Ele Ana 1

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i SUMÁRIO 1. Revisão de Eletricidade.............................................................01 1.1.Circuito Elétrico ...............................................................01 1.1.1. Gerador..................................................................01 1.1.2. Condutor................................................................01 1.1.3. Receptor.................................................................01 1.2.Condutores e Isolantes .....................................................02 1.2.1. Condutor................................................................02 1.2.2. Isolante ..................................................................02 1.3.Fontes de Energia Elétrica................................................02 1.3.1. Fontes de Tensão ...................................................03 1.3.2. Fontes de Corrente.................................................04 1.4. Potência Elétrica..............................................................05 1.5. Resistência Elétrica .........................................................05 1.6. Associação de Resistores ................................................07 1.6.1. Associação Série....................................................08 1.6.2. Associação em Paralelo .........................................09 1.6.3. Associação Mista...................................................10 1.7. Leis de Kirchoff ..............................................................10 1.7.1. Lei dos Nós............................................................10 1.7.2. Lei das Malhas.......................................................11 1.8. Métodos de Análise de Circuitos ....................................11 ii 1.8.1. Teorema de Thevenin ............................................11 1.8.2. Teorema da Superposição......................................12 1.8.3. Teorema da Máxima Transferência de Potência ...13 1.9. Exercícios........................................................................14 2. Materiais Semicondutores.........................................................17 2.1. Tabela Periódica..............................................................17 2.2. Estrutura Atômica ...........................................................17 2.2.1. Camadas de Energia ..............................................18 2.3. Características .................................................................18 2.4. Número Atômico.............................................................19 2.5. Número de Valência........................................................19 2.6. Principais Semicondutores ..............................................19 2.6.1. Características Marcantes ......................................20 2.6.2. Representação Planar.............................................20 2.6.3. Dopagem Eletrônica ..............................................20 2.7. Cristais.............................................................................21 3. Diodos.......................................................................................24 3.1. Características .................................................................24 3.2. Polarização ......................................................................24 3.3. Curva Característica .......................................................26 3.3.1. Ponto de Operação.................................................27 3.4. Análise de Circuitos .......................................................27 iii 3.4.1. Modelo Ideal..........................................................27 3.4.2. Modelo para Médias Tensões ................................28 3.4.3. Modelo Real ..........................................................28 3.5. Grampeador Positivo.......................................................29 3.6. Grampeador Duplo..........................................................29 3.7. Exercícios........................................................................31 4. Diodos em CA ..........................................................................35 4.1. Introdução .......................................................................35 4.2. Transformadores .............................................................35 4.2.1. Equações Principais...............................................36 4.3. Retificador de Meia Onda ...............................................36 4.4. Retificador de Onda Completa........................................38 4.5. Retificador em Ponte.......................................................39 4.6. Dobrador de Tensão ........................................................41 4.7. Triplicador de Tensão......................................................41 4.8. Quadruplicador de Tensão ..............................................41 4.9. Exercícios........................................................................42 5. Filtro Capacitivo .......................................................................44 5.1. Introdução .......................................................................44 5.2. Definição .........................................................................44 5.3. Divisão ............................................................................44 5.3.1. Passivos .................................................................44 iv 5.3.2. Ativos ....................................................................44 5.4. Componente Básico ........................................................45 5.4.1. Capacitor ...............................................................45 5.4.2. Capacitância ..........................................................46 5.4.3. Rigidez Dielétrica..................................................46 5.4.4. Corrente de Fuga ...................................................46 5.4.5. Tipos de Capacitores .............................................47 5.4.5.1. Capacitores Eletrolíticos............................48 5.4.6. Carga e Descarga...................................................49 5.4.7. Reatância Capacitiva .............................................51 5.5. Classificação dos Filtros..................................................53 5.5.1. Passa-baixas...........................................................53 5.5.2. Passa-altas..............................................................54 5.5.3. Passa-banda ...........................................................55 5.6. Retificador com Filtro. ....................................................56 5.7. Exercícios........................................................................57 6. Diodos Especiais.......................................................................59 6.1. Optoeletrônicos ...............................................................59 6.2. Fotodiodo ........................................................................60 6.3. Diodo Emissor de Luz - LED..........................................61 6.4. Optoacopladores..............................................................62 6.5. Diodo Zener ....................................................................63 v 6.5.1. Funcionamento do Zener .......................................64 6.6. Exercícios........................................................................66 7. Reguladores de Tensão .............................................................68 7.1. Fontes de Alimentação ....................................................68 7.2. Regulador Zener..............................................................69 7.2.1. Carga e Entrada Constantes...................................70 7.2.2. Carga Variável e Entrada Constante......................71 7.2.3. Carga Fixa e Entrada Variável...............................73 7.2.4. Carga e Entrada Variáveis .....................................74 7.3. Reguladores Integrados ...................................................75 7.3.1. Série 78xx..............................................................75 7.3.2. Série 79xx..............................................................75 7.3.3. Variáveis................................................................75 7.4. Projeto .............................................................................76 7.5. Exercícios........................................................................76 8. Introdução aos Transistores ......................................................78 8.1. Estrutura Física................................................................78 8.2. Simbologia ......................................................................79 8.3. Análise do Circuito .........................................................79 8.4. Classificação ...................................................................80 8.4.1. Uso Geral...............................................................80 8.4.2. Potência .................................................................80 vi 8.4.3. RF ..........................................................................80 8.5. Funcionamento................................................................81 8.6. Configurações Básicas ....................................................82 8.6.1. Base Comum .........................................................83 8.6.2. Coletor Comum – Seguidor de Emissor ................83 8.6.3. Emissor Comum ....................................................84 8. 7. Exercícios.......................................................................85 9. Polarização de Transistores.......................................................88 9.1. Curva Característica ........................................................88 9.2. Ponto de Operação ..........................................................89 9.3. Reta de Carga ..................................................................90 9.4. Circuitos de Polarização..................................................91 9.4.1. Polarização da Base...............................................91 9.4.2. Realimentação do Emissor ....................................92 9.4.3. Realimentação do Coletor .....................................93 9.4.4. Polarização do Emissor .........................................94 9.4.5. Polarização por Divisor de Tensão ........................95 9.5. Exercícios........................................................................96 10. Transistores como Chave ........................................................98 10.1. Chave Eletrônica ...........................................................98 10.2. Dimensionamento .........................................................99 10.3. Circuitos com Transistores............................................100 vii 10.3.1. Transistor Isolado ................................................100 10.3.2. Transistores em Cascata ......................................100 10.3.3. Transistores em Push-Pull ...................................100 10.3.4. Transistores em Ponte H......................................101 10.4. Exercício .......................................................................101 viii RELAÇÃO DE FIGURAS Fig. 1 – Circuito elétrico ...............................................................01 Fig. 2 – Fontes de tensão (a) fonte, (b) pilha e (c) bateria ............03 Fig. 3 – Fonte de corrente .............................................................04 Fig. 4 – Resistências (a) fixa, (b) variável e (c) LDR ...................07 Fig. 5 – Associação em série de resistores....................................08 Fig. 6 – Associação em paralelo de resistores...............................09 Fig. 7 – Associação em mista de resistores...................................10 Fig. 8 – Circuito para análise por Thevenin..................................12 Fig. 9 – Circuito para análise por superposição ............................13 Fig. 10 – Tabela periódica ............................................................17 Fig. 11 – Camadas de energia .......................................................18 Fig. 12 – Número de valência .......................................................19 Fig. 13 – Representação planar .....................................................20 Fig. 14 – Cristal tipo N .................................................................22 Fig. 15 – Cristal tipo P ..................................................................22 Fig. 16 – Cristal tipo PN ...............................................................23 Fig. 17 – Representação do diodo.................................................24 Fig. 18 – Diodo semicondutor ......................................................25 Fig. 19 – Polarização do diodo (a) direta e (b) reversa .................25 Fig. 20 – Curva característica do diodo ........................................26 Fig. 21 – Modelo ideal do diodo ...................................................27 ix Fig. 22 – Modelo para médias tensões..........................................28 Fig. 23 – Modelo real....................................................................28 Fig. 24 – Grampeador positivo .....................................................29 Fig. 25 – Grampeador duplo .........................................................29 Fig. 26 – Circuito magnético ........................................................35 Fig. 27 – Retificador de meia onda ...............................................36 Fig. 28 – Forma de onda do retificador de meia onda ..................37 Fig. 29 – Retificador de onda completa ........................................38 Fig. 30 – Forma de onda do retificador de onda completa............38 Fig. 31 – Retificador em ponte .....................................................39 Fig. 32 – Forma de onda do retificador em ponte .........................39 Fig. 33 – Duplicador de tensão .....................................................41 Fig. 34 – Triplicador de tensão .....................................................41 Fig. 35 – Quadruplicador de tensão ..............................................41 Fig. 36 – Modelo de capacitor e simbologia .................................45 Fig. 37 – Circuito equivalente de um capacitor ............................47 Fig. 38 – Capacitores variáveis .....................................................47 Fig. 39 – Capacitores fixos ...........................................................48 Fig. 40 – Circuito de carga desligado ...........................................49 Fig. 41 – Circuito de carga ligado.................................................49 Fig. 42 – Gráfico de tensão e corrente ..........................................50 Fig. 43 – Filtro passa-baixas .........................................................53 x Fig. 44 – Ponto de corte do passa-baixas ......................................53 Fig. 45 – Filtro passa-altas ............................................................54 Fig. 46 – Ponto de corte do passa-altas.........................................54 Fig. 47 – Filtro passa-banda..........................................................55 Fig. 48 – Ponto de corte do passa-banda.......................................55 Fig. 49 – Retificador de meia onda com filtro capacitivo.............56 Fig. 50 – Forma de onda do retificador com filtro........................56 Fig. 51 – Fotodiodo.......................................................................60 Fig. 52 – Diodo Emissor de Luz – LED .......................................61 Fig. 53 – Optoacoplador ...............................................................62 Fig. 54 – Diodo zener....................................................................63 Fig. 55 – Curva característica do diodo zener...............................63 Fig. 56 – Análise de funcionamento do zener...............................64 Fig. 57 – Diagrama de blocos de uma fonte de tensão..................69 Fig. 58 – Regulador zener.............................................................69 Fig. 59 – Regulador 78xx..............................................................75 Fig. 60 – Regulador 79xx..............................................................75 Fig. 61 – Estrutura do transistor....................................................78 Fig. 62 – Estrutura do transistor NPN e PNP................................78 Fig. 63 – Simbologia para NPN e PNP.........................................79 Fig. 64 – Simbologia para NPN e PNP.........................................81 Fig. 65 – Relação das correntes do transistor................................81 xi Fig. 66 – Transistor em base comum ............................................83 Fig. 67 – Transistor em coletor comum ........................................83 Fig. 68 – Transistor em emissor comum.......................................84 Fig. 69 – Característica de saída ...................................................88 Fig. 70 – Regiões de operação ......................................................88 Fig. 71 – Pontos de operação ........................................................89 Fig. 72 – Reta de carga .................................................................90 Fig. 73 – Circuito de polarização ..................................................90 Fig. 74 – Circuito de polarização da base .....................................91 Fig. 75 – Circuito de polarização com realimentação de emissor.92 Fig. 76 – Circuito de polarização com realimentação do coletor..93 Fig. 77 – Circuito de polarização com emissor fixo .....................94 Fig. 78 – Circuito de polarização por divisor de tensão................95 Fig. 79 – Transistor como chave...................................................98 Fig. 80 – Formas de acionamento .................................................98 Fig. 81 – Acionamento digital ......................................................99 Fig. 82 – Transistor isolado ..........................................................100 Fig. 83 – Transistor em cascata.....................................................100 Fig. 84 – Transistor em push-pull .................................................100 Fig. 85 – Transistor em ponte H ...................................................101 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 01 – REVISÃO DE ELETRICIDADE 1.1. CIRCUITO ELÉTRICO Circuito elétrico‚ é todo e qualquer percurso fechado por onde circula a energia elétrica. GERADOR Æ CONDUTOR Æ Fig. 1 – Circuito elétrico. CARGA 1.1.1. GERADOR Elemento responsável pela criação (geração) da energia elétrica a partir de energia mecânica, química ou térmica. Os geradores são denominados, geralmente, de FONTES ELÉTRICAS ou simplesmente FONTES. 1.1.2. CONDUTOR Elemento destinado a conduzir (levar) a energia elétrica do gerador ao receptor. 1.1.3. RECEPTOR Elemento destinado a receber a energia elétrica e convertê-la em uma outra forma de energia que possa ser utilizada (mecânica, térmica, luminosa). Os receptores são geralmente denominados de CARGAS ELÉTRICAS ou simplesmente CARGA. O fluxo de energia elétrica dar-se através do esquema abaixo: GETIN Pág. 1 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.2. CONDUTORES E ISOLANTES 1.2.1. CONDUTOR É todo e qualquer material que apresenta grande quantidade de elétrons livres, isto é, apresentam elétrons que estão fracamente ligados ao núcleo do átomo. Estes materiais, quando submetidos a uma DIFERENÇA DE POTENCIAL (ddp) ou FORÇA ELETROMOTRIZ (fem) ou TENSÃO, têm esses elétrons circulando no seu interior. Ex.: ouro; prata; cobre; alumínio 1.2.2. ISOLANTE Ao contrário dos condutores, os isolantes têm uma quantidade muito pequena de elétrons livres, ou seja, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo do átomo, o que dificulta a circulação desses no seu interior. Ex.: borracha; mica; porcelana 1.3. FONTES DE ENERGIA ELÉTRICA Para que qualquer circuito elétrico funcione, é preciso haver uma fonte de energia. Uma fonte de energia pode fornecer (a) uma TENSÃO ou (b) uma CORRENTE. GETIN Pág. 2 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.3.1. FONTE DE TENSÃO (U) É o elemento que apresenta uma ddp (tensão ou fem) entre os seus terminais (pólos) e que fornece energia elétrica quando uma carga é conectada aos seus pólos. Ex.: pilha; bateria. A tensão elétrica é a relação entre o trabalho realizado para deslocar uma carga elétrica entre os dois pontos de uma ddp. A unidade de tensão é o VOLT (V). O instrumento de medida da tensão é o VOLTÍMETRO, que deve ser conectado em paralelo com a carga, pois ambos ficam, assim, sob o mesmo potencial elétrico. As fontes de tensão ideais não têm perdas internas (não consomem energia internamente), porém, isto não ocorre nas fontes reais. Portanto, as fontes reais apresentam um elemento de dispersão interna (conhecido como resistência interna da fonte). Fig. 2 - Fontes de tensão (a) fonte, (b) pilha e (c) bateria. GETIN Pág. 3 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.3.2. FONTE DE CORRENTE (I) Elemento que, ao invés de provocar uma ddp, fornece uma corrente elétrica à carga. Mas... o que é corrente elétrica ? A corrente elétrica é o deslocamento de cargas (positivas e negativas) dentro de um material, quando existe uma ddp entre as extremidades deste. Tal deslocamento procura restabelecer o equilíbrio desfeito pela ação de um campo elétrico ou de outros meios (reação química, atrito, luz). Portanto, a corrente elétrica é o fluxo de cargas que atravessa a seção reta de um condutor por unidade de tempo. A unidade de corrente é o AMPÈRE (A). O instrumento de medição de corrente é o AMPERÍMETRO, o qual deve ser conectado em série ao local que se quer saber a intensidade da corrente. Assim, a corrente que circula no local passa pelo instrumento. As fontes de corrente, tal como as de tensão, podem ser consideradas reais e ideais. No caso real, a fonte de corrente apresenta um elemento dispersivo em paralelo com sua saída. O símbolo elétrico de uma fonte de corrente é mostrado na Fig. 2. Fig. 3 – Fonte de corrente. GETIN Pág. 4 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.4. POTÊNCIA ELÉTRICA (P) Sabe-se que para se executar qualquer movimento ou produzir calor, luz, radiação etc., é necessário despender energia. À energia aplicada por segundo em qualquer destas atividades chama-se potência. Em eletricidade, a potência é o produto da tensão pela corrente P = UI (1.1) Portanto, a unidade de potência é o WATT (W). O instrumento destinado a medir potência é conhecido como WATTÍMETRO. O wattímetro é composto por duas bobinas, uma de cor- rente, conectada em série com o circuito, e uma de potencial, conectada em paralelo com o circuito. 1.5. RESISTÊNCIA ELÉTRICA (R) Chama-se resistência elétrica à oposição feita, internamente, pelo material à circulação da corrente elétrica. Por isso, os corpos maus condutores têm resistência elevada e os corpos bons condutores têm menor resistência. Isto se deve às forças que mantêm os elétrons livres, agregados ao núcleo do material. Foi o cientista alemão Ohm quem estabeleceu a lei que tem o seu nome e inter-relaciona a ddp, a corrente e a resistência do material. GETIN Pág. 5 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE U = RI (1.2) onde: I Æ intensidade da corrente elétrica (A); U Æ ddp ou fem ou tensão (V); R Æ resistência elétrica. A unidade de resistência elétrica é o OHM (Ω). O instrumento destinado a sua medição é o OHMÍMETRO, que é usado em paralelo com o resistor que se quer medir. A resistência depende do tipo do material, do comprimento, da área da seção transversal e da temperatura. Cada material tem a sua resistência específica própria, ou seja, a sua resistividade (ρ). Então, a expressão da resistência em função dos dados relativos ao condutor é R= ρl S (1.3) onde: R Æ resistência em Ω; ρ Æ resistividade do material em Ω-mm2/m; l Æ comprimento em metros; S Æ área da seção reta em mm2. GETIN Pág. 6 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE A resistência varia com a temperatura de acordo com a expressão: Rt = RO [1 + α (t 2 − t1 )] (1.4) onde: Rt Æ valor da resistência na temperatura "t" em Ω; Ro Æ valor da resistência a 0oC em Ω; α Æ coeficiente de temperatura em oC-1; t2 e t1 Æ temperaturas final e inicial em oC. A simbologia elétrica adotada para uma resistência elétrica é mostrada na Fig. 4. Fig. 4 – Resistências (a) fixa, (b) variável e (c) LDR. 1.6. ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES Os circuitos elétricos são organizados de tal maneira que podemos determinar a forma pela qual os resistores estão associados comumente. Os resistores associados podem ser substituídos por um único RESISTOR EQUIVALENTE ao conjunto (Req). GETIN Pág. 7 ELETRÔNICA ANALÓGICA I ) PROF. HENRIQUE O resistor equivalente (Req) é um elemento que tem um valor igual ao do conjunto, ou seja, é um elemento que substitui o conjunto sem alterar o trabalho realizado por este. Os resistores podem ser associados em série, em para- lelo ou de ambas as maneiras. 1.6.1. ASSOCIAÇÃO SÉRIE Dois ou mais resistores estão em série quando a corrente que passa por um passa pelos demais. O valor do resistor equivalente é igual ao somatório dos resistores associados (Fig. 5). Fig. 5 - Associação em série de resistores. Req = R1 + R2 + R3 + R4 (1.5) A tensão total através de um circuito série é igual à soma das tensões nos terminais de cada resistência do circuito (Fig. 5). Portanto, em um circuito série, a tensão se divide pro- GETIN Pág. 8 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE porcionalmente aos resistores do circuito, sendo, pois, chamado de DIVISOR DE TENSÃO. 1.6.2. ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Dois ou mais resistores estão em paralelo quando estão submetidos à mesma tensão. O valor do inverso do resistor equivalente é igual ao somatório dos inversos dos resistores associados (Fig. 6). Fig. 6 - Associação em paralelo de resistores. 1 1 1 1 1 = + + + Req R1 R2 R3 R4 (1.6) A corrente total através de um circuito paralelo é igual à soma das correntes, que passam, em cada resistência do circuito (Fig. 6).portanto, em um circuito paralelo, a corrente se divide, nos diversos ramos, em valores inversamente proporcionais aos valores dos resistores dos respectivos ramos. Assim sendo, o circuito paralelo é conhecido como DIVISOR DE CORRENTE. GETIN Pág. 9 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.6.3. ASSOCIAÇÃO MISTA Este tipo de associação é uma combinação das associações anteriores. Fig. 7 - Associação em mista de resistores. 1.7. LEIS DE KIRCHOFF A análise de circuitos elétricos pode ser realizada por diversas formas, porém a maneira mais rápida e simples é a análise das malhas e/ou dos nós do circuito em questão. Pensando nisto, o cientista alemão Kirchoff desenvolveu um método de análise que leva o seu nome. 1.7.1. LEI DOS NÓS “A soma algébrica das correntes instantâneas que fluem em uma junção qualquer, de uma rede, é igual a zero” (Bartkowiak, 1999). Em outras palavras, podemos dizer que a soma das correntes que chegam em um nó é igual à soma das correntes que saem deste nó. ∑I GETIN chegam = ∑ I saem (1.7) Pág. 10 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.7.2. LEI DAS MALHAS “A tensão aplicada a um circuito fechado é igual à soma das quedas de tensão naquele circuito” (Bartkowiak, 1999). Ou seja, o somatório das ddp em uma malha fechada é igual a zero. Portanto, a lei das malhas está em concordância com o circuito divisor de tensão. ∑U ) malha =0 (1.8) O sentido para percorrer a malha é arbitrário, desde que sejam observadas as convenções de polaridade das tensões na referida malha. 1.8. MÉTODOS DE ANÁLISE DE CIRCUITOS 1.8.1. TEOREMA DE THEVENIN O teorema de Thevenin consiste num método usado para transformar um circuito complexo num circuito simples equivalente. O teorema de Thevenin afirma que qualquer rede linear de fontes de tensão e resistências, se considerarmos dois pontos quaisquer da rede, pode ser substituído por uma resistência equivalente RTH em série com uma fonte equivalente VTH. O RTH é a resistência Thevenin através dos dois pontos escolhidos com todas as fontes de tensão internas curto- GETIN Pág. 11 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE circuitadas e VTH é a tensão de circuito aberto vista por estes dois pontos. EXEMPLO 01: Determinar a corrente que circula por R4 (Fig. 8). Fig. 8 - Circuito para análise por Thevenin. 1O PASSO: Retira-se R4 do circuito original deixando-o aberto entre os pontos “a” e “b” e calcula-se a tensão de circuito aberto (VTH), 2O PASSO: Determina-se a resistência equivalente (RTH); 3O PASSO: Conecta R4 ao circuito equivalente de Thevenin e, utilizando-se das leis de Kirchoff, encontra-se o que se pede. 1.8.2. TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO O teorema da superposição afirma que, numa rede com duas ou mais fontes, a corrente ou a tensão para qualquer componente é a soma algébrica dos efeitos produzidos por cada fonte atuando independentemente. A fim de se usar uma fonte de cada vez, todas as outras fontes são retiradas do circuito. Ao se retirar uma fonte de tensão, faz-se no seu lugar um curto- GETIN Pág. 12 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE circuito. Quando se retira uma fonte de corrente, ela é substituída por um circuito aberto. EXEMPLO 02: Determinar a corrente que circula por R1 (Fig. 9). Fig. 9 - Circuito para análise por superposição. 1O PASSO: Desliga-se a fonte V2 e encontramos a corrente I1, provocada por V1. 2O PASSO: Desliga-se a fonte V1 e encontramos a corrente I2, provocada por V2. 3O PASSO: A corrente I será igual a soma fasorial das correntes I1 e I2 . 1.8.3. TRANSFERÊNCIA MÁXIMA DE POTÊNCIA A potência máxima é fornecida pela fonte de tensão e recebida pela carga, se o valor da impedância de carga for igual ao da impedância interna da fonte de tensão. GETIN Pág. 13 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 1.9. EXERCÍCIOS 01. Uma lâmpada que utiliza 10 V, um resistor de 10 Ω que consome 4 A, e um motor de 24 V estão associados em série. Calcule a tensão total e a resistência total. 02. Se um fio de cobre tiver uma resistência de 4 Ω a 20o C, qual o valor da sua resistência a 75o C? 03. Dois resistores formam um divisor de tensão para polarização de base num amplificador de áudio. As quedas de tensão através deles são de 2,4 V e 6,6 V, respectivamente, num circuito de 1,5 mA. Determine a potência em cada resistor e a potência total dissipada em miliwatts. 04. Calcule a corrente em cada ramo de um circuito paralelo, formado por uma cafeteira elétrica de 20 Ω e um torrador de pão de 30 Ω, se a corrente total for de 10 A. 05. Qual a potência total consumida por um ferro elétrico de 4,5 A, um ventilador de 0,9 A, e um motor de geladeira de 2,4 A se estiverem todos ligados a uma linha de 120 V? 06. Cinco lâmpadas de 150 W estão ligadas em paralelo numa linha de 120 V. Se um filamento se abrir, quantas lâmpadas podem se acender? Por que? 07. Calcule todas as correntes através das resistências pelo método da corrente de malha (Fig. 1). GETIN Pág. 14 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 08. Calcule todas as correntes e as quedas de tensão através das resistências pelo método da análise da tensão nodal (Fig. 2). 09. Calcule a resistência equivalente e a tensão de saída Vo do circuito da Fig. 3. 10. Determine a tensão Vp por superposição (Fig. 4). 11. Calcule as correntes 1, 2 e 3 no circuito da Fig. 5. 12. Calcule IL e VL pelo equivalente de Thevènin para o circuito da Fig. 6. 13. Uma fonte de tensão tem 24 V em série com 6 Ω (Fig. 7). Desenhe o circuito da fonte de corrente equivalente. 14. No circuito da Fig. 8, determine: a)o circuito equivalente de Thevènin e o valor de VL; b)VL por superposição e c)VL pelo equivalente de Norton. 15. Que resistência de carga RL produzirá uma potência máxima na carga (Fig. 9) e qual o valor dessa potência? GETIN Pág. 15 ELETRÔNICA ANALÓGICA I GETIN PROF. HENRIQUE Pág. 16 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 02 - MATERIAIS SEMICONDUTORES 2.1. TABELA PERIÓDICA Local onde os elementos químicos são dispostos de acordo com seu número atômico para estudo e utilização. Fig. 10 – Tabela periódica. A tabela periódica está dividida em famílias e sua distribuição é vista na Fig. 10, enquanto que suas famílias são divididas em: 1- Metais 2- Semimetais 3- Não Metais 4- Gases Nobres 2.2. ESTRUTURA ATÔMICA A estrutura atômica de um elemento químico é a forma pela qual seus elétrons estão distribuídos em camadas de energia (Fig. 11) e fornece informações acerca de seu número atômico bem como de sua valência de energia GETIN Pág. 17 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 11 – Camadas de energia. 2.2.1. CAMADAS DE ENERGIA A quantidade máxima de elétrons existente em cada camada de energia é apresentada a seguir: 9 K - 2; 9 L - 8; 9 M - 18; 9 N - 32; 9 O - 32; 9 P - 18; 9 Q - 2. 2.3. CARACTERÍSTICAS Os átomos são constituídos por: 9 Prótons; 9 Nêutrons; 9 Elétrons. Os PRÓTONS correspondem a CARGAS POSITIVAS. Os ELÉTRONS são as CARGAS NEGATIVAS. Portanto, os átomos se encontram ELETRICAMENTE NEUTRO. GETIN Pág. 18 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Os ÁTOMOS ESTÁVEIS são os que possuem 8 ELÉTRONS na ÚLTIMA CAMADA de energia. 2.4. NÚMERO ATÔMICO O número atômico corresponde ao número de prótons que um átomo possui. Exemplos: Cálcio (Ca) – Z = 20 Cobre (Cu) – Z = 29 Polônio (Po) – Z = 84 Enxofre (S) – Z = 16 2.5. NÚMERO DE VALÊNCIA O numero de valência de um átomo corresponde ao número de elétrons existentes na última camada de energia. Fig. 12 – Número de valência. 2.6. PRINCIPAIS SEMICONDUTORES Dentre os semicondutores os primeiros a serem utilizados na confecção de dispositivos eletrônicos foram: 9 Germânio (Ge); 9 Silício (Si). GETIN Pág. 19 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 2.6.1. CARACTERÍSTICAS MARCANTES 9 São TETRAVALENTES; 9 COMPARTILHAM os elétrons da camada de valência; 9 NÃO APRESENTAM ELÉTRONS LIVRES; 9 Formam estruturas cristalinas (CRISTAIS) Nota: O Si é o elemento químico mais utilizado atualmente. 2.6.2. REPRESENTAÇÃO PLANAR A Fig. 13 apresenta uma representação planar de um semicondutor. Fig. 13 – Representação planar. 2.6.3. DOPAGEM ELETRÔNICA Na forma cristalina, o Si e o Ge não servem para a elaboração de componentes eletrônicos, porém esta situação pode ser modificada através da adição de certas IMPUREZAS ao cristal. Dependendo da impureza acrescentada aos semicondutores, eles podem CONDUZIR A CORRENTE ELÉTRICA de diferenGETIN Pág. 20 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE tes maneiras, constituindo-se nos mais diversos tipos de dispositivos. Estas impurezas consistem na ADIÇÃO de algum elemento que tenha um número diferente de elétrons na última camada e isto é feito em PROPORÇÕES extremamente PEQUENAS. 2.7. CRISTAIS Acrescentando ao Si um material como o arsênio (As), o antimônio (Sb) ou o fósforo (P), que têm 5 elétrons na última camada, estes elementos estranhos irão "DESEQUILIBRAR" a estrutura cristalina. As impurezas assumem a mesma estrutura do cristal de Si fazendo, cada uma, 4 ligações com seus átomos vizinhos mais próximos. O resultado é um excesso de elétrons, estes são os RESPONSÁVEIS PELA CONDUÇÃO DA CORRENTE. Este novo material recebe o nome de cristal do TIPO N. O número de elétrons livres é maior que o número de lacunas, ou seja, neste semicondutor os elétrons livres são portadores majoritários e as lacunas são portadores minoritários. GETIN Pág. 21 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 14 – Cristal tipo N. Se o material usado para dopar o Si for o alumínio (Al), o boro (B) ou o gálio (Ga), que tem 3 elétrons na última camada, o desequilíbrio será na falta de elétrons, isto é, haverá um buraco ou uma lacuna (cargas positivas) a mais na estrutura. Por isso, as impurezas trivalentes são chamadas de impurezas TIPO P e as lacunas podem ser consideradas como cargas elétricas positivas, portanto, este semicondutor é chamado tipo P. Fig. 15 – Cristal tipo P. A união entre um cristal do tipo P e um tipo N cria, entre eles, uma junção chamada de JUNÇÃO PN. GETIN Pág. 22 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 16 – Cristal tipo PN. O cristal tipo N tem excesso de elétrons livres e o tipo P excesso de lacunas (falta de elétrons livres), portanto o novo material tem duas camadas eletricamente desequilibradas. O equilíbrio não é alcançado porque a junção PN funciona como uma barreira, que impede o fluxo de elétrons entre os materiais. Esta barreira é denominada de BARREIRA DE POTENCIAL. Aplicando-se uma DIFERENÇA DE POTENCIAL (ddp) nos terminais do cristal PN, a barreira de potencial poderá ser vencida e, assim, haver um fluxo de elétrons (corrente elétrica) entre os materiais tipo P e tipo N. Se Fundido dois terminais às extremidades do cristal PN, tem-se um dispositivo eletrônico denominado de DIODO SEMICONDUTOR ou simplesmente DIODO GETIN Pág. 23 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 03 - DIODOS 3.1. CARACTERÍSTICAS Os diodos são dispositivos eletrônicos que permitem a passagem de corrente elétrica por seu interior. São fabricados a partir da junção de dois materiais semicondutores (um do tipo P e outro de tipo N). Os terminais de um diodo são denominados de Ânodo (lado positivo ou P) e Catodo (lado negativo ou N). Fig. 17 – Representação do diodo. Para funcionar adequadamente deve ser polarizado por uma fonte de tensão (ddp). 3.2. POLARIZAÇÃO Polarizar um diodo é limitar a intensidade da corrente elétrica que irá circular através dele e para isto se faz necessário encontrar o valor da resistência que será colocada em série e que tem por finalidade principal proteger o diodo contra correntes excessivas. A Fig. 18 mostra um diodo semicondutor formado pela junção de cristais do tipo N e do tipo P, entre eles se forma uma GETIN Pág. 24 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE barreira – barreira de potencial – cuja finalidade é impedir a transferência de elétrons livres de um cristal para o outro quando não polarizado. Fig. 18 – Diodo semicondutor. Aplica-se uma ddp entre os terminais do diodo e observamos o comportamento da barreira de potencial. Ora ela aumenta e ora diminui. A fonte de tensão pode ser conectada apenas de duas maneiras (Fig. 19): 9 Terminal positivo do lado P (polarização direta); 9 Terminal negativo do lado P (polarização reversa). Fig. 19 – Polarização do diodo (a) direta e (b) reversa. GETIN Pág. 25 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE A barreira de potencial funciona como uma espécie de “Resistência” à passagem da corrente pelo diodo. Na polarização DIRETA, as lacunas (tipo P) e os elétrons (tipo N) migram para a região da junção e se combinam mais ainda, fazendo com que a barreira de potencial DIMINUA, permitindo um fluxo de corrente pelo material. Portanto, apresenta uma RESISTÊNCIA MENOR (idealmente RD = 0). Na polarização invertida, os elétrons e as lacunas se afastam da região da junção, AUMENTANDO a barreira e como consequência NENHUMA CORRENTE circula pelo material. Portanto, apresenta uma RESISTÊNCIA MAIOR (idealmente RR = infinito) 3.3. CURVA CARACTERÍSTICA A curva característica é a curva (Fig. 20) que representa graficamente o comportamento de um diodo quando polarizado, mostrando os pontos de condução plena e de corte. Fig. 20 – Curva característica do diodo. GETIN Pág. 26 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 3.3.1. PONTO DE OPERAÇÃO É o ponto de coordenadas (VD, ID) na curva característica que fornece informações sobre a tensão e a corrente instantâneas no diodo. É conhecido como PONTO QUIESCENTE ou PONTO Q. Uma vez que o diodo polarizado diretamente permite a passagem de uma corrente elevada, mas tem limitações físicas, faz-se necessário à colocação de uma resistência externa que possa limitar a amplitude dessa corrente. 3.4. ANÁLISE DE CIRCUITOS 3.4.1. MODELO IDEAL Fig. 21 – Modelo ideal do diodo. GETIN Pág. 27 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 3.4.2. MODELO PARA MÉDIAS TENSÕES Fig. 22 – Modelo para médias tensões. 3.4.3. MODELO REAL Fig. 23 – Modelo real. GETIN Pág. 28 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 3.5. GRAMPEADOR POSITIVO Fig. 24 – Grampeador positivo. 3.6. DUPLO GRAMPEADOR Fig. 25 – Grampeador duplo. GETIN Pág. 29 ELETRÔNICA ANALÓGICA I GETIN PROF. HENRIQUE Pág. 30 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 3.7. EXERCÍCIOS 01. Suponha que a queda de tensão em um diodo de silício polarizado diretamente seja de 0,7 V e que a queda de tensão em um diodo de germânio polarizado diretamente seja de 0,3 V. a) Se D1 e D2 forem ambos diodos de silício (Fig. 1), calcule a corrente no circuito. b) Repita o exercício se D1 e D2 forem de germânio. c) Repita o exercício se D1 for de silício e D2 for de germânio. 02. Repita o exercício anterior quando a fonte de tensão mudar para um valor constante de 9 V. 03. No circuito da Fig. 2, o diodo é de Germânio. Calcule a porcentagem de erro provocada por se desprezar a queda de tensão no diodo quando a corrente I é calculada no circuito. Suponha que o diodo de germânio polarizado diretamente tenha uma queda de tensão de 0,3 V. 04. Repita o exercício anterior quando a fonte de tensão mudar para 3 V e o resistor mudar para 470 Ω. 05. Determine os diodos que estão polarizados diretamente na Fig. 3 e quais estão polarizados reversamente. 06. Determine os diodos que estão polarizados diretamente na Fig. 4 e quais estão polarizados reversamente. 07. As entradas A e B (Fig. 5) podem ser 0 V ou +10 V. Cada diodo de silício tem uma resistência de 400 Ω quando pola- GETIN Pág. 31 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE rizado diretamente. Calcule V0 para cada um dos seguintes casos: a) A = 0 V e B = 0 V; b) A = 0 V e B = +10 V; c) A = +10 V e B = 0 V; d) A = +10 V e B = +10 V. 08. As entradas A e B (Fig. 5) podem ser 0 V ou -5 V. Suponha que a queda direta é de 0,7 V, calcule V0 quando a) A = B = -5 V; b) A = -5 V e B = 0 V; c) A = 0 V e B = -5 V; d) A = B = 0 V. 09. As entradas A, B e C (Fig. 6) podem ser de +10 V ou -5 V. Cada diodo de silício tem uma resistência de 1k2 Ω quando polarizado diretamente. Calcule V0 quando a) A = B = C = -5 V. b) A = C = -5 V e B = +10 V. c) A = B = +10 V e C = -5 V. d) A = B = C = +10 V. 10. As entradas A, B e C (Fig. 6) podem ser de 0 V ou -5 V. Suponha que a queda direta é de 0,7 V, calcule V0 quando a) A = B = C = 0 V. b) A = B = 0 V e C = -5 V. c) A = C = -5 V e B = 0 V. d) A = B = C = -5 V. GETIN Pág. 32 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 11. No circuito mostrado na Fig. 5, cada diodo tem uma resistência de 100 Ω quando em condução. As entradas podem ser de 0 V ou +5 V. Sob quaisquer condições, em que a tensão de saída está supostamente no nível baixo, seu valor não pode exceder a 1 V. Qual é o menor valor de resistência que pode substituir a resistência de 1,5 kΩ no circuito? 12. Aplicando o teorema da Superposição, determine as correntes nos diodos do circuito abaixo. Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 GETIN Pág. 33 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 4 Fig. 5 GETIN Fig. 6 Pág. 34 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 04 - DIODOS EM CA 4.1. INTRODUÇÃO Circuitos retificadores são QUADRIPOLOS que funcionam com base na característica unidirecional do diodo: uma tensão CA é aplicada na entrada e uma tensão CC aparece na saída. Os diodos em circuitos de corrente alternada (CA) muitas vezes não suportam os níveis destes sinais e a fim de solucionar essa dificuldade são utilizados TRANSFORMADORES. 4.2. TRANSFORMADORES Os transformadores são dispositivos estáticos que ACOPLAM circuitos com diferentes níveis de tensão e/ou de impedâncias. Fig. 26 – Circuito magnético. GETIN Pág. 35 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 4.2.1. EQUAÇÕES PRINCIPAIS U PRI N PRI = U SEC N SEC I PRI N SEC = I SEC N PRI PPRI = PSEC Onde: U → Tensão P → Potência PRI → Primário (Fonte) I → Corrente N → Número de Espiras SEC → Secundário (Carga) 4.3. RETIFICADOR DE MEIA ONDA Fig. 27 – Retificador de meia onda. GETIN Pág. 36 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 28 – Forma de onda do retificador de meia onda. RESULTADOS OBTIDOS 2π U PICO 1 UL = U picosen(ωt )dt = ∫ 2π 0 π UDC = 0,318 UMÁX PIV = UMÁX IL = ID Um transformador com tensão de secundário de 12 V ligado a um retificador de meia onda com uma carga de 10 Ω. Considerando VF = 0,7 V, determine: a) tensão média na carga; b) corrente média na carga; c) especificações do diodo; d) formas de onda na carga e no diodo. GETIN Pág. 37 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 4.4. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Fig. 29 – Retificador de onda completa. Fig. 30 – Forma de onda do retificador de onda completa. RESULTADOS OBTIDOS UDC = 0,636 U’MÁX U’MÁX = UMÁX / 2 PIV = UMÁX IL = 2 ID GETIN Pág. 38 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Um transformador com tap central de 220/4+4 V ligado a um retificador de onda completa com carga de 10 Ω. Considerando a queda de tensão dos diodos, determine: a)tensão média na carga; b)corrente média na carga; c)especificações do diodo; d)formas de onda na carga e no diodo. 4.5. RETIFICADOR EM PONTE Fig. 31 – Retificador em ponte. Fig. 32 – Forma de onda do retificador em ponte. GETIN Pág. 39 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE RESULTADOS OBTIDOS UDC = 0,636 UMÁX PIV = UMÁX IL = 2 ID Um transformador com 220/25 V ligado a um retificador em ponte com carga de 10 Ω. Determine: a)tensão média na carga; b)corrente média na carga; c)especificações do diodo; d)formas de onda na carga e no diodo. GETIN Pág. 40 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 4.6. DOBRADOR DE TENSÃO Fig. 33 – Duplicador de tensão. 4.7. TRIPLICADOR DE TENSÃO Fig. 34 – Triplicador de tensão. 4.8. QUADRUPLICADOR DE TENSÃO Fig. 35 – Quadruplicador de tensão. GETIN Pág. 41 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 4.9. EXERCÍCIOS 01. O transformador da Fig. 1 tem uma tensão do secundário de 30 V. Qual a tensão de pico na carga? Qual a tensão média? Qual a corrente média na carga? 02. Na Fig. 2, a tensão do secundário é de 40 V. Qual a tensão de pico na carga? Qual a tensão DC na carga? Qual a corrente de carga? 03. Se a tensão do secundário for de 60 V (Fig. 2), qual dos diodos (Tab. 1) têm as especificações de IO e PIV suficientes para ser usado? 04. Dada uma tensão de secundário de 40 V (Fig. 2), calcule a corrente de carga DC e o PIV em cada diodo. Qual a corrente média retificada que passa pelo diodo? 05. Se a tensão do secundário (Fig. 3) for de 30 V, qual a tensão DC na carga? Qual o PIV de cada diodo? Qual a corrente DC na carga? 06. Os diodos da Fig. 3 têm especificação IO de 150 mA e PIV de 75 V. Estes diodos são adequados para uma tensão de secundário de 40 V? 07. Se os diodos da Fig. 3 tiverem uma especificação IO de 0,5 A e PIV de 50 V, eles são adequados para uma tensão de secundário de 60 V? GETIN Pág. 42 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 08. O diodo do circuito (Fig. 4) tem uma de resistência 50 Ω quando em condução. Determine a corrente e a tensão no diodo para o seguinte caso: uS = 0,1cos(ωt) U e Ub = 2 V. GETIN Pág. 43 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 05 – FILTRO CAPACITIVO 5.1. INTRODUÇÃO Há circuitos onde o ruído se propaga com maior ou menor intensidade e independentemente disto, torna-se necessário à eliminação deste sinal indesejado, pois o funcionamento adequado do sistema depende da fidelidade das informações processadas e assim poder intervir prontamente. 5.2. DEFINIÇÃO Circuito destinado a selecionar ou rejeitar uma determinada faixa de freqüência. Usados para eliminar freqüências indesejáveis, denominadas RUÍDO. 5.3. DIVISÃO 5.3.1. PASSIVOS Æ São aqueles que contém combinações em e em paralelo de resistores, capacitores e capacitores. 5.3.2. ATIVOS Æ São aqueles que, além de elementos passivos, também usam dispositivos como transistores e amplificadores operacionais. GETIN Pág. 44 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.4. COMPONENTE BÁSICO 5.4.1. CAPACITOR Funcionam com variação brusca de tensão. Não dissipa energia. Armazena energia para uso posterior. Fig. 36– Modelo de capacitor e simbologia. GETIN Pág. 45 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.4.2. CAPACITÂNCIA É a medida da quantidade de carga que um capacitor pode armazenar em suas placas (capacidade de armazenamento). Q C= V (5.1) 5.4.3. RIGIDEZ DIELÉTRICA É a capacidade de um dielétrico para evitar a condução de corrente elétrica. Tensão necessária para vencer a rigidez dielétrica é denominada de TENSÃO DE RUPTURA. Quando a ruptura ocorre, o capacitor passa a ter características muito semelhantes às de um condutor. 5.4.4. CORRENTE DE FUGA Quando aplicamos uma tensão entre as placas de um capacitor, flui uma corrente entre as placas denominada de CORRENTE DE FUGA (devido aos elétrons livres). i fuga GETIN vc = R fuga (5.2) Pág. 46 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Este efeito é representado por uma resistência em paralelo com o capacitor, cujo valor é, tipicamente, maior que 100 MΩ. Fig. 37 – Circuito equivalente de um capacitor. 5.4.5. TIPOS DE CAPACITORES Os capacitores podem ter ser capacitância fixa ao longo do tempo, bem como podem variá-la mediante ação do operador. Assim os capacitores podem ser variáveis ou fixos. Fig. 38 – Capacitores variáveis. GETIN Pág. 47 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Fig. 39 – Capacitores fixos. 5.4.5.1. CAPACITOR ELETROLÍTICO É usado normalmente nas situações em que capacitâncias maiores são necessárias. São projetados para uso em circuitos de corrente contínua. A tensão que pode ser aplicada entre os terminais do capacitor por longos períodos de tempo sem que ocorra a ruptura é conhecida como TENSÃO DE TRABALHO. GETIN Pág. 48 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE A máxima tensão contínua que pode ser aplicada por curtos períodos de tempo é denominada de TENSÃO DE PICO. Apresentam BAIXAS TENSÕES DE RUPTURA. Têm ELEVADAS CORRENTES DE FUGA (Rfuga da ordem de 1 MΩ). A descarga ocorre rapidamente. 5.4.6. CARGA E DESCARGA Fig. 40 – Circuito de carga desligado. Fig. 41 – Circuito de carga ligado. GETIN Pág. 49 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE A corrente de carga é expressa por: E −t / RC ic = e R (5.3) Onde o fator RC é chamado de CONSTANTE DE TEMPO τ=RC (5.4) A tensão de carga é dada por: ( ) −t / RC vc = E. 1−e (5.5) Graficamente podemos visualizar as equações acima como: 1 0.9 Corrente Tensão 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 Fig. 42 – Gráfico de tensão e corrente. GETIN Pág. 50 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE A corrente em um circuito capacitivo é praticamente zero após 5 constantes de tempo na fase de carga. A tensão no capacitor é praticamente igual a da fonte após 5 constantes de tempo. A tensão entre os terminais de um capacitor não pode variar instantaneamente. 5.4.7. REATÂNCIA CAPACITIVA A corrente do capacitor é proporcional a sua capacitância e a TAXA DE VARIAÇÃO da tensão em seus terminais. portanto, podemos obtê-la por: dvC iC = C dt (5.6) Para vc for constante → ic é zero. Quanto maior for a variação de tensão → maior será ic. Analisando a expressão acima no domínio do tempo, temos: dvC d = (Vm senωt ) = ωVm cos ωt dt dt dv iC = I m sen(ωt + 90o ) = C C dt I m = ω.C.Vm GETIN Pág. 51 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Aplicando a Lei de Ohm aos valores de pico, encontramos uma relação de resistência, que neste caso é denominada de REATÂNCIA CAPACITIVA e é dada por: Vm 1 = XC = I m ω.C (5.7) ω = 2π . f é a freqüência de operação. onde Portanto, f = 0 ⇒ XC → ∞ f → ∞ ⇒ XC ≅ 0 GETIN (5.8) Pág. 52 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.5. CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS 5.5.1.PASSA-BAIXAS Um filtro passa-baixas deve permitir a passagem de baixas freqüências com pequena atenuação e atenuar fortemente todas as outras acima de um certo valor crítico. Fig. 43 – Filtro passa-baixas. Resposta em freqüência Fig. 44 – Ponto de corte do passa-baixas. 1 X C = R ⇒ fC = 2π .R.C (5.9) Um filtro com Uin = 20 V, R = 1 kΩ e C = 500 pF. Determine: GETIN a) A freqüência de corte; b) A tensão de saída para f = 100 kHz e f = 1 MHz. Pág. 53 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.5.2. PASSA-ALTAS Um filtro passa-altas pode ser obtido invertendo-se as posições do resistor e do capacitor e as freqüências acima de um determinado valor devem passar e as abaixo devem ser cortadas. Fig. 45 – Filtro passa-altas. Resposta em freqüência Fig. 46 – Ponto de corte do passa-altas. X C = R ⇒ fC = GETIN 1 2π .R.C (5.10) Pág. 54 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.5.3. PASSA-BANDA Um filtro passa-faixa pode ser implementado através do cascateamento de um passa-baixas e um passa-altas. Fig. 47 – Filtro passa-banda. Fig. 48 – Ponto de corte do passa-banda. A freqüência inferior é definida pelo passa-altas e a superior pelo passa-baixas. Para R1 = 1 kΩ, R2 = 40 kΩ, C1 = 1,5 nF e C2 = 4 pF. Determine: a) As freqüências de corte inferior e superior; b) A tensão de saída quando f = fci. GETIN Pág. 55 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.6. RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO Fig. 49 – Retificador de meia onda com filtro capacitivo. Fig. 50 – Forma de onda do retificador com filtro. Os níveis de tensão na carga e da ondulação são dados por: VDC = f .C.RL .V R (5.11) V R = 2.(Vm − V DC ) (5.12) Projetar uma fonte com tensão de entrada de 220 V / 60 Hz e tensão média de saída de 5 V com RIPPLE de 0,1 V, para alimentar um circuito que tem resistência de entrada equivalente a 1 kΩ. Utilizar o retificador em ponte. GETIN Pág. 56 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 5.7. EXERCÍCIOS 01. Um retificador em ponte com um filtro capacitivo tem uma tensão de pico na saída de 25 V. Se a carga for de 220 Ω e a capacitância de 500 µF, qual a ondulação na carga? 02. A tensão do secundário é de 21,2 V (Fig. 1). Qual a tensão de carga DC se C = 220 µF? Qual o valor do ripple? Quais as especificações dos diodos ? 03. A Fig. 2 mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central aterrada, as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Qual a tensão na carga se a tensão de secundário for de 17,7 V e C = 500 µF? Qual o valor do ripple? Quais as especificações dos diodos? 04. Projete um retificador em ponte com filtro capacitivo, com tensão de saída de 15 V e um ripple de 1 V para uma carga de 680 Ω. Que tensão de secundário do transformador? Qual o valor do capacitor de filtro? Quais as especificações dos diodos? 05. Projete um retificador de onda completa usando um transformador com derivação central de 48 V que produza uma ondulação de 10 % da tensão de pico através de um filtro e uma carga de 330 Ω. Quais as especificações dos diodos? 06. Construa uma fonte de alimentação que preencha as seguintes características: a tensão do secundário seja de 12,6 V, a sa- GETIN Pág. 57 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE ída seja de 17,8 V com 120 mA, e uma segunda saída de 35,6 V com 75 mA. Quais as especificações dos diodos? GETIN Pág. 58 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 06 - DIODOS ESPECIAIS 6.1. OPTOELETRÔNICOS Os dispositivos optoeletrônicos são aqueles cujas características mudam com ou são controladas PELA LUZ, ou são aqueles que PRODUZEM e/ou MODIFICAM a luz. f = c λ (6.1) f → freqüência em hertz (Hz) λ → comprimento de onda em metros (m) c → velocidade da luz em metros por segundos (m/s) A luz visível → freqüências entre de 4.3x1014 Hz a 7.5x1014 Hz. A menor freqüência → cor vermelha. A maior freqüência → cor violeta. Abaixo do vermelho → INFRAVERMELHAS (< 1012 Hz). Acima do violeta → ULTRAVIOLETA (5x1017 Hz). A cor branca é uma mistura de todas as freqüências da faixa visível. O ESPECTRO de luz é uma curva de energia da luz versus a freqüência ou o comprimento de onda. GETIN Pág. 59 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 6.2. FOTODIODO Um fotodiodo é uma junção PN construída de modo que possa ser exposta à luz. Fig. 51 – Fotodiodo. Quando POLARIZADO REVERSAMENTE, comporta-se como um dispositivo FOTOCONDUTIVO, porque sua resistência varia com a corrente reversa. A corrente de fuga reversa em um diodo comum devese aos portadores minoritários gerados termicamente. No fotodiodo, são gerados portadores minoritários adicionais pela energia luminosa. Quanto maior a intensidade da luz, maior corrente reversa e menor a resistência efetiva. GETIN Pág. 60 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 6.3. DIODO EMISSOR DE LUZ Quando a corrente circula por uma junção PN POLARIZADA DIRETAMENTE, os elétrons livres do lado N cruzam a jun- ção e se combinam com as lacunas do lado P. Quando um elétron na banda de condução recombinase com uma lacuna na banda de valência, ele libera energia na forma de CALOR e de LUZ. Em alguns materiais, como o Si, a maior parte da energia é convertida em calor e em outros em luz. Se o material for translúcido e se a energia luminosa liberada for visível, então uma junção PN com estas características é chamada de DIODO EMISSOR DE LUZ (LED). Essa conversão de energia elétrica em luminosa é um exemplo do fenômeno ELETROLUMINESCÊNCIA. Fig. 52 – Diodo Emissor de Luz – LED. GETIN Pág. 61 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 6.4. OPTOACOPLADORES Um acoplador ótico combina um dispositivo emissor de luz com um dispositivo sensível à luz, em um único ENCAPSULAMENTO (Fig. 53). O exemplo mais simples é um LED encapsulado com um fototransistor. O LED é alimentado por um circuito de entrada e o foto-transistor aciona um circuito de saída. Portanto, os circuitos de entrada e saída são ACOPLADOS apenas pela energia luminosa. A principal vantagem é o excelente ISOLAMENTO ELÉ- TRICO entre os circuitos de entrada e saída. São denominados de ISOLADORES ÓTICOS. Fig. 53 – Optoacoplador. GETIN Pág. 62 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 6.5. DIODO ZENER O diodo zener (Fig. 54) quando polarizado diretamente, funciona como um diodo comum. Fig. 54 – Diodo zener. O zener funciona normalmente na REGIÃO DE RUPTURA, na polarização reversa (Fig. 55). Fig. 55 – Curva característica do diodo zener. GETIN Pág. 63 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Na ruptura, a tensão sobre o zener permanece quase constante, enquanto a CORRENTE REVERSA varia em uma larga faixa. A TENSÃO DE RUPTURA é chamada de tensão de referência (VZ) Portanto, o zener deve ser polarizado reversamente para aproveitar sua característica mais importante que é a de manter sua tensão de referência constante não importando as variações na entrada. 6.5.1. FUNCIONAMENTO DO ZENER Fig. 56 – Análise de funcionamento do zener. O circuito acima tem 2 malhas simples → Necessita de 2 equações para sua resolução: V E = VS + VZ GETIN (6.2) Pág. 64 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE IS = IZ + IL (6.3) VS = RS .I S (6.4) VZ = VL = RL .I L (6.5) PZ = VZ .I Zmáx (6.6) I Zmín = 0,1.I Zmáx (6.7) Onde: Em um circuito com zener, o 1º passo é determinar se o mesmo está ou não ativo. Um zener ativo significa que ele está polarizado reversamente e passa por ele uma corrente. Como saber se o zener está ou não ativo? Retira-se o zener do circuito e calcula a tensão de Thèvenin: se VTH > VZ → zener ativo → VL = VZ ; se VTH < VZ → zener inativo → VL ≠ VZ . EXEMPLO: Considere VE = 40V, VZ = 30V, RS = 4kΩ e RL = 10kΩ. Determine se p diodo zener está ou não na região ativa? Qual deve ser o valor de RS para deixar o zener ativo? GETIN Pág. 65 ELETRÔNICA ANALÓGICA I VTH = PROF. HENRIQUE RL 10k .VE = x 40 = 28,57V inativo R L + RS 10k + 4k ⎞ ⎛ VE ⎛ 40 ⎞ RS = RL ⎜⎜ − 1⎟⎟ = 10k ⎜ − 1⎟ ⇒ RS ≈ 3,3kΩ ⎝ 30 ⎠ ⎠ ⎝ VTH 6.6. EXERCÍCIOS 01. O diodo zener da Fig. 1 tem uma tensão zener de 15 V e uma potência de 0,5 W. Se VS= 40 V, qual o valor mínimo de RS que impede que o zener seja destruído? 02. Use os mesmos dados da questão anterior com RS= 2 kΩ. Qual o valor da corrente zener? Qual a potência dissipada pelo zener? 03. Na Fig. 1, VZ= 18 V, RS= 68 Ω e VS= 27 V. Qual o valor da corrente zener? Se VS= 40 V, qual o valor da variação de tensão na carga? Se RS= 4 kΩ e VZ= 25 V, qual o valor mínimo de VS que mantém o zener funcionando na região de ruptura? 04. Na Fig. 1, se RS= 1k5 Ω VS= 40 V e VZ= 10 V. Qual o valor aproximado da corrente zener para RL= 100 kΩ, RL= 10 kΩ e RL= 1kΩ? Nas mesmas condições, para que valor da resistência de carga o regulador zener deixa de funcionar? 05. Suponha que V= 25 V (Fig. 2). Se R1= 1 kΩ, qual o valor da corrente no LED? GETIN Pág. 66 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 06. O LED da Fig. 2 tem uma queda mínima de 1,5 V e uma queda máxima de 2,3 V. Considerando V= 10 V e R1= 470 Ω, quais os valores máximo e mínimo da corrente do LED? 07. Em um optoacoplador, V2= 20 V e R2= 47 kΩ. Se I2 variar de 2 a 10 µA, qual a variação de tensão através do fotodiodo? 08. Um TIL312 é um indicador de 7-Seg (Fig. 3). Cada segmento tem uma queda de tensão entre 1,5 e 2 V em 20 mA. Você tem que escolher entre usar uma alimentação de 5 V ou de 12 V. Projete um circuito indicador de 7-Seg controlado por chaves liga-desliga que consuma uma corrente total máxima de 140 mA. GETIN Pág. 67 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 07 - REGULADORES DE TENSÃO 7.1. FONTES DE ALIMENTAÇÃO São classificadas em: FONTES DE TENSÃO Æ mantêm a tensão de saída em um valor determinado, sendo variável o valor da corrente de saída dentro de certos limites; FONTES DE CORRENTE Æ proporcionam uma corrente de saída determinada, sendo possível a variação da tensão de saída dentro de certos limites. Esta primeira classificação faz-se em função da característica mais importante de saída que proporciona a fonte. Aqui nos limitaremos às fontes de tensão, assim pode-se classificá-las em: ¾ Simples; ¾ Estabilizadas; ¾ Reguláveis. SIMPLES Æ são aquelas em que a tensão de saída é fixa, porém podem variar com variações da tensão de entrada, da corrente de carga e da temperatura; ESTABILIZADAS Æ são aquelas em a tensão de saída é fixa e constante, independentemente das variações da tensão de entrada ou da corrente de carga; GETIN Pág. 68 ELETRÔNICA ANALÓGICA I REGULÁVEIS PROF. HENRIQUE Æ são aquelas em que a tensão de saída é va- riável ou ajustada pelo usuário dentro de certos valores. Fig. 57 – Diagrama de blocos de uma fonte de tensão. 7.2. REGULADOR ZENER Fig. 58 – Regulador zener. As aplicações do circuito regulador são: • CARGA FIXA a partir de uma ENTRADA CONSTANTE. • CARGA VARIÁVEL a partir de uma ENTRADA CONSTANTE. GETIN Pág. 69 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE • CARGA FIXA a partir de uma ENTRADA VARIÁVEL. • CARGA VARIÁVEL a partir de uma ENTRADA VARIÁVEL. O projeto de um regulador de tensão consiste em determinar o valor da resistência limitadora de corrente (RS), a partir das características do circuito : • Tensões de Entrada e de Saída; • Carga (fixa ou variável) e Zener. 7.2.1. CARGA E ENTRADA CONSTANTES RS atende as especificações do Zener: • IZmín → RSmáx (máximo valor) • IZmáx → RSmín (menor valor). • RS entre os valores mínimo e máximo. EXEMPLO 01: Determinar RS do regulador de tensão (Fig. 58) utilizado para que uma fonte de 12 V possa ser ligada em um circuito que representa uma carga de 1 kΩ e cuja tensão de alimentação seja de 5,6 V. Dados VZ = 5,6 V e IZmáx = 100 mA. GETIN Pág. 70 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE I Zmín = 0,1xI Zmáx = 0,1x100 x10 −3 ⇒ I Zmín = 10mA IL = VZ 5,6 = ⇒ I L = 5,6mA RL 1000 RSmáx = VE − VZ 12 − 5,6 = ⇒ RSmáx = 410Ω I Zmín + I L (10 + 5,6 )x10 −3 RSmín = VE − VZ 12 − 5,6 ⇒ RSmín = 61Ω = −3 I Zmáx + I L (100 + 5,6 )x10 Por tan to, VS2 61Ω ≤ RS ≤ 410Ω ⇒ RS = 330Ω ⇒ PS = ≅ 124mW RS 7.2.2. CARGA VARIÁVEL E ENTRADA FIXA RS atende as variações da carga e as especificações do Zener: • IZmín e ILmáx → RSmáx. • IZmáx e ILmín → RSmín. EXEMPLO 02: Determinar RS do regulador de tensão (Fig. 58) utilizado para que uma fonte de 12 V possa ser ligada em um circuito que representa uma carga variável en- GETIN Pág. 71 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE tre 100 Ω e 20 kΩ e cuja tensão de alimentação seja de 5,6 V. Dados VZ = 5,6 V e IZmáx = 100 mA. I Lmín = VZ 5,6 = ⇒ I Lmín = 0,28mA 3 RLmáx 20 x10 I Lmáx = VZ 5,6 = ⇒ I Lmáx = 56mA RLmín 100 RSmáx = VE − VZ 12 − 5,6 = ⇒ RSmáx = 97Ω −3 I Zmín + I L (10 + 56)x10 RSmín = VE − VZ 12 − 5,6 = ⇒ RSmín = 64Ω I Zmáx + I L (100 + 0,28)x10− 3 Por tan to, VS2 64Ω ≤ RS ≤ 97Ω ⇒ RS = 82Ω ⇒ PS = ≅ 499,5mW RS GETIN Pág. 72 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 7.2.3. CARGA FIXA E ENTRADA VARIÁVEL RS atende as variações da entrada e as especificações do Zener: • IZmín e VEmín → RSmáx. • IZmáx e VEmáx → RSmín. EXEMPLO 03: Uma fonte foi projetada para uma carga de 560 Ω e 15 V. Porém o filtro capacitivo tem uma tensão de 22 V com ripple de 5 V. Determinar RS que elimina o ripple e fixa a tensão em 15 V. Dados VZ = 15 V, IZmáx = 500 mA e IZmín = 15 mA. VEm = VE ± IL = 5 Vr = 22 ± ⇒ VEmín = 19,5V → VEmáx = 24,5V 2 2 15 VZ = ⇒ I L = 26,79mA RL 560 RSmáx = 19,5 − 15 VEmín − VZ = ⇒ RSmáx = 108Ω I Zmín + I L (15 + 26,79)x10− 3 RSmín = VEmáx − VZ 24,5 − 15 = ⇒ RSmín = 18Ω −3 I Zmáx + I L (500 + 26,79)x10 Por tan to, VS2 18Ω ≤ RS ≤ 108Ω ⇒ RS = 47Ω ⇒ PS = ≅ 1,92W RS GETIN Pág. 73 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 7.2.4.CARGA VARIÁVEL E ENTRADA VARIÁVEL RS atende as variações da entrada, as variações da carga e as especificações do Zener: • IZmín,VEmín e ILmáx → RSmáx. • IZmáx, VEmáx e ILmín → RSmín. EXEMPLO 04: Uma fonte possui um VDC = 30 V com Vr = 3 V. Determinar RS que elimina o ripple e fixa a tensão em 15V, sabendo a carga pode variar de 50 Ω até 100 kΩ. Dados VZ = 15 V, IZmáx = 250 mA e IZmín = 23 mA. VEm ≅ VE ± I Lm = Vr 3 = 30 ± ⇒ VEmín = 28,5V → VEmáx = 31,5V 2 2 VZ ⇒ I Lmín = 150µA → I Lmáx = 300mA RLm RSmáx = VEmín − VZ 28,5 − 15 = ⇒ RSmáx = 41Ω I Zmín + I Lmáx (30 + 300)x10 −3 RSmín = VEmáx − VZ 31,5 − 15 = ⇒ RSmáx = 24Ω I Zmáx + I Lmín 700 x10 −3 + 150 x10 −6 Por tan to, 2 VSmáx 24Ω ≤ RS ≤ 41Ω ⇒ RS = 33Ω → PS = = 8,25W RS GETIN Pág. 74 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 7.3. REGULADORES INTEGRADOS CI’s cuja função é estabilizar a amplitude da tensão de saída. Divide-se em: Reguladores de Tensão Fixa (Positiva e Negativa) e Reguladores de Tensão Variáveis. 7.3.1. SÉRIE 78XX São os reguladores de tensão fixa positiva. Fig. 59 – Regulador 78xx. 7.3.2. SÉRIE 79XX São os reguladores de tensão fixa negativa. Fig. 60 – Regulador 79xx. 7.3.3. REGULADORES VARIÁVEIS Apresentam saída variável dependendo das condições impostas pelo projeto. GETIN Pág. 75 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 7.4. PROJETO Projetar uma fonte de alimentação com as seguintes características: 1. Retificador de onda completa ou em ponte; 2. Filtro capacitivo; 3. Saída com regulador zener (3 V / 300 mA); 4. Saída com regulador integrado (5 V – 8 V – 12 V / 1,5 A); 5. Simular e Confeccionar o circuito em placa. 7.5. EXERCÍCIOS 01. A Fig. 1 mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central aterrada, as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Qual a tensão na carga se a tensão de secundário for de 17,7 V e C = 500 µF? Qual o valor do ripple? Quais as especificações dos diodos? 02. Projete um retificador em ponte com filtro capacitivo, com tensão de saída de 15 V e um ripple de 1 V para uma carga de 680 Ω. Que tensão de secundário do transformador? Qual o valor do capacitor de filtro? Quais as especificações dos diodos? 03. Projete um retificador de onda completa usando um transformador com derivação central de 48 V que produza uma ondulação de 10 % da tensão de pico através de um filtro e uma carga de 330 Ω. Quais as especificações dos diodos? GETIN Pág. 76 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 04. Construa uma fonte de alimentação que preencha as seguintes características: a tensão do secundário seja de 12,6 V, a saída seja de 17,8 V com 120 mA, e uma segunda saída de 35,6 V com 75 mA. Quais as especificações dos diodos? 05. Um regulador zener tem Vz = 15 V. Vs pode variar entre 22 V e 40 V. A carga pode variar de 1 kΩ a 50 kΩ. Qual o valor da resistência em série? 06. Escolha um valor de resistência em série para um regulador zener chegar às seguintes especificações: a tensão da fonte varia de 30 a 50 V, a corrente de carga varia de 10 a 25 mA e a tensão de carga é de 12 V. 07. Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificações: tensão de carga de 6,8 V, tensão da fonte de 20 V com variação de 20 % e corrente de carga de 30 mA com variação de 50 %. GETIN Pág. 77 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 08 - TRANSISTORES BIPOLARES 8.1. ESTRUTURA FÍSICA Fig. 61 – Estrutura do transistor. Constituição • 2 junções tipo PN • 3 cristais • 3 terminais Portanto, Fig. 62 – Estrutura do transistor NPN e PNP. GETIN Pág. 78 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 8.2. SIMBOLOGIA Fig. 63 – Simbologia para NPN e PNP. 8.3. ANÁLISE DO CIRCUITO Pela Lei dos Nós, temos: I E = I B + IC (8.1) Pela Lei das Malhas, temos: VCE = VCB + VBE (8.2) onde: V CE = V C − V E V CB = V C − V B (8.3) V BE = V B − V E = 0,7V GETIN Pág. 79 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 8.4. CLASSIFICAÇÃO 8.4.1. USO GERAL: - pequenos sinais; - baixas freqüências; - ICEmáx entre 20 e 500mA; - VCEmáx entre 10 e 80V; - comutação entre 1Hz e 200MHz; 8.4.2. POTÊNCIA: - correntes elevadas; - baixas freqüências; - ICEmáx inferior a 15A; - VCEmáx entre 20 e 100V; - comutação entre 100kHz e 40MHz; - montados sobre radiadores de calor; 8.4.3. RF: - pequenos sinais; - freqüência elevada; - ICEmáx inferior a 200mA; - VCEmáx entre 10 e 30V; - comutação muito alta (~1,5 GHz). EXEMPLOS: Série BC → uso geral; Série BD → potência; Série TIP → potência; Série BF → freqüência. GETIN Pág. 80 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 8.5. FUNCIONAMENTO Fig. 64 – Circuito de teste. Análise: R1 → ∞ ⇒ I B ≡ 0 ⇒ I C ≡ 0 R1 ↓ (decresce) ⇒ I B ↑ (aumenta ) ⇒ I C ↑↑↑ R1 (baixo) ⇒ I B ↑↑ (alto) ⇒ I C a (estável ) Fig. 65 – Relação das correntes do transistor. GETIN Pág. 81 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Portanto, CORTE: IB = IC = 0. SATURAÇÃO: IC é MÁXIMO. LINEAR: IC = β IB . β → Ganho de Corrente (>> 1) EXEMPLO: Em um transistor de junção bipolar (TJB) a corrente da base é de 1 mA e o ganho de estático de corrente é 50. Determinar as correntes de coletor e emissor. I C = β .I B = 50 x1x10 −3 ⇒ I C = 50mA I E = I B + I C ⇒ I E = 51mA 8.6. CONFIGURAÇÕES BÁSICAS Um circuito elétrico deve ter pelo menos: 1. Malha de Entrada → Fonte de Sinal; 2. Malha de Saída → Carga. Como o transistor pode apresentar tais características com apenas 3 terminais? GETIN Pág. 82 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 8.6.1. BASE COMUM Fig. 66 – Transistor em base comum. Principais características: Característica Entrada Saída Ganho Tensão VBE VCB Alto Corrente IE IC <1 Impedância Muito Baixa Muito Alta 8.6.2. COLETOR COMUM - SEGUIDOR DE EMISSOR Fig. 67 – Transistor em coletor comum. GETIN Pág. 83 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE Principais características: Característica Entrada Saída Tensão VBC VEC Corrente IB IE Impedância Alta Baixa Ganho ≈ 1 Alto 8.6.3. EMISSOR COMUM Fig. 68 – Transistor em emissor comum. Principais características: Característica Entrada Saída Ganho Tensão VBE VCE Alto Corrente IB IC Alto Impedância Baixa Alta GETIN Pág. 84 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 8.7. EXERCÍCIOS 01. Se a corrente do emissor for de 6 mA e a corrente do coletor de 5,75 mA, qual o valor da corrente de base? Qual o valor de β? 02. Um transistor tem um IC de 100 mA e um IB de 0,5 mA. Quais os valores de α e β? 03. Um transistor tem um β de 150. Se a corrente do coletor for igual a 45 mA, qual o valor da corrente de base? 04. Um 2N5607 tem um β típico de 90. Calcule as correntes aproximadas do coletor e da base para uma corrente de emissor de 10 mA. 05. Um transistor tem um β de 400. Qual o valor da corrente da base quando a corrente do coletor for igual a 50 mA? 06. A Fig. 1 mostra uma das curvas do coletor. Calcule β nos pontos A e B. 07. Um 2N5346 tem as variações de β mostradas na Fig. 2. Qual o valor de β se IC for de 1 mA? Qual o valor da corrente da base quando IC for 1 A e quando for 7 A? 08. Um transistor tem uma corrente do coletor de 10 mA e uma tensão de coletor-emissor de 12 V. Qual a potência dissipada? 09. Um 2N3904 tem uma especificação de potência de 310 mW à temperatura ambiente. Se a tensão entre coletor-emissor for de 10 V, qual a máxima corrente que o transistor pode agüentar sem exceder a sua especificação de potência? GETIN Pág. 85 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 10. Qual a corrente da base na Fig. 3? Qual a tensão entre coletor-emissor? O transistor está em saturação? 11. Suponha que ligamos um LED em série com o resistor de 10 kΩ (Fig. 3). Qual o valor da corrente do LED? 12. Qual o valor da corrente da base na Fig. 4? Qual a corrente do coletor? Qual a tensão entre coletor-emissor? 13. Re-projete o circuito da Fig. 3 para obter uma corrente de saturação de 5 mA no coletor. 14. Projete um circuito semelhante ao da Fig. 3 (transistor chave) que atinja as seguintes especificações: VCC= 15 V, VBB= 0 ou 15 V e IC(sat)= 5 mA. 15. Projete um acionador de LED que chegue às seguintes especificações: VCC= 10 V, VBB= 0 ou 10 V e ILED= 20 mA. 16. A Fig. 5 mostra uma conexão Darlington de dois transistores. Responda às seguintes perguntas: a) Qual a tensão através do resistor de 100 Ω? b) Qual o valor aproximado da corrente do coletor no primeiro transistor se o segundo tiver um β de 150? c) Se o primeiro transistor tiver um β de 100 e o segundo tiver um β de 150, qual a corrente da base no primeiro transistor? GETIN Pág. 86 ELETRÔNICA ANALÓGICA I GETIN PROF. HENRIQUE Pág. 87 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 09 – POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES 9.1. CURVA CARACTERÍSTICA SAÍDA → Gráfico (Fig. 69) Corrente X Tensão para uma determinada entrada. Fig. 69 – Característica de saída. Fig. 70 – Regiões de operação. GETIN Pág. 88 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.2. PONTO DE OPERAÇÃO Todo e qualquer par ordenado (IC, VCE) é um ponto de operação para uma dada condição de entrada (IB). Fig. 71 – Pontos de operação. Exemplos: Q1 = (I1, V1) Q2 = (I2, V2) Q3 = (I3, V3) Q4 = (I4, V4) GETIN Pág. 89 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.3. RETA DE CARGA É a reta que une todos os pontos Q na curva característica de saída. Fig. 72 – Reta de carga. É definida pela equação da malha de saída do circuito de polarização. Fig. 73 – Circuito de polarização. VCC−VE −VCE IC = RC GETIN (9.1) Pág. 90 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.4. CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO 9.4.1. POLARIZAÇÃO DA BASE Fig. 74 – Circuito de polarização da base. EXEMPLO 01: Dado um transistor com β = 50 e uma fonte de alimentação de 10 V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCE = 5 V; IC = 80 mA. Malha de Entrada: VCC − RB I B − VBE = 0 Malha de Saída: VCC − RC I C − VCE = 0 RC = VCC − VCE 10 − 5 = 62,50Ω = −3 IC 80 x10 80 x10 −3 = = 1,6mA IB = β 50 IC RB = GETIN VCC − V BE 10 − 0,7 = = 5812,5Ω = 5k 8125Ω −3 IB 1,6 x10 Pág. 91 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.4.2. REALIMENTAÇÃO DO EMISSOR Fig. 75 – Circuito de polarização com realimentação de emissor. EXEMPLO 02: Dado um transistor com β = 250 e uma fonte de alimentação de 20 V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCE = 10 V; IC = 100 mA. Considere: VE = 0,1xVCC como β = 250 >> 1 ⇒ I E ≈ I C RE = VE 0,1x20 = = 20Ω −3 I E 100x10 VCC − RC IC −VCE −VE = 0 ⇒ RC = 20 −10 − 0,2 = 98Ω −3 100x10 20 − 0,7 − 0,2 VCC − RB I B −VBE −VE = 0 ⇒ RB = = 47k75Ω −6 400x10 GETIN Pág. 92 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.4.3. REALIMENTAÇÃO DO COLETOR Fig. 76 – Circuito de polarização com realimentação do coletor. EXEMPLO 03: Dado um transistor com β = 200 e uma fonte de alimentação de 15 V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCE = 7,5 V; IC = 6,7 mA. V CC − R C I C − V CE = 0 RC 15 − 7 , 5 = ≈ 1 k 12 Ω −3 6 , 7 x 10 V CC − R C I C − R B I B − V BE = 0 ou − R B I B − V BE + V CE = 0 RB GETIN 7 ,5 − 0 ,7 = ≈ 202 k 99 Ω −6 33 , 5 x 10 Pág. 93 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.4.4. POLARIZAÇÃO DO EMISSOR Fig. 77 – Circuito de polarização com emissor fixo. EXEMPLO 04: Dado um transistor com β = 100 e duas fonte de alimentação de +10 V e -15 V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCE = 10 V; IC = 14 mA VE = 0,1x(VCC + VEE ) ⇒ V E = 2,5V RE = VE , comoβ >> 1 ⇒ I E ≡ I C ⇒ RE ≅ 178,57Ω IE VCC − (RC + RE )I C − VCE + VEE = 0 RC = 10 − 2,5 − 10 + 15 ⇒ RC ≅ 892,86Ω −3 14 x10 0 − RB I B − VBE − VE + VEE = 0 RB = GETIN 15 − 2,5 − 0,7 ⇒ RB ≅ 84k 29Ω −6 140 x10 Pág. 94 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.4.5. DIVISOR DE TENSÃO Fig. 78 – Circuito de polarização por divisor de tensão. EXEMPLO 05: Dado um transistor com β = 250 e uma fonte de alimentação de 9 V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCE = 4,5 V; IC = 20 mA e VBE = 0,65 V. Considere: I 1 = 10 xI B RE = VE 0 ,1 x 9 = ⇒ R E = 45 Ω IC 20 x 10 − 3 R2 = VB 0 , 7 + 0 ,9 = ⇒ R 2 ≅ 2 k 22 Ω I1 − I B 9 x 80 x 10 − 6 R1 = RC = GETIN V CC − V B 9 − 1, 6 = I1 10 x 80 x 10 −6 ⇒ R 1 = 9 k 25 Ω V CC − V C 9 − ( 4 ,5 + 0 ,9 ) = ⇒ R C = 180 Ω IC 20 x 10 − 3 Pág. 95 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 9.5. EXERCÍCIOS 01. O transistor da Fig. 1 tem um hFE de 80. Qual a tensão entre o coletor e o terra? 02. Para que valor aproximado de β o circuito da Fig. 1 se satura? 03. Se β = 125, Fig. 1, calcule a tensão da base, a tensão do emissor e a tensão do coletor (em relação ao terra). 05. Se VCC = 10 V, Fig. 2, qual a tensão do coletor em cada estágio? 06. Se VCC = 15 V, Fig. 2, qual a potência dissipada em cada transistor? 07. Qual a tensão do emissor relativamente ao terra para cada estágio da Fig. 3 se a tensão de alimentação for de 10 V? 08. Calcule a corrente de saturação do coletor para cada estágio da Fig. 3, para VCC = 15 V. 09. Faça uma análise completa da Fig. 3 para VCC = 20V calculando para cada estágio os seguintes valores: VB, VE, VC, IC e PD. 10. Qual a corrente do coletor em cada estágio da Fig. 4? Qual a tensão do coletor ao terra? 11. Qual a potência dissipada em cada transistor da Fig. 4? 12. Qual a corrente do coletor na Fig. 5? Quais são as seguintes tensões relativamente ao terra: VB, VE e VC 13. Na Fig. 6, calcule VB, VE e VC. GETIN Pág. 96 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 14. Calcule as seguintes tensões em cada estágio da Fig. 7: VB, VE e VC. Calcule também a potência dissipada em cada transistor. 15. Projete um estágio com polarização por realimentação do coletor para chegar às seguintes especificações: VCC = 20 V, IC = 5 mA e β = 150. 16. Projete um amplificador de dois estágios usando uma polarização por divisor de tensão. a fonte de alimentação é de 15 V e a corrente quiescente do coletor deve ser de 1,5 mA em cada estágio. Admita um hFE de 125 GETIN Pág. 97 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 10 – TRANSISTOR COMO CHAVE 10.1. CHAVE ELETRÔNICA Utiliza a polarização da base. RC pode ser a própria carga. Pode ser ativado por sinal externo diretamente. Fig. 79 – Transistor como chave. Pode ser ativado por sinal interno. Fig. 80 – Formas de acionamento. GETIN Pág. 98 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 10.2. DIMENSIONAMENTO Necessário: Condições para base aberta → VCEOmáx. Condições de saturação → VBEsat, VCEsat e βsat. Capacidade máxima → ICmáx Características da carga → VL e IL. EXEMPLO: Deseja-se acionar um LED usando um transistor. As características do transistor são: VBEsat de 0,7 V; VCEsat de 0,3 V; βsat. de 20; ICmáx de 200 mA e VCEmáx de 80 V. As características do LED são: VLED de 1,5 V e ILED de 25 mA. Utilizar uma fonte de 5V. Fig. 81 – Acionamento digital. I C = I LED = 25 x 10 −3 A ⇒ IB = RC = V CC − V LED − V CEsat I LED RB = V ENT − V BEsat IB GETIN IC β = 1, 25 x 10 −3 A ⇒ R C = 128 Ω ⇒ R B = 3 k 44 Ω Pág. 99 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 10.3. CIRCUITOS COM TRANSISTORES 10.3.1. TRANSISTOR ISOLADO Fig. 82 – Transistor isolado. 10.3.2. TRANSISTORES EM CASCATA Fig. 83 – Transistor em cascata. 10.3.3. TRANSISTORES EM PUSH-PULL Fig. 84 – Transistor em push-pull. GETIN Pág. 100 ELETRÔNICA ANALÓGICA I PROF. HENRIQUE 10.3.4. TRANSISTORES EM PONTE H Fig. 85 – Transistor em ponte H. 10.4. EXERCÍCIO 01. Um circuito digital foi projetado para acionar um motor de 110V/60Hz sob determinadas condições. Para tanto, é necessário que um transistor como chave atue sobre um relé, já que nem o circuito digital, nem um transistor podem acionar este motor. O circuito utilizado para este fim está mostrado na Fig. 3. Os dados do transistor são: Dados do transistor: VBEsat = 0,7 V; VCEsat = 0,3 V; βsat = 10; ICmáx = 500 mA; VCEmáx = 100 V. GETIN Dados do relé: resistência DC de 80 Ω corrente de 50 mA Pág. 101