiais são bons condutores de calor, enquanto outros não o são. Existe uma classe intermediária de substâncias, chamadas semicondutores, que possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Desta forma, são melhores condutores do que os isolantes de eletricidade, mas não tão bons condutores como o cobre. Tais materiais se mostram extremamente úteis para a eletrônica. Em comparação com os metais e com os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas. Um semicondutor puro como o elemento silício apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; porém se pequenas quantidades de impurezas são incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente. O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, da forma como age um diodo. A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido. Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor Para uma correta compreensão do funcionamento destes materiais, faz-se necessário recordar alguns conceitos já vistos. 4.1 Níveis de Energia A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos. Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron. Conforme a Teoria Quântica os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isso não é perceptível porque os valores são muito pequenos, mas, os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos. Assim, a energia total que o elétron pode ter é UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 74 definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete podendo ser representados pelos números 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 ou pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Para os 113 elementos químicos conhecidos, segundo o princípio de exclusão de Pauli, o número máximo de elétrons em cada nível é 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4, respectivamente, conforme representado na figura seguinte. 2n2 onde n é o número do nível. Assim, o nível 1 poderá possuir no máximo 2 elétrons, o nível 2 poderá ter no máximo 8 e assim sucessivamente. É regra geral na natureza a estabilização na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para o maior e um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo. Em cada camada ou nível de energia, os elétrons se distribuem em subcamadas ou subníveis, representados pelas letras s, p, d, f, em ordem crescente de energia. O número máximo de elétrons de cada subnível também foi determinado experimentalmente: Subnível S p d f Número máximo de elétrons 2 6 10 14 O número de subníveis que constituem cada nível de energia depende do número máximo de elétrons que cabem em cada nível. Assim, como no primeiro nível cabem no máximo 2 elétrons este nível apresenta apenas um subnível s, no qual cabem os dois elétrons. O subnível s do primeiro nível de energia é representado por 1s. Como no segundo nível cabem no máximo 8 elétrons, o segundo nível é constituído de um subnível s, no qual ficam 2 elétrons, e um subnível p, com no máximo 6 elétrons. Deste modo o segundo nível e formado por dois subníveis representados por 2s 2p, e assim por diante. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 77 Existem, ainda, os semicondutores III-V que são formados por um elemento trivalente, o GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo (areia). 4.5 Condução Elétrica nos Semicondutores Num determinado instante quando recebe um acréscimo de energia e sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo, conforme apresenta a figura seguinte: No instante seguinte, verifica-se que a lacuna também se move. Porém, a movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. Num material condutor o movimento das lacunas é desprezível. 4.6 Semicondutores do Tipo N e P No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa. O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme ilustrado na figura abaixo. Representação Plana do Átomo de Silício UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 78 Para a maioria das aplicações não há elétrons livres suficientes num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente elétrica utilizável. Portanto, para se obter esta corrente foram criados os semicondutores do tipo N e P. Quando certas substâncias, denominadas impurezas, são adicionadas, as propriedades elétricas são radicalmente modificadas. Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for adicionado e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução conforme mostra a figura seguinte. O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo N. Nota-se que o material continua eletricamente neutro, pois os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda, de forma a permitir a condução. Agora imagine a situação inversa, conforme ilustrado abaixo: uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada. Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco (lacuna) positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo P, devido à carga positiva dos portadores (buracos). O processo de introduzir átomos de impurezas num cristal de silício, de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto de lacunas, chama-se dopagem. Quando um cristal de silício foi dopado, ele passa a ser chamado de semicondutor extrínseco. 4.7 Aplicações 4.7.1 Diodo Semicondutor A união física de um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N forma uma junção PN, mostrada na figura ao lado. Esta junção PN recebe o nome de diodo semicondutor. Um diodo é composto por uma seção de material tipo-N ligado a uma seção de material tipo-P, com eletrodos em cada extremidade. Essa combinação conduz UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 79 eletricidade apenas em um sentido. Na formação da junção PN ocorre o processo de recombinação, no qual os elétrons do lado N, mais próximos da junção, migram para o lado P. Este processo ocorre até que haja o equilíbrio eletrônico e a estabilidade química, ou seja, 4 ligações covalentes em cada átomo. Durante o processo de recombinação forma-se, próximo à junção, a camada de depleção. Ao final deste processo, a camada de depleção fica ionizada formando a barreira de potencial (Vγ) ou zona vazia. Isto ocorre quando nenhuma diferença de potencial é aplicada ao diodo, ou seja, os elétrons do material tipo-N preenchem os buracos do material tipo-P ao longo da junção entre as camadas. Em uma zona vazia, o material semicondutor volta ao seu estado isolante original - todos os buracos estão preenchidos, de modo que não haja elétrons livres ou espaços vazios para elétrons, e assim a carga não pode fluir. Na junção, elétrons livres do material tipo-N preenchem buracos do material tipo-P. Isto cria uma camada isolante no meio do diodo, chamada de zona vazia. Para se livrar da zona vazia, é necessário que os elétrons se movam da área tipo-N para a área tipo-P e que buracos se movam no sentido inverso. Para fazer isto, conecta-se o lado tipo-N do diodo ao terminal negativo do circuito e o lado tipo-P ao terminal positivo. Desta forma, os elétrons livres no material tipo-N são repelidos pelo eletrodo negativo e atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos no material tipo-P se movem no sentido contrário. Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é alta o suficiente, os elétrons na zona vazia são retirados de seus buracos e começam a se mover livremente de novo. A zona vazia desaparece e a carga se move através do diodo. A figura a seguir ilustra este processo. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 82 DIODO EMISSOR DE LUZ - LED O LED (Light Emitting Diode) é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é produzida pelas interações energéticas do elétron através de um processo chamado eletroluminescência. A recombinação de lacuna e elétron exige que a energia possuída pelo elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. No silício e no germânio, elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido a opacidade do material), e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável. Já em outros materiais, como o arsenieto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes. Em geral, os LEDS operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim, os LEDS infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5V, os vermelhos com 1,7V, os amarelos com 1,7V ou 2.0V, os verdes entre 2.0V e 3.0V, enquanto os LEDS azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil de 100.000 horas, ou mais. Enquanto todos os diodos liberam luz, a maioria não o faz muito eficientemente. Em um diodo comum, o próprio material semicondutor termina absorvendo parte da energia da luz. Os LEDs são fabricados especialmente para liberar um grande número de fótons para fora. Além disso, eles são montados em bulbos de plásticos que concentram a luz em uma direção específica. Como pode ser visto na figura ao lado, a maior parte da luz do diodo ricocheteia pelas laterais do bulbo, viajando na direção da ponta redonda. Os LEDs têm muitas vantagens sobre lâmpadas incandescentes convencionais. Uma delas é que eles não têm um filamento que se queime e então durarão muito mais tempo. Além disso, seus pequenos bulbos de plástico os tornam muito mais duráveis. Eles também cabem mais facilmente nos modernos circuitos eletrônicos. OLEDS (Organic Light-Emitting Diode ou Diodo Orgânico Emissor de Luz) Uma tecnologia um pouco mais recente começa a chamar a atenção da indústria. Chamada OLED (Organic Light-Emitting Diode ou Diodo Orgânico Emissor de Luz) esta tecnologia promete suprir os grandes problemas atuais dos dispositivos de vídeo a um custo aceitável para o mercado de produtos de consumo. O OLED tem basicamente a mesma estrutura dos LEDs mas diferem no tipo de material utilizado, apresentando em sua construção substâncias eletroluminescentes compostas de UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 83 Carbono que, ao serem excitadas por uma corrente elétrica, emitem luz em uma freqüência determinada por sua composição química. Em outras palavras, são células de diodo impressas na tela que são polarizadas de acordo com a imagem. Painéis de vídeo compostos por OLEDs podem ser extremamente finos (como uma folha de papel) e flexíveis (executados em materiais plásticos, como polímeros). Essa possibilidade surge do fato de que as substâncias químicas que compõe o OLED podem ser impressas em um filme plástico (como um documento é impresso em papel) para marcar os pixels. Ao colar outro filme plástico sobre a impressão cria-se pequenas capsulas que aprisionam cada pixel. A aplicação de eletrodos minúsculos à cada célula permite que se leve à ela a corrente elétrica necessária para excitar cada uma das cores primárias que irão compor as imagens. Esta técnica permite a construção de monitores muito pequenos ou grandes, resistentes à água devido à sua natureza plástica, e flexíveis ou até mesmo dobráveis. As primeiras aplicações de monitores OLED ocorreram em dispositivos móveis, como celulares, PDAs e até mesmo notebooks; onde a pequena espessura e o baixo peso da tela são mais importantes que outros fatores. Entretanto o preço de produção de monitores com essa tecnologia tem caído bastante e hoje já é possível construir telas OLED mais baratas e tão duráveis quanto telas LCD equivalentes. Além da simplicidade construtiva e das vantagens físicas os monitores OLED ainda superam seus rivais em vários aspectos técnicos. Monitores OLED são capazes de criar a cor preta, gerando o chamado “real black” e conseguem taxas de contraste 10 vezes maiores que monitores LCD produzidos atualmente. Não são susceptíveis ao efeito burn-out que agride monitores CRT e Plasma, situação onde a exibição prolongada de uma mesma imagem marca a tela de forma definitiva, fato ocorrido na maioria das telas de Plasma produzidas hoje em dia. Ainda que uma nova tecnologia de Plasma tenha sido desenvolvida para evitar o burn-out ela resulta em telas mais caras, razão que levou muitos fabricantes à ignorá-la. A rigor, ao comprar uma tela de Plasma, dificilmente será possível saber se aquele modelo específico é resistente ou não ao efeito danoso. Isso pode levar à desagradável situação de se observar, por exemplo, um pequeno símbolo da emissora no canto inferior direito da tela durante uma reprodução de DVD. Além disto, o OLED dispensa iluminação de background, necessária nos LCDs, o que o torna a tecnologia mais econômica em termos de consumo de energia disponível atualmente. Ademais é uma excelente solução para dispositivos que operam com baterias já que atualmente a economia de energia é uma preocupação global. O OLED é capaz de reproduzir cores tão bem quanto o Plasma e apresentar um tempo de resposta muito menor que o do LCD. Tempo de resposta é o tempo que um pixel leva para acender, atingir a cor ideal e então apagar voltando ao estado de negro. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 84 Entretanto alguns fatores continuam a atrasar a adoção em massa da nova tecnologia. Mesmo tendo custos de produção mais baixos que outras técnicas o OLED é relativamente recente. Muitas empresas que desenvolveram partes importantes da tecnologia, ainda cobram valores excessivamente altos pelas patentes e licenças de produção em busca de ressarcirem seus gastos em pesquisa e desenvolvimento. Além disso, os altos gastos na implementação das tecnologias atuais ainda não foram completamente amortizados. Muitos fabricantes não desejam tirar seus monitores LCD e Plasma de linha por entenderem que ainda há muito comércio com esses produtos antes que uma nova tecnologia possa ser levada ao mercado de massa. Entretanto a queda significativa nos preços dos monitores LCD e Plasma verificada em todos os mercados é uma mostra de que, assim que essas tecnologias tornem-se o padrão, estará aberto o caminho para que outra possa ser implementada. Mas o OLED ainda tem alguns detalhes a resolver antes que seja a tecnologia usada nas próximas gerações de televisores: A fragilidade dos filmes plásticos, que se rompidos inutilizam o monitor; A durabilidade dos compostos, especialmente os que reproduzem freqüências azuis. Entretanto parece claro que é o OLED a tecnologia que irá assumir o lugar do LCD e do Plasma no futuro, por unir as qualidades de ambos e ainda apresentar características que nenhuma delas pode reproduzir. A figura a seguir mostra a estrutura de um OLED. 4.7.2 Transistor de Junção Bipolar Uma combinação de tipos diferentes de semicondutores compõe o transistor, um dispositivo que pode ser empregado como uma válvula de triodo, substituindo-a em amplificadores e outros circuitos eletrônicos. E, admiravelmente, ao contrário da válvula, o UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 87 No transistor de junção PNP, os tipos de semicondutores são invertidos em relação ao NPN (coletor e emissor são semicondutores tipo P e base é tipo N). A operação é similar, com inversão dos portadores de cargas e tensões de polarização de sinais contrários aos da figura anterior (a) e símbolo conforme (b) da mesma figura. 4.7.3 Transistor de Unijunção Os transistores de unijunção ou UJT (Unijunction Transistor) podem ser utilizados em osciladores de baixa freqüência, disparadores, estabilizadores, geradores de sinais dente de serra e em sistemas temporizados. Basicamente o transistor de unijunção é constituído por uma barra de material semicondutor do tipo N (de alta resistividade) com dois contatos B1 e B2 extremos. Tais contactos não constituem junções semicondutoras, e assim, entre B2 (base 2) e B1 (base 1) temos, na prática uma resistência, formada pelo material semicondutor N. O material do tipo P como material do tipo N formam a única junção PN semicondutora interna. Na altura da junção P haverá uma tensão na barra que dependerá da sua resistência ôhmica e de Vb. Enquanto Ve for menor que essa tensão, a junção do emissor estará inversamente polarizada e, portanto, a corrente será nula. Se Ve aumenta de forma que a junção fique diretamente polarizada, haverá um fluxo de portadores entre o emissor e base B1 e a corrente aumenta mesmo que Ve diminua. Isto dá ao dispositivo uma característica de resistência negativa, conforme indicado no gráfico da figura ao lado. Tudo se passa como se o bloco do tipo N fosse formado por duas simples resistências (Rb2 e Rb1), em série, tendo ligado no seu ponto central um diodo (terminal E ou Emissor). O terminal do emissor (E) está mais próximo da base 2 (B2), conforme o circuito equivalente apresentado ao lado. Princípio de Funcionamento: O valor resistivo normal entre os terminais da base 2 e 1 é relativamente alto (tipicamente entre 4 KΩ e 12 KΩ). Assim, se ligarmos o terminal B2 a um potencial positivo (tipicamente entre 6 e 30 Volt), e o terminal B1 ao negativo, uma corrente muito pequena circulará por Rb2 e Rb1. Ao mesmo tempo, Rb2 e Rb1 formam um divisor de tensão, em cujo ponto intermédio surge uma tensão menor, porém proporcional àquela que foi aplicada a B2. Suponhamos que Rb2 e Rb1 têm valores iguais, de 5 KΩ cada um. Assim, se aplicarmos (com a + 6 a 30 Volt _ + UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 88 polaridade indicada) 10 Volt entre B2 e B1, o “cátodo” do “diodo” do emissor terá uma tensão de 5 Volts. Ao aplicarmos, então, uma tensão de entrada no emissor (E) do UJT, esta terá que, inicialmente vencer a barreira de potencial intrínseca da junção PN (0,6V) e, em seguida, superar a própria tensão que polariza o “cátodo” (5 Volts no exemplo). Nesse caso, enquanto a tensão aplicada ao terminal do emissor (E) não atingir 5,6 Volts (0,6V + 5V) não haverá passagem de corrente pelo emissor através de Rb1 para a linha de negativo da alimentação. Mantendo-se, no exemplo, uma tensão de emissor igual ou maior do que 5,6 Volts haverá a passagem de uma corrente; já qualquer tensão inferior (a 5,6V) será incapaz de originar passagem da corrente elétrica pelo emissor (E) e por Rb1. Portanto, enquanto os 5,6V não forem atingidos, a corrente será nula, como através de um interruptor aberto. Alcançando os 5,6V, tudo se passa como se o interruptor estivesse fechado e, assim, a corrente que circulará estará limitada unicamente pelo valor resistivo intrínseco de Rb1. Como a transição de corrente nula para corrente total, entre emissor (E) e base 1 (B1), se dá sempre de forma abrupta (quando a tensão de emissor chega à tensão/limite de disparo), podemos considerar o UJT como um simples interruptor acionado por tensão. 4.7.4 Transistor de Efeito de Campo Os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo distinguem-se pela sua estrutura e princípio de funcionamento; há, no entanto, uma diferença que determina a sua utilização: O transistor bipolar é comandado por corrente, enquanto o de efeito de campo é comandado por tensão. Um transistor de efeito de campo (FET - Junction Field Efect Transistor) pode ser de dois tipos: a) J-FET O J-FET canal N é constituído basicamente por uma junção PN, sendo ambos os extremos da região N dotada de terminais (Dreno e Fonte), formando a região P (Gate ou porta) um anel em volta da região N. Se ligarmos uma bateria entre os terminais da região N circulará uma corrente limitada apenas pela resistência do material semicondutor. Porém, se polarizarmos inversamente a junção PN (Gate negativa em relação à Fonte), formar-se-á uma zona de depleção em volta da junção PN. Devido a esse fato, ficará mais estreito o canal o que equivale a um aumento da resistência interna da região N. Zona de deplecção VDS VGS NOTA: Para o J-Fet canal P devemos inverter a polaridade das tensões aplicadas aos terminais. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 89 Através da Gate podemos determinar o maior ou menor fluxo de corrente entre os terminais Fonte e Dreno. Fixando o valor da tensão dreno-fonte (VDS), a corrente de dreno (ID) será função da polarização inversa do Gate que variará a espessura do canal por variação da zona de depleção. Princípio de Funcionamento: Para o FET funcionar, o Gate deve ser inversamente polarizado (no J-FET canal N: Gate negativo em relação à Fonte, no J-FET canal P: gate positivo em relação à Fonte), o Dreno (D) é positivo em relação à Fonte (S). A corrente dreno-fonte (IDS) ou simplesmente corrente de dreno (ID) é inversamente proporcional à tensão gate-fonte (VGS), conhecida por tensão de gate (VG). Assim se: VG ↑ ⇒ ID ↓ (isto porque a zona de depleção vai aumentar e o canal vai estreitar o que provoca um aumento de resistência e consequentemente uma diminuição da corrente) Mantendo-se constante VDS e fazendo variar VG, ID sofrerá uma certa variação e a relação ∆ID/∆VG dá-nos a transcondutância em Siemens do FET, representada por Gm. Considerando ID como saída e VGS como entrada, o J-FET surge como uma fonte de corrente controlada por tensão. b) MOS-FET Os transistores de gate isolada (Mos-FET ou Ig-FET) recebem esse nome em virtude da gate ser uma película metálica (de alumínio) isolada eletricamente do canal (semicondutor) através de uma finíssima camada de óxido de silício. Um efeito semelhante ao anterior pode ser obtido com a porta totalmente isolada do canal. Este dispositivo, que usa uma camada de óxido para a isolação da porta, é denominado MOS-FET. Deve-se evitar tocar com as mãos nos terminais dos FET já que todos eles, mas especialmente os de tecnologia MOS, são sensíveis a cargas elétricas estáticas, que podem danificar permanentemente a sua estrutura interna. A sua resistência de entrada é muito elevada (da ordem dos 1015 Ω). Tipos de MOS-FET: 1. de empobrecimento ou depleção Tal como no J-FET um dos extremos do canal é a Fonte, e o outro o Dreno; e sobre o canal existe uma delicada capa de óxido de silício (SiO2) sobre a qual é aplicada uma camada de alumínio (Al) para formar a Porta ou Gate. VDS RD RS RG IDS J-Fet canal N UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 92 a) NTC (Negative Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. Podem ser usados como sensores de temperatura em diversas aplicações com limitador de picos de corrente (Inrush Current Limiting Devices), por exemplo. b) PTC (Positive Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Geralmente são usados como fusíveis “resetáveis”, elementos de aquecimento, sensores de temperatura. Conforme a curva característica do termistor, o seu valor de resistência pode diminuir ou aumentar em maior ou menor grau em uma determinada faixa de temperatura. Assim alguns podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação, no caso a nível industrial, é a medição de temperatura (em motores, por exemplo), pois o termistor possibilita a obtenção da variação de uma grandeza elétrica em função da temperatura em que este se encontra. A combinação de sensibilidade, estabilidade e precisão faz do termistor a melhor relação custo x benefício dentre todas as tecnologias para medição de temperatura. É aplicado em: ar condicionado refrigeradores e freezers desumidificadores aquecedores de hidromassagem equipamentos terapêuticos chocadeiras ar condicionado automotivo cafeteiras fornos/autoclave fritadeiras chuveiros odontológicos filtro de água encubadeiras termostatos eletrônicos máquinas de fast food gôndolas térmicas equipamentos médicos expositores gerenciamentos de energia 4.7.8 Fotocondutores O fotocondutor é, essencialmente, um componente semicondutor sensível à radiação, sendo a sua condutividade variável com a incidência de luz. O esquema de operação de um fotocondutor pode ser visto na figura ao lado. Um fóton de energia hv maior que o gap de energia da banda é absorvido para produzir um par elétron-lacuna, alterando conseqüentemente a condutividade elétrica do semicondutor. Quase sempre, a mudança na condutividade é medida por meio de eletrodos fixados no semicondutor. Utilizam, geralmente, uma junção PN composta por dois semicondutores que são UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 93 escolhidos em função das características que o detector deverá possuir. O fotocondutor é, então, um outro resistor tipo NTC e um transdutor do tipo que converte energia luminosa na forma de energia elétrica. O exemplo de fotocondutor é o LDR (Light Dependent Resistor). Este possui a interessante característica de ser um componente eletrônico cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um LDR consiste na conexão do material fotossensível com os terminais, sendo que uma fina camada é simplesmente exposta à incidência luminosa externa. Com o LDR pode-se fazer o controle automático de porta, alarme contra ladrão, controle de iluminação em um recinto, contagem industrial, controle de iluminação pública, todos estes fotocontrolados para a operação de um relé. Dispositivos fotocondutores comerciais são chamados de células fotocondutivas. São utilizados para medir a quantidade de iluminação (como um medidor de luz), para registrar uma modulação de intensidade luminosa e como um relé de luz liga-desliga (como um circuito digital ou de controle), neste caso, pode ser chamado de Relé-fotocélula, capaz de perceber a luz do sol, assim, identificando se é dia ou noite, acendendo as lâmpadas automaticamente quando o dia escurece e desligando após o amanhecer, com grande aplicação em iluminação pública (figura ao lado). O dispositivo fotocondutor de maior aplicação é a célula de sulfeto de cádmio dopada com uma pequena quantidade de prata, antimônio ou índio. As vantagens desses fotocondutores são: • Alta capacidade de dissipação; • Excelente sensibilidade no espectro visível; • Baixa resistência quando estimulados pela luz (em escuridão, em torno de 2MΩ e, com luz forte, menos de 100Ω) Podem então, controlar um circuito de vários Watts operando um relé diretamente, sem circuitos amplificadores intermediários. Outros materiais fotocondutores: • Sulfeto de chumbo, sendo usado para detecção ou medidas de absorção de infravermelho; • Selenium, sensível em toda a parte do espectro visível, particularmente perto do azul. Os fotocondutores são também usados utilizados em máquinas de xérox que funcionam da seguinte maneira: 1) Quando se inicia a operação de uma máquina de xerox, acende-se uma lâmpada, que "varre" todo o documento a ser copiado. A imagem é projetada por lentes e espelhos sobre a superfície de um cilindro fotossensível (de alumínio, revestido por material fotocondutor). 2) Uma imagem latente é formada na superfície do cilindro; 3) O cilindro recebe uma carga de material conhecido como toner ou tonalizador (tinta em pó) que é atraído pelas cargas que formam a imagem. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 94 4) Transfere-se o toner para o papel, atrávés de cargas elétricas, e fixa-se o mesmo através de um processo que envolve calor e pressão. Atualmente, no processo digital, a imagem latente é formada no cilindro através de raios laser ou diodos emissores de luz (LEDs), semelhante às impressoras à laser. 4.7.9 Células Fotovoltaicas As Células Fotovoltaicas são muito usadas em residências rurais distantes de linhas de distribuição, pequenas calculadoras, relógios de pulso e aparelhos que precisam de pouca energia. A célula fotovoltaica é construída de silício ao qual são adicionadas substâncias ditas dopantes de modo a criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico, isto é, conversão direta da potência associada à radiação solar em potência elétrica em corrente contínua (DC ou CC). Composição e funcionamento de uma célula fotovoltaica cristalina: 1 – eletrodo negativo; 2 – eletrodo positivo; 3 – camada tipo N; 4 – camada tipo P; 5 – camada de limite (depleção) Quando os elétrons e lacunas atingem a junção PN, eles são separados pelo campo interno da região de depleção. O elemento fotovoltaico força a corrente a fluir no circuito externo, portanto, a energia luminosa é convertida em energia elétrica. Em outras palavras, a célula solar trabalha segundo o princípio de que os fótons incidentes, colidindo com os átomos de certos materiais, provocam um deslocamento dos elétrons, carregados negativamente, gerando uma corrente elétrica. Este processo de conversão UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 97 O magnetismo ou força magnética é fundamental na geração e aproveitamento da corrente elétrica. Todo tipo de sistema ou equipamento eletromecânico contem efeitos magnéticos em seus circuitos. Desta forma, a existência de equipamentos como motores, geradores, transformadores, indutores, instrumentos elétricos, medidores, componentes magnéticos, etc. seria impossível se os fenômenos magnéticos não fossem compreendidos e dominados. Hoje em dia, pesquisas são feitas para se desenvolver outros tipos de materiais que tenham essa propriedade ainda mais acentuada e que possam ser manipulados de maneira a permitir novas configurações e formatos de núcleos reduzindo-se assim as perdas destes núcleos, bem como seus tamanhos. Os materiais magnéticos mais importantes em aplicações elétricas gerais são chamados ferromagnéticos. Estes permitem o estabelecimento de fenômenos magnéticos devido à sua característica de conectar linhas de força magnética, sofrendo atração por estas forças. O exemplo mais antigo deste material é a magnetita (O4Fe3). Este e outros tipos de materiais magnéticos serão estudados a seguir. 5.1 Classificação dos Materiais Magnéticos Os materiais magnéticos podem ser classificados conforme os domínios magnéticos. Estes correspondem à menor unidade de um material que se caracteriza por possuir uma única orientação magnética, isto é, um vetor campo magnético próprio. Em um material magnético, os domínios podem estar orientados ao acaso de modo que seus momentos magnéticos se anulam. Ao aplicarmos um campo magnético externo, os domínios se alinham na direção deste campo e podem permanecer ou não alinhados depois de retirarmos o campo. Sob esta análise os materiais magnéticos podem ser: • Duros: São aqueles que ao retirarmos o campo magnético externo, o alinhamento dos domínios permanece. Também chamados ímãs. • Moles, macios ou doces: o alinhamento dos domínios desaparece ao retirarmos o campo magnético externo. Algumas aplicações exigem materiais duros e outras aplicações exigem materiais moles. Um ímã de geladeira, por exemplo, deve ser feito de um material magnético duro, para que possa permanecer imantado por muito tempo. Já os motores elétricos exigem materiais magnéticos moles, para que eles possam se adaptar rapidamente às alterações da corrente elétrica alternada. Por outro lado, fisicamente, os materiais magnéticos podem ser classificados, quanto à permeabilidade, como: • Ferromagnéticos (ferro, níquel, cobalto, aço) – caracterizam-se por uma magnetização espontânea, que é totalmente independente de campos magnéticos externos. A grandeza desta magnetização depende da temperatura que, quando crítica (Temperatura de Curie - variável para cada material. Exemplo: ferro 7700C, cobalto 7700C, níquel 3650C) o material perde suas propriedades magnéticas UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 98 passando de ferromagnético para diamagnético. Os ferromagnéticos possuem uma permeabilidade magnética (µ) centenas ou milhares de vezes, maior que a do vácuo (µo), onde 7 0 104 −××= πµ H/m. Estes materiais provocam uma forte concentração das linhas de fluxo do campo que os interceptam. Na seqüência, são apresentadas a permeabilidade magnética de alguns materiais: • Diamagnéticos (vidro, água, antimônio, bismuto, chumbo, cobre, gases raros) Estes materiais afastam ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A direção do campo adicional (formado através da teoria dos domínios) é oposta à do campo externo fazendo com que o campo resultante seja menor que o campo externo. Sua permeabilidade magnética é menor que a do vácuo. Por exemplo: O bismuto apresenta uma variação em sua resistência elétrica quando atravessado pelo fluxo magnético, sendo por isso aproveitado em instrumentos de medição de campo magnético. • Paramagnéticos (oxigênio, sódio, sais de ferro e de níquel, alumínio, silício) – Estes materiais tendem a concentrar ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A direção do campo adicional é a mesma do campo externo, portanto, o campo resultante é maior que o campo externo. Sua permeabilidade magnética é ligeiramente maior que a do vácuo. Por exemplo: UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 99 5.2 Características dos Materiais Magnéticos 5.2.1 Retentividade É a maior ou menor capacidade de um material reter o magnetismo. O aço, por exemplo, possui maior retentividade do que o ferro doce. 5.2.2 Relutância É a oposição ao estabelecimento do fluxo no circuito magnético. Apenas como referência pode-se pensar na resistência e sua oposição à passagem de corrente elétrica e será possível estabelecer uma analogia. A Relutância pode ser obtida a partir das características magnéticas e geométricas do material, conforme mostrado na equação abaixo: 5.2.3 Permeância É a recíproca da relutância (análogo à condutância). UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 102 5.2.8 Densidade de Fluxo É a relação entre o fluxo, expresso em weber, Wb, e a área da seção reta, em m2, atravessada por este fluxo, expressa pela equação abaixo: 5.2.9 Força Magnetomotriz Um solenóide ou um eletroímã pode ser feito a partir de um núcleo de ar ou material magnético e um enrolamento ou conjunto de espiras, normalmente sobre uma forma, através das quais faz-se passar uma corrente. A passagem de corrente cria um campo magnético, que pode ser concentrado caso o núcleo seja de material magnético. A força magnetomotriz é obtida por: A relutância pode ser então definida à partir de : UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 103 5.2.10 Curva de Magnetização (BxH) A curva de magnetização é um gráfico, obtido experimentalmente, que relaciona a indução magnética B com a intensidade do campo magnético ou excitação magnética H. O gráfico pode também relacionar o fluxo magnético Φ com a corrente de excitação I. Considerando uma bobina com núcleo de ar, o aumento da corrente elétrica na bobina (e, consequentemente, a excitação magnética H) provoca um aumento do fluxo magnético Φ (e, consequentemente, a indução magnética B). A relação entre Φ e I é linear, ou seja, o aumento de Φ é diretamente proporcional ao aumento de I. Introduzindo um núcleo de material ferromagnético no interior da bobina, o fluxo magnético toma valores muito maiores que com núcleo de ar, para os mesmos valores da corrente I. Este grande aumento do fluxo em relação à bobina com núcleo de ar deve-se à contribuição dada pelos átomos que são, na realidade, pequenos ímãs. Estes átomos, inicialmente desordenados, alinham-se segundo as linhas de força do campo magnético produzido pela corrente. Ao alinhar-se, o fluxo que possuem soma-se ao fluxo inicial. Quanto maior for o valor da corrente, maior é o número de átomos que se alinham e maior o valor do fluxo total. À medida que a corrente aumenta, o número de átomos que resta por alinhar é cada vez menor e, por isso, o fluxo não aumenta mais proporcionalmente à corrente. Portanto, após o aumento inicial linear do fluxo, entra-se na chamada zona de saturação. Quando todos os átomos estiverem alinhados, o aumento do fluxo com a corrente volta a ser linear (mas pequeno, tão pequeno quanto era com a bobina com núcleo de ar), dependendo apenas do valor da corrente. A partir do ponto de saturação, a linha do gráfico fica, então, paralela à linha correspondente à bobina com núcleo de ar. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 104 5.2.11 Laço de Histerese Quando o campo magnético aplicado em um material for aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo B não diminui tão rapidamente quanto o campo H. Desta forma, quando H chega a zero, ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que B chegue a zero, é necessário aplicar um campo negativo, chamado de força coercitiva. Se H continuar aumentando no sentido negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta. Desse modo, a magnetização inicialmente será fácil, até quando se aproxima da saturação, passando a ser difícil. A redução do campo novamente a zero deixa uma densidade de fluxo remanescente, -Br, e, para reduzir B a zero, deve-se aplicar uma força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material fica novamente saturado, com a polaridade inicial. Este fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo magnético é chamado de histerese magnética que é tanto maior quanto mais forte for a oposição apresentada pelo material ferromagnético. O ciclo traçado pela curva de magnetização é chamado de ciclo ou laço de histerese. Uma família de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo modulada senoidalmente com freqüência de 50 Hz e campo magnético variável de 0,3 T a 1,7 T. Onde: B = Densidade de fluxo magnético H = Campo magnético BR = valor da densidade magnética residual; é a densidade de fluxo que permanece quando a força magnetizante ( H ) é retirada HC = força coercitiva = é o valor da força magnetizante necessária para anular o magnetismo residual. Quando o ferro não está magnetizado, seus domínios magnéticos estão dispostos de maneira aleatória. Porém, ao aplicar uma força magnetizante, os domínios se alinham com o campo aplicado. Se invertermos o sentido do campo, os domínios também inverterão sua orientação. Num transformador, o campo magnético muda de sentido muitas vezes por segundo, de acordo com o sinal alternado aplicado. E o mesmo ocorre com os domínios do material do núcleo. Ao inverter sua orientação, os domínios precisam superar o atrito e a inércia. Ao fazer isto, dissipam certa quantidade de potência na forma de calor, que é chamada de perda por histerese. Em determinados materiais, a perda por histerese é muito grande. O ferro doce é um exemplo. Já no aço, esse tipo de perda é menor. Por isto, alguns transformadores de grande UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 107 de espiras dos enrolamentos primário e secundário. 5.4 Circuitos Magnéticos Equivalentes Quando os circuitos magnéticos são analisados para determinar o fluxo e a indução magnética nos principais caminhos através do núcleo, o campo magnético fora do núcleo e no entreferro são, usualmente, desprezados. Entretanto, quando dois ou mais enrolamentos estão colocados sobre um circuito magnético, como em transformadores ou máquinas rotativas, os campos fora do núcleo, chamados campos de dispersão, são muito importantes na determinação do acoplamento entre os enrolamentos. Ao longo do circuito magnético, o fluxo magnético ɸ (dado em Wb) é contínuo e definido como: ∫= s Bdaφ Dentro do núcleo, a indução magnética pode ser considerada uniforme através da área A da seção transversal de modo que o fluxo é: A⋅Β=φ Que pode ser escrita em termos da indução magnética no núcleo: µ φ µ ⋅ ⋅=⋅= A l l B Ni O termo Ni representado aqui por ℑ é chamado de força magnetomotriz (fmm). Os coeficientes do segundo membro são chamados de permeância P ou relutância ℜ e são definidos como: A l P ⋅ ==ℜ µ 1 Logo a equação da indução magnética é reescrita como: φ⋅ℜ=ℑ Note que esta última equação é análoga a lei de Ohm (E=R I). Esta analogia com os circuitos elétricos nos permite representar o campo magnético por um circuito magnético UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 108 equivalente e fazer a sua análise como um circuito elétrico, com as referências mostradas na tabela seguinte: CIRCUITO ELÉTRICO CIRCUITO MAGNÉTICO Uma fonte de E(fem) ℑ (fmm) Produz um ℜ= /Ei ℜℑ= /φ [Wb] Que é limitada Al /ρ=ℜ Al ⋅=ℜ µ/ O circuito equivalente mostrado abaixo representa o campo magnético de uma bobina toroidal. 5.4.1 Circuito Magnético em Entreferro de Ar Como já comentado, em transformadores e máquinas elétricas rotativas não se pode desprezar o campo magnético fora do núcleo. Em máquinas elétricas rotativas, o rotor está fisicamente isolado por um entreferro de ar. Na figura seguinte é representado um corte radial em uma máquina CC, onde se pode observar que, praticamente, o mesmo fluxo magnético está presente nos pólos (núcleo de material ferromagnético) e no entreferro (ar). Naturalmente, para manter as mesmas densidades de fluxo, o entreferro exige uma fmm muito maior que o núcleo ℜℑ= /φ , o que pode provocar a saturação do núcleo mantendo o entreferro não saturado pois a curva B-H do ar é linear, ou seja, µ é constante. Um circuito magnético composto de caminhos magnéticos de diferentes materiais pode ser representado por suas respectivas relutâncias magnéticas, como é mostrado na seqüência: ≡ ≡ UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 109 Do circuito equivalente identificamos: Acc lc c ⋅ =ℜ µ Agg g ⋅ =ℜ µ lg gc Ni ℜ+ℜ = ℜ ℑ=φ lg⋅+⋅= HglcHcNi Onde: lc = comprimento médio do núcleo lg = comprimento do entreferro de ar As densidades de fluxo são: Ac c Bc φ= Ag g Bg φ= Verifica-se que Ag = Ac e que desprezando a distorção das linhas de fluxo, obtém-se: Ac c BcBg φ== UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 112 Eletroímãs são utilizados em indústrias, veículos automotores, dentre outras aplicações. Nas indústrias, os eletroímãs são utilizados em relés eletrônicos e contatores elétricos, componentes muito comuns em automação industrial, máquinas e aparelhos eletroeletrônicos. Possuem também grande aplicação em siderúrgicas, para manipulação de produtos de ferro e aço. Veículos automotores utilizam eletroímãs em pequenos motores e no alternador, que utiliza o princípio de geração elétrica através do campo magnético. Monitores de computadores CRT’s (mais antigos) utilizam eletroímãs para fazer correções na imagem da tela, com uma função chamada “Desmagnetizar”. O eletroímã é a base do motor elétrico e do transformador. São empregados em freios e embreagens eletromagnéticos e para levantar ferro e sucata, assim como, são aplicados à tecnologia dos trens de levitação magnética (Maglev) estudada no item relativo a supercondutores. 5.3.2 Relés Um relé eletromecânico é um interruptor ou chave eletromecânica que normalmente é usado em circuitos que necessitam de cortes de energia. A tecnologia mais antiga usada na fabricação de relés é a eletromagnética. Em um relé eletromagnético, quando é atingido um determinado valor da corrente, o disparador do relé (um eletroímã) atua e ele abre, por exemplo, um circuito. Existe um determinado tempo de atuação. Este tipo de relé é usado na proteção contra curtos-circuitos. Em um relé térmico, quando é atingida uma determinada temperatura, o relé dispara. Esta temperatura pode ser provocada por uma corrente que atingiu um valor determinado durante um tempo suficiente para atingir o limiar de disparo. O elemento sensor é, normalmente, uma lâmina bimetálica ou bi-lâmina. Conforme já visto este tipo de atuação é usado na proteção contra sobrecargas. Há relés que se destinam a realizar operações de tipos diversos em automatismos. São chamados relés auxilares . Existem ainda os relés eletrônicos que não têm peças móveis, o que os torna mais rápidos, menos consumidores de energia e menos sujeitos a avarias do que os demais. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 113 RELÉ ELETROMAGNÉTICO RELÉ TÉRMICO RELÉ AUXILIAR RELÉ ELETRÔNICO Os relés podem ter diversas configurações quanto aos seus contatos: podem ter contatos NA, NF ou ambos, neste caso com um contato comum ou central (C). Os contatos NA (normalmente aberto) são os que estão abertos enquanto a bobina não está energizada e que fecham, quando a bobina recebe corrente. Os NF (normalmente fechado) abrem-se quando a bobina recebe corrente, ao contrário dos NA. O contato central ou C é o comum, ou seja, quando o contato NA fecha é com o C que se estabelece a condução e o contrário com o NF. A principal vantagem dos Relés em relação aos SCR e os Triacs é que o circuito de carga está completamente isolado do de controle, podendo inclusive trabalhar com tensões diferentes entre controle e carga. A desvantagem é o fator do desgaste, pois em todo o componente mecânico há uma vida útil, que é muito superior nos tiristores, por exemplo. Os relés têm uma grande diversidade de aplicações, em várias áreas, como no setor de energia, automobilístico, na indústria, automações residenciais e comerciais. Devem ser observadas as limitações dos relés quanto a corrente e tensão máxima admitida entre os terminais. Se não forem observados estes fatores a vida útil do relé estará comprometida, ou até a do circuito controlado. 5.3.3 Contatores Contator é um dispositivo eletromecânico que permite, a partir de um circuito de comando, efetuar o controle de cargas num circuito de potência. Tais cargas podem ser de qualquer tipo, desde tensões diferentes do circuito de comando e até conter múltiplas fases. Os principais elementos construtivos de um contator são: • Contato Principal; • Contato Auxiliar; • Sistema de Acionamento; • Carcaça; UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 114 • Acessórios • Contatos Principais Os contatos principais têm a função de estabelecer e interromper correntes de motores e chavear cargas resistivas ou capacitivas. O contato é realizado por meio de placas de prata cuja vida útil termina quando as mesmas são reduzidas a 1/3 de seu valor inicial. Os contatos auxiliares são dimensionados para comutação de circuitos auxiliares para comando, sinalização e intertravamento elétrico. Eles podem ser do tipo NA (normalmente aberto) ou NF (normalmente fechado) de acordo com a sua função. O acionamento dos contatores pode ser feito com corrente alternada ou corrente contínua. Após a desenergização da bobina de acionamento, o retorno dos contatos principais (bem como dos auxiliares) para a posição original de repouso é garantido pelas molas de compressão. A carcaça é constituída de 2 partes simétricas (tipo macho e fêmea), unidas por meio de grampos. O princípio de funcionamento do contator é através da atração magnética criada pela corrente elétrica ao atravessar um fio condutor. A bobina eletromagnética quando alimentada por um circuito elétrico forma um campo magnético que se concentra no núcleo fixo e atrai o núcleo móvel. Como os contatos móveis estão acoplados mecanicamente com o núcleo móvel, o deslocamento deste no sentido do núcleo fixo movimenta os contatos móveis. Quando o núcleo móvel se aproxima do fixo, os contatos móveis também devem se aproximar dos fixos, de tal forma que, no fim do curso do núcleo móvel, as peças fixas imóveis do sistema de comando elétrico estejam em contato e sob pressão suficiente. O Comando da bobina é efetuado por meio de uma corrente elétrica que passa num circuito em série com a bobina. A velocidade de fechamento dos contatores é resultado da força proveniente da bobina e da força mecânica das molas de separação que atuam em sentido contrário. As molas são também as únicas responsáveis pela velocidade de abertura do contator, o que ocorre quando a bobina magnética não estiver sendo alimentada ou quando o valor da força magnética for inferior à força das molas. Basicamente, existem contatores para motores e contatores auxiliares. Os contatores para motores têm as seguintes características: • Dois tipos de contatos com capacidade de carga diferentes ( principal e auxiliares); • Maior robustez de construção; • Possibilidade de receber relés de proteção; • Existência de câmara de extinção de arco voltaico; • Variação de potência da bobina do eletroímã de acordo com o tipo do contator; • Tamanho físico de acordo com a potência a ser comandada; • Possibilidade de ter a bobina do eletroímã secundário; Os contatores auxiliares são utilizados para aumentar o número de contatos auxiliares dos contatores de motores para comandar contatores de elevado consumo e para sinalização. Possuem as seguintes características: UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 117 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 118 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 119 5.3.5 Campainha A campainha é composta por um eletroímã E, cuja armadura A tem uma extremidade presa a uma mola de aço flexível B e a outra extremidade a uma haste C que mantém na ponta uma esfera D. A mola B obriga a armadura a ficar em contato com uma placa metálica F . A corrente é fornecida por uma pilha P, ou pelo circuito que serve a uma residência, conforme a figura a seguir. Quando se fecha a chave S a corrente segue o seguinte caminho: eletroímã, mola B, armadura A, placa F chave S e volta à pilha. Mas, logo que a corrente passa acontece o seguinte: 1o) o eletroímã atrai a armadura; esta leva consigo a haste C, e a esfera D bate no tímpano T ; 2o) quando a armadura é atraída, ela se afasta da placa F e o circuito se abre; 3o) com o circuito aberto, cessa a atração sobre a armadura, e a mola B leva novamente a armadura em contato com F ; 4o) então o circuito se fecha, e tudo se repete. Assim, enquanto a chave S permanecer fechada, a esfera D alternadamente bate no tímpano e recua. Essa chave S é o que vulgarmente é chamado de o “botão” da campainha; quando o mesmo é acionado, é fechado o circuito. 5.3.6 Motores e Geradores Elétricos Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. O gerador realiza o processo inverso, transforma energia mecânica em energia elétrica. Os motores elétricos, essencialmente, são compostos por duas partes: • Rotor: que é a parte móvel • Estator ou Carcaça: que é a parte fixa O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, puxam ou empurram os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 122 Outra aplicação para os transformadores é a sua utilização para o casamento de impedâncias, que consiste em modificar o valor da impedância vista pelo lado primário do transformador, geralmente os de baixa potência. Há outros tipos de transformadores, como os com núcleo de ferrite com grande aplicação na eletrônica. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica Ciência e Tecnologia dos Materiais 123 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS V. Schmidt, “Materiais elétricos: condutores e semicondutores v. 1”, São Paulo: Ed. Edgard Blucher, 1979. V. Schmidt, “Materiais elétricos: isolantes e magnéticos v. 2”, São Paulo: Ed. Edgard Blucher, 1979. S.M. Rezende A Física de Materiais e Dispositivos Eletrônicos, Editora da Universidade Federal de Pernambuco, 1996. D. B. Saraiva, “Materiais elétricos”, Editora Guanabara Dois, 1988. W.D. Callister Jr, L.M. Van Vlack, “Princípios de ciência e tecnologia dos materiais”, Rio de Janeiro: Editora Campus, 1984. Smith, William F.;Principios de ciência e engenharia dos materiais. ISBN: 972-8298-68-4 Askeland, Donald R.;The science and engineering of materials. ISBN: 0-534-55396-6 W. Smith – Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais, McGraw-Hill, 3ªed., 1998 B - M. Ashby e D. 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