Pim 2010

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1 UNIVERSIDADE PAULISTA-UNIP CURSO SUPERIOR TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDÚSTRIAL-CAMPUS MANAUS PROJETO INTEGRADO MULTIDISCIPLINAR-PIM AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UNIP-MANAUS 2010 2 JOSÉ ROBERTO DA SILVA SOUSA RA-A00HAI-1 ENIVALDO ALCANTARA DANTAS RA-A00IJ-6 SELVIO CARVALHO DE SOUSA RA-A300BE-8 RADAMÉS RIBEIRO DA SILVA RA-A28JJA-7 NÉLIO NASCIMENTO MENDES RA-A15IBB-0 PROJETO INTEGRADO MULTIDISCIPLINAR-PIM AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UNIP-MANAUS 2010 3 PROJETO INTEGRADO MULTIDISCIPLINAR – PIM PROJETO DE AUTOMAÇÁO RESIDENCIAL Projeto definido e aprovado em ____/____/____ de 2010 ALUNOS ___________________________ José Roberto da Silva Sousa __________________________ Enivaldo Alcântara Dantas __________________________ Selvio Carvalho de Sousa ___________________________ Nélio Nascimento Mendes __________________________ Radamés Ribeiro da Silva __________________________ Prof.(COORDENADOR E ORIENTADOR) UNIVERSIDADE PAULISTA MANAUS – AM 2010 4 RESUMO Com desenvolvimentos tecnológicos e as novas invenções foi aberto um grande campo para aperfeiçoar e utilizar esses recursos no dia-a-dia, de forma facilitar a vida das pessoas, com um simples Crick e um computador você é capaz de funcionar fabricas, verificar situações de saúde do pacientes, monitorar a casa onde mora, entre outros inúmeros trabalhos que só eram capazes de ser executado com a presença de um ser humano. O trabalho seguinte tem por objetivo a automação do sistema de iluminação de uma residência acionador por um computador e vários componentes eletrônicos que serão citados na parte de desenvolvimento do trabalho. Utilizando a porta paralela do computador (“chamada DB25”) é possível polarizar um transistor para fechar ou abrir o contato de um relé, essa porta paralela possui 25 pinos sendo que 8 deles pode ser utiliza para esse tipo de projeto. A comunicação é feita por uma DLL desenvolvida em linguagem de computador (C, C++, Pascal, etc.). 5 ABSTRACT With technological developments and new inventions opened a large field to improve and use these resources in day-to-day, so make life easier for people with a simple Crick and a computer you can run factories, check situations health of patients, monitor the house where he lives, among numerous other works that were only able to run with the presence of a human being. The following work aims at automating the lighting of a starter home for a computer and various electronic components that will be quoted on the development work. Using the computer's parallel port (DB25 called) can polarize a transistor to close or open the contact of a relay, the parallel port has 25 pins with 8 of them can be used for this type of project. Communication is done by a DLL developed in computer language (C, C + +, Pascal, etc.). 6 SUMARIO DE FIGURAS Figura 1 Transistor PNP e NPN……………………………………………...12 Figura 2 exemplo de polarização para os dois tipos de transistores.…….. . 13 Figura 3 Polarização direta…………………………………………………..13 Figura 4 Polarização Inversa………………………………………………. .. 13 Figura 5 Fluxo de Corrente NPN……………………………………………. 15 Figura 6 Circuito com Transistor NPN………..…………………………….15 Figura 7 Base Comum……………………………………………………… .. 17 Figura 8 Emissor Comum……………………………………………………. 17 Figura 9 Circuito Emissor……………………………………………………18 Figura 10 Ilustração Base, emissor e Coletor……………………………… . 18 Figura 11 Transistores com Polarização Oposta……………………………19 Figura 12 Sentidos da Corrente……………………………………………... 19 Figura 14 Reta da Carga…………………………………………………… .. 20 Figura 13 Transistor como Chave Eletronica………………………………. 20 Figura 16 Transistor usado como Chave…………………………………… 21 Figura 15 Exemplo com Led………………………………………………… 21 Figura 17 Transistor como Fonte de Corrente……………………………. . 22 7 Figura 18 Circuito Calculado……………………………………………….. 23 Figua 19 Circuito Com Led………………………………………………….. 24 Figura 20 Reta de Carga…………………………………………………… .. 25 Figura 21 Regulador em Série……………………………………………….. 26 Figura 22 Transformador…………………………………………………….28 Figura 23 Ilustração de Condutor……………………………………………28 Figura 24 Núcleo de um Transformador………………………………….. .. 29 Figura 25 Símbolo do transformador…………………………………….. ... 29 Figura 26……………………………………………………………………….30 Figura 27……………………………………………………………………….31 Figura 28 Curva da Corrente de Excitação………………………………… 32 Figura 29 diagrama fasorial……………………………………………….. .. 33 Figura 30……………………………………………………………………….33 Figura 31……………………………………………………………………….34 Figura 32 Retificador de Onda Completa………………………………….. 35 Figura 33 Retificador de Onda Completa…………………………………...36 Figura 34 Relé………………………………………………………………. .. 41 Figura 35 Circuito com Relé……………………………………………….. .. 41 Figura 36 Aplicação de Relé…………………………………………………42 Figura 37 Relés……………………………………………………………… .. 43 Figura 38 Contatos NA ou Normalmente Abertos………………………… 44 Figura 39 Funcionamento do Relé…………………………………………. . 45 Figura 40 Material Semicondutor do Diodo tipo N……………………… .. 50 8 Figura 41 Material Semicondutor do Diodo tipo P………………………...51 Figura 42 Junção PN……………………………………………………….. .. 52 Figura 43 estrutura…………………………………………………………. .. 52 Figura 43 Estrutura e Simbolo........................................................................51 Figura 44 Tipos de Diodo…………………………………………………. …53 Figura 45 Polarização Direta…………………………………………………54 Figura 46 Polarização Inversa……………………………………………… . 55 Figura 47 Diodo 1N4148……………………………………………………..55 Figura 48 Simbologia………………………………………………………. ... 56 Figura 49 Diodo Led…………………………………………………………. 56 Figura 50 Trafo de derivação central……………………………………… . 57 Figura 51 retificador meia onda………………………………………….…. 58 Figura 52 Retificador onda completa………………………………………. 58 Figura 53 Onda Completa em Ponte……………………………………...… 56 Figura 54 Simbologia e Circuito……………………………………………..59 SUMÁRIO 1-INTRODUÇÃO .............................................................................................. 11 2-TRANSISTOR................................................................................................ 11 2.1-Estrutura Básica…………………………………………………………………….... 12 2.2-Polarização……………………………………………………………………………. 12 2.2.1-Junção Diretamente Polarizada ................................................................................. 13 2.3-Configurações Básicas……………………………………………………………… .. 17 2.4-Representações de Tensões e de Correntes.................................................................18 2.5-Transistor como Chave eletrônica………………………………………………………… ....19 9 2.6-Transistor como Fonte de Corrente………………………………………………….….……22 2.7-Regulador em Série………………………………………………………………………….....26 2.8-Condições para um Projeto…………………………………………………………………....27 3. TRANSFORMADORES .............................................................................. 28 3.1. Correntes de excitação e de magnetização…………………………………………….……..31 3.2. Circuito Elétrico Equivalente…………………………………………………………………33 4- PORTA PARALELA ................................................................................... 36 4.1-Aplicando nossos conhecimentos Manipulando a porta paralela…………………………..38 5-RELÉS............................................................................................................. 41 5.1-Os relés na pratica…………………………………………………………………………. .....43 6.2-Contatos NA ou Normalmente Abertos………………………………………………………44 5.3-Contatos NF ou Normalmente Fechados……………………………………………………..44 5.4-Características Elétricas dos Relés……………………………………………………………45 5.5-Características da bobina……………………………………………………………………...45 5.6-Características dos contatos…………………………………………………………………...46 5.7-Como usar o Relé?.............................................................................................................. ........48 5.8-Proteção do circuito de acionamento…………………………………………………………48 6-DIODOS .......................................................................................................... 49 6.1-Materiais Semicondutores…...............................……………………………………49 6.2-Estrutura dos Diodos………………………………………………………………. .. 52 6.3-Especificacões dos Diodos…...…………………….………........................................53 6.4 Polarização dos Diodos………………………………………………………………. 54 6.4.1. Polarização Direta…………………………………………………………………. 54 6.4.2. Polarização Inversa............................................................................ 54 6.5 Tipos de Diodos………………………………………………………………………. 55 6.5.1- Diodos de silício uso geral .......................................................................................... 55 10 6.5.2-Diodos Retificadores……………………………………………………………… . 55 6.5.3-Diodos emissores de luz – Led (Light emiting diodes)........................................... 56 6.6 Transformadores / Tomada Central ( CT-center tape)…………………………….56 6.7- Retificadores………………………………………………………………………… 57 6.7.1 Retificador de meia onda-RMO .................................................................................. 58 6.7.2 Retificador de Onda Completa com Tomada Central-ROCT ..................................... 58 6.7.3- Retificador de Onda Completa em Ponte - ROCP ..................................................... 58 CONCLUSÃO.........................................................................................................................60 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................... 61 ANEXOS............................................................................................................62 11 1-INTRODUÇÃO As novas descobertas e as novas invenções abriram caminho para o aprimoramento de tecnologia já existente. A maioria destas aconteceu no século passado e é imprescindível para o desenvolvimento de novas tecnologias. O projeto a seguir faz o uso de ambas. O seguinte trabalho tem por objetivo colocar na pratica um projeto para automatização do sistema de iluminação residencial, usando ferramentas eletro-eletrônico e computacionais estudadas durante o decorrer do curso. O projeto tem por base o acionamento de lâmpadas através de um computador, utilizando a saída da porta paralela DB 25. A comunicação entre a porta paralela é feita através de uma DLL desenvolvida em linguagem C, a DLL é necessária para acessar o hardware e ter a função de alimentar a tensão na saída dos pinos da porta paralela. A porta paralela é composta de 25 pinos, sendo que para esse tipo de projeto são utilizados 8 saídas (2 a 7) e o GND (25) . No caso, deste projeto usamos uma DLL baixada da internet denominada DSPCOM. O interessante é que possível programar qualquer tarefa com esse programa, desde acender normalmente uma a uma ou programar que acenda determinado horário e apague em outro. Para que o programa execute as funções de desligar e ligar as lâmpadas é necessário a conversão binária das entradas de 0a 7 (1 a 128), exemplo ( 0x378,1)=00000001. A tensão obtida na saída da porta paralela é usada para polarização de um transistor, que estar sendo usado como chave no circuito, o transistor tem em sua base um diodo para garantir que uma tensão maior utilizada no circuito não retorne e danifique a porta paralela ou o computador e um resistor de 50 Ω. O circuito completo estar anexado na pagina ,anenxo , com todos os componentes elétricos utilizado no projeto. Foram utilizados diodos, transistores, resistores, relés, transformador e lâmpada de 127 v. Além do cabo e conexão para conectar a porta ao circuito. O funcionamento se dá da seguinte forma, com tensão de saída da porta paralela, fecha-se o contato NA do relé através da polarização do transistor e acende a lâmpada que estar ligada a um circuito secundário. A seguir é apresentado o estudo do material usado, bem como os cálculos, anexos, Data sheet, especificações, etc. 2-TRANSISTOR O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de: duas camadas de material tipo "n" e uma de tipo 12 "p"ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n".O primeiro é chamado de transistor npn enquanto que o segundo é chamado de transistor pnp. Através de uma polarização de tensão adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações como: chaves comutadoras eletrônicas, amplificadores de tensão e de potência, osciladores, etc. O termo bipolar refere-se ao fato dos portadores lacunas e elétrons participarem do processo do fluxo de corrente. Se for utilizado apenas um portador, elétron ou lacuna, o transistor é denominado unipolar FET. 2.1-Estrutura Básica A figura 1 ilustra a estrutura básica de um transistor, representando um circuito T equivalente com diodos, ligados de tal forma a permitir a identificação da polarização das junções, as quais são: base-emissor e base-coletor (B-E e B-C respectivamente). Figura 1 Transistor PNP e NPN Observa-se que no transistor PNP a junção dos dois catodos do diodo forma a base, que é negativa, sendo o emissor e o coletor positivos, enquanto que no transistor NPN a junção dos dois anodos forma a base que é positiva, sendo o emissor e o coletor negativos. 2.2-Polarização Para que um transistor funcione é necessário polarizar corretamente as suas junções, da seguinte forma: 1 - Junção base-emissor: deve ser polarizada diretamente 2 - Junção base-coletor: deve ser polarizada reversamente Esse tipo de polarização deve ser utilizado para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele NPN ou PNP. 13 Transistor npn com polarização direta entre base e emissor e polarização reversa entre coletor e base. Transistor pnp com polarização direta entre base e emissor e polarização reversa entre coletor e base Figura 2 exemplo de polarização para os dois tipos de transistores. 2.2.1-Junção Diretamente Polarizada A figura 3 mostra o desenho de um transistor pnp com a polarização direta entre base e coletor. Para estudar o comportamento da junção diretamente polarizada, foi retirada a bateria de polarização reversa entre base e coletor. Figura 3 Polarização direta Observa-se então uma semelhança entre a polarização direta de um diodo com a polarização direta entre base e emissor, onde aparece uma região de depleção estreita. Neste caso haverá um fluxo relativamente intenso de portadores majoritários do material p para o material n 14 2.2.2 - Junção Reversamente Polarizada: Passemos a analisar o comportamento da junção reversamente polarizada, conforme mostra a figura 4. Neste caso, foi removida a bateria de polarização direta entre emissor e base. Figura 4 Polarização Inversa Observa-se agora, em virtude da polarização reversa um aumento da região de depleção semelhante ao que acontece com os diodos de junção, isto é ocorre um fluxo de portadores minoritários (corrente de fuga nos diodos), fluxo este que depende também da temperatura. Podemos então dizer que uma junção p-n deve ser diretamente polarizada (baseemissor) enquanto que a outra junção p-n deve ser reversamente polarizada (base-coletor). Quando um transistor é polarizado corretamente, haverá um fluxo de corrente, através das junções e que se difundirá pelas camadas formadas pelos cristais p ou n. Essas camadas não têm a mesma espessura e dopagem, de tal forma que: 1. A base é a camada mais fina e menos dopada; 2. O emissor é a camada mais dopada; 3. O coletor é uma camada mais dopada do que a base e menos dopada do que o emissor. Uma pequena parte dos portadores majoritários fica retida na base. Como a base é uma película muito fina, a maioria atravessa a base a se difunde para o coletor. A corrente que fica retida na base recebe o nome de corrente de base (IB), sendo da ordem de micro ampères. As correntes de coletor e emissor são bem maiores, ou seja, da ordem de miliampères, isto para transistores de baixa potência, podendo alcançar alguns ampères em transistores de potência. Da mesma forma, para transistores de potência, a corrente de base é significativamente maior. Podemos então dizer que o emissor (E) é o responsável pela emissão dos portadores majoritários; a base (B) controla esses portadores enquanto que o coletor (C) recebe os portadores majoritários provenientes do emissor. A exemplo dos diodos reversamente polarizados, ocorre uma pequena corrente de fuga, praticamente desprezível, formada por portadores minoritários. Os portadores minoritários são gerados no material tipo n (base), denominados também de corrente de fuga e 15 são difundidos com relativa facilidade até ao material do tipo p (coletor), formando assim uma corrente minoritária de lacunas. Lembre-se de que os portadores minoritários em um cristal do tipo n são as lacunas. Desta forma a corrente de coletor (IC), formada pelos portadores majoritários provenientes do emissor soma-se aos portadores minoritários (ICO) ou (ICBO). Aplicando-se a lei de Kirchhoff para corrente (LKT), obtemos: IE = IC + IB, onde: IC = IC (PORTADORES MAJORITÁRIOS) + ICO ou ICBO (PORTADORES MINORITÁRIOS) Para uma melhor compreensão, a figura 5 ilustra o fluxo de corrente em um transistor npn, através de uma outra forma de representação. No entanto, o processo de análise é o mesmo. Figura 5 Fluxo de Corrente NPN Na figura 5 oberva-se que os portadores minoritários (ICO ou ICBO) provenientes da base são os elétrons, que se somarão a corrente de coletor. Verifica-se ainda em relação ao exemplo anterior (transistor pnp), que a corrente de base (IB) tem um sentido oposto, uma vez que, essa corrente é formada por lacunas. Da mesma forma as correntes de emissor (IE) e de coletor (IC) também tem sentidos opostos, por serem formadas por elétrons. OBS: Os transistores do tipo pnp e npn são submetidos ao mesmo processo de análise, bastando para isso, inverter a polaridade das baterias de polarização e lembrar que: Cristal N - os portadores majoritários são os elétrons e os minoritários as lacunas; Cristal P - os portadores majoritários são as lacunas e os minoritários os elétrons. A figura 6 mostra um circuito com transistor npn.A junção base-emissor está polarizada diretamente e por isto, representa uma região de baixa impedância. 16 A voltagem de polarização base-emissor é baixa (da ordem de 0,55V a 0,7V para transistores de silício), polarização esta, caracterizada pela bateria VEE enquanto que, a junção base-coletor está reversamente polarizada em função da bateria VCC. Na prática, VCC assume valores maiores do que VEE. Figura 6 circuito com transistor NPN Como já foi dito anteriormente, a corrente IC é o resultado dos portadores majoritários provenientes do emissor. A corrente de coletor divide-se basicamente em duas componentes: a corrente proveniente do emissor e a corrente proveniente da junção reversamente polarizada coletor-base, denominada ICBO, sendo que esta última assume valores extremamente baixos que em muitos casos podem ser desprezados. A quantidade de corrente que chega ao coletor proveniente do emissor depende do tipo de material e dopagem do emissor. Essa quantidade de corrente varia de acordo com o tipo de transistor. A constante de proporcionalidade dessa corrente é definida como  (alfa), de forma que, a corrente de coletor é representada por IE. Os valores típicos de  variam de 0,9 a 0,99. Isto significa que parte da corrente do emissor não chega ao coletor. Exemplo: Qual é a corrente de coletor de um transistor com  = 0,95, sabendo-se que a corrente de emissor é 2mA? Solução: IC = IE IC = 0,95. 2mA = 1,9mA Caso ICBO não seja desprezada, a corrente de coletor é dada por: IC = IE + ICBO (I) Como dito anteriormente, parte da corrente do emissor que fica retida na base forma a corrente de base, assim: IE = IC + IB (II) Substituindo (I) em (II), podemos calcular a corrente de base: IB = (1 - ). IE - ICBO = 1-  ICBO . IC A relação  / (1 - ) é representada por  (beta).   Podemos então estabelecer as relações: 17 =  1-  Exemplos: a) Um transistor possui um fator  = 0,92. Qual é o fator ? Solução: = 0,92 0,92 = = 11,5 1 - 0,92 0,08 b) Um transistor possui um fator  = 100. Qual é o fator ? Solução: =  100 = = 0,99   1 101 Podemos então estabelecer uma relação entre  e . Temos então: = IC IC e=  assume valores muito mais elevados em relação a  (o IB IE valor típico de  é da ordem de 30 a 300). Então, quanto maior for o valor de , mais o valor de  tende a aproximar-se de 1. Assim, levando-se em conta que IC = IE, para um valor de   100, podemos considerar para fins práticos: IC = IE 2.3-Configurações Básicas Os transistores podem ser ligados em três configurações básicas: base comum (BC), emissor comum (EC) e coletor comum (CC). Essas denominações relacionam-se aos pontos onde o sinal é injetado e retirado, ou ainda, qual dos terminais do transistor é referência para a entrada e saída de sinal. BASE COMUM:No circuito a seguir, observa-se que o sinal é injetado entre emissor e base e retirado entre coletor e base. Desta forma, pode-se dizer que a base é o terminal comum para a entrada saída do sinal. O capacitor "C" ligado da base a terra assegura que a base seja efetivamente aterrada para sinais alternados. CARACTERÍSTICAS: Figura 7 Base Comum     Ganho de corrente (Gi): < 1 Ganho de tensão (GV): elevado Resistência de entrada (RIN): baixa Resistência de saída (ROUT): alta 18 EMISSOR COMUM: CARACTERÍSTICAS:     Ganho de corrente (Gi): elevado Ganho de tensão (GV) elevado Resistência de entrada (RIN) média Resistência de saída (ROUT) alta Figura 8 Emissor Comum No circuito emissor comum, o sinal é aplicado entre base e emissor e retirado entre coletor e emissor. O capacitor no emissor "CE" assegura o aterramento do emissor para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal. A figura 9 mostra um circuito na configuração coletor comum. A configuração coletor comum também é conhecida como seguidor de emissor. Essa denominação é dada devido a tendência de todo o sinal aplicado na entrada estar praticamente presente na saída (circuito de emissor). O sinal de entrada é aplicado entre base e coletor e retirado do circuito de emissor. O capacitor "CC" ligado do coletor a terra assegura que o coletor esteja aterrado para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal. CARACTERÍSTICAS:  Ganho de corrente (Gi): elevado  Ganho de tensão (GV):  1  Resistência de entrada (RIN): muito elevada  Resistência de saída (ROUT): baixa Figura 9 Circuito Emissor As configurações emissor comum, base comum e coletor comum, são também denominadas emissor a terra, base a terra e coletor a terra. Essas configurações também podem ser apresentadas conforme ilustram as figuras abaixo: Figura 10 Ilustração Base, emissor e Coletor 2.4-Representações de Tensões e de Correntes Para representar tensões e correntes em um circuito com transistores, utiliza-se usualmente o método convencional (do + para o -), através de setas. Para as tensões, a ponta 19 da seta aponta sempre para o potencial mais positivo e as correntes são representadas com setas em sentido contrário as das tensões. Podemos por exemplo representar uma tensão entre coletor e emissor por VCE quando o transistor for npn. Isto significa que o coletor é mais positivo do que o emissor. Em outras palavras, a primeira letra após o V (neste caso o coletor) é mais positiva do que a segunda letra (neste caso o emissor). Para um transistor pnp a tensão entre coletor e emissor é representada por VEC, indicando que o emissor é mais positivo do que o coletor. A figura 11 ilustra dois transistores com polaridades opostas, utilizando essa representação. Figura 11 Transistores com Polarização Oposta Na figura 12 temos outro exemplo utilizando essas representações; observem que as setas que indicam o sentido da corrente são opostas aquelas que indicam as tensões. Figura 12 Sentidos da Corrente Para as tensões VRC (tensão no resistor de coletor) e VRE (tensão no resistor de emissor), a ponta da seta indica que a tensão na parte superior desses resistores é mais positiva do que na parte inferior. 2.5-Transistor como Chave eletrônica É a forma mais simples de operação de um transistor, pois ao longo da reta de carga são definidos apenas dois pontos: corte e saturação e, portanto, podemos dizer que quando um transistor está saturado, comporta-se como uma chave eletrônica fechada e quando está em 20 corte, como uma chave eletrônica aberta. Para que efetivamente o transistor opere como uma chave eletrônica, é preciso garantir sua saturação para qualquer tipo de transistor, sob todas as condições de funcionamento; variação da temperatura, correntes, , etc. Figura 13 Transistor como Chave Eletrônica Na prática, ao projetar uma chave eletrônica com transistor, utiliza-se a corrente de base da ordem de 1/10 da corrente de coletor no extremo superior da reta de carga. Figura 14 Reta da Carga O valor de 61 mA foi escolhido na curva característica e portanto, a corrente de base será 1/61mA = 16,4mA. OBS: Na elaboração do projeto, deve-se tomar o cuidado de não ultrapassar os valores máximos especificados pelo fabricante, como corrente de coletor, corrente de base, tensão entre coletor e emissor, potência de dissipação, etc. Estamos considerando o valor de 61 mA plenamente compatível com nosso exemplo de projeto. Podemos então definir os valores de RC e RB RB = VRB VCC - VBE 5 - 0,7 4,3V     262,2 IB IB 16,4 mA 16,4 mA 21 Considerando VCE de saturação = 0, teremos: RC = VCC 5V   305  IC 16,4mA Para levar o transistor ao corte, basta abrir Sw, pois com isso, IB = 0. Admitamos que queiramos no mesmo circuito controlar um led. Deveremos então recalcular o valor de RC. Supondo que a tensão no led seja de 1,5V (valor típico), então: RC = VCC - Vled 20 - 1,5 18,5V    925 IC 20mA 20mA Figura 15 Exemplo com Led OBS: É importante observar se o led suporta a corrente do projeto. Um outro exemplo de transistor usado como chave é mostrado abaixo. Figura 16 Transistor usado como Chave Um sinal cuja forma de onda é quadrada e amplitude que varia de 0 a 5V é aplicado na entrada. No instante 1, com 0V na entrada o transistor entra em corte, operando como uma chave aberta e teremos na saída 15V (VCC); no instante 2, com 5V na entrada o transistor entra em saturação, operando como uma chave fechada e portanto, teremos na saída  0V. O próximo passo é verificar se os valores adotados para RC e RB garantem a saturação do transistor, ou seja, IB deve ser da ordem de 1/10 de IC. IB = 5V - 0,7V  0,915mA 4,7k 22 IC = 15V  10mA 1,5k Portanto, a relação é válida (10/0,915 = 10,9), garantindo a saturação. 2.6-Transistor como Fonte de Corrente Consiste em tornar a tensão de emissor fixa, resultando assim em uma corrente de emissor fixa. Pelo fato da tensão VBE ser fixa (da ordem de 0,7V), VE seguirá as variações da tensão de entrada (VBB), isto é, se a tensão de entrada aumentar de 6V para 10V, a tensão VE (nos extremos de RE) variará de 5,3V para 9,3V. Ao contrário do transistor como chave eletrônica, o ponto de operação situa-se na região ativa ao longo da reta de carga. A identificação entre um circuito com transistor operando como chave eletrônica e como fonte de corrente é fácil; quando opera como chave eletrônica, o emissor é aterrado e existe um resistor na base, ao passo que, como fonte de corrente o emissor é aterrado através de um resistor, não havendo resistor na base. Quando desejamos acionar um led, o ideal é fazê-lo através de uma fonte de corrente, principalmente quando o valor de VCC é baixo, levando-se em conta a queda de tensão no led da ordem de 1,5 a 2,5V. A ilustração abaixo mostra as diferenças entre uma chave eletrônica e uma fonte de corrente. Figura 17 Transistor como Fonte de Corrente Para entender melhor o que foi acima exposto, vamos considerar um transistor operando como chave de corrente. Devemos então estabelecer um valor ideal de RE para 23 nosso projeto. Vamos supor: VBB (tensão de entrada) = +5 v VCC = +12 v IC = 5mA (um ponto médio da reta de carga dentro da região ativa) Determinar:  As tensões em RC para os valores de 10 e 1000  O valor de VCE nas duas condições Determinando RE R E= Considerando IC = IE, temos: VBB - VBE VRE 5V - 0,7V 4,3V     860 IE IE 5mA 5mA Lembrar que VBB - VBE = VRE = VE Figura 18 Circuito Calculado A tensão de 4,3V ficará fixa, fixando também a corrente do emissor, para uma grande gama de valores de RC, desde que o transistor opere dentro da região ativa. Calculando VRC Levando-se em conta que a tensão do emissor está amarrada em 4,3V então, para os dois casos IC = 5 mA (estamos admitindo IE = IC). Para RC = 470  VRC = 10.(5mA) = 0,05V Para RC = 1,5k  VRC = 1k.(5mA) = 5V Para satisfazer a equação VCC - VRC - VCE - VRE = 0, a tensão VCE é que variará, assim sendo temos: Para RC = 10 VCE = 12 - 0,05 - 4,3 = 7,65V Para RC = 1k VCE = 12 - 5 - 4,3 = 2,7V CONCLUSÕES: A corrente de coletor manteve-se constante para uma variação muito 24 grande de RC (100 vezes). Mesmo com RC = 0 a corrente de emissor se manterá em 5mA. No entanto, se RC assumir valores mais elevados, suponhamos 4k, teríamos teoricamente VRC = 20V, o que invalidaria a equação VCC - VRC - VCE - VRE = 0, em outras palavras, para satisfazer a dita equação, IC teria que assumir valores menores. Deve-se portanto evitar trabalhar com valores de RC que propiciem uma tensão VCE muito próxima da região de saturação. O valor da corrente de coletor não depende do valor de , isto é, ao substituir o transistor por outro de  diferente, a corrente de coletor permanecerá praticamente igual. Quanto maior for RE (respeitando-se as características do projeto), mais estável torna-se a corrente de coletor. Quando o valor de VCC for relativamente baixo (por exemplo 5V) o acionamento de leds é mais eficaz com uma fonte de corrente, pois para leds de cores, tamanhos e fabricantes diferentes (a tensão pode variar de 1,5V a 2,5V), a corrente será praticamente constante não prejudicando a luminosidade. Para fixar melhor o conceito referente ao transistor operando como fonte de corrente vamos admitir uma situação conforme ilustra a figura 19. Figua 19 Circuito Com Led Os leds L-1 e L-2 necessitam de uma corrente de 15mA para obter uma luminosidade ideal. No entanto L-1 proporciona uma queda de 1,5V enquanto que L-2 uma queda de 2,5V. Poderá o led 2 ter sua luminosidade diminuída por necessitar de mais tensão? Solução: A primeira impressão é de que realmente o led 2 terá sua luminosidade diminuída, pois em comparação ao led 1 necessita de mais tensão em seus terminais. No entanto como os leds estão sendo acionados por uma fonte de corrente tal não acontecerá, conforme será 25 mostrado nos cálculos a seguir: Fixando a corrente de emissor: Se ambos os leds necessitam de 15mA para o brilho ideal então basta fixar a corrente de emissor em 15mA, dimensionando o valor de RE. RE = VBB - VBE 3V - 0,7V   153,333 (onde VBB - VBE = VRE) IE 15mA Adotaremos então RE = 150 Para o led 1: VCE = 6 - Vled - VRE = 6 - 1,5 - 2,3 = 2,2V Para o led 2: VCE = 6 - Vled - VRE = 6 - 2,5 - 2,3 = 1,2V Desta forma, a luminosidade do led 2 não será diminuída. A figura a 20 mostra que a corrente nos leds permanece constante, embora as tensões sejam diferentes. Figura 20 Reta de Carga Reta de carga de L-1 1º ponto: IC = VCC - Vled 6V - 1,5V   30mA RE 150 2º ponto: VCE = VCC - Vled = 6 - 1,5 = 4,5V Reta de carga de L-2 1º ponto: IC = VCC - Vled 6V - 2,5V   23,3mA RE 150 26 2º ponto: VCE = VCC - Vled = 6 - 2,5 = 3,5V 2.7-Regulador em Série O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos reguladores que utilizam apenas diodo zener.O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série. Figura 21 Regulador em Série Funcionamento:  A tensão de saída estará disponível na carga (VL), então: VL = VZ - VBE  Como VZ >> VBE podemos aproximar: VL = VZ  Sendo VZ constante, a tensão no ponto "x" será constante  Caso VIN aumente podemos analisar o que acontece aplicando LKT: VIN = VR + VZ, mas VR = VCB, logo: VIN = VCB + VZ VCE = VCB + VBE Portanto, quando VIN aumenta, como VZ é constante, VCB também aumentará provocando um aumento de VCE, de modo a suprir a variação na entrada, mantendo VL constante. VL = VIN - VCE Então: se VIN aumenta  VCE aumenta  VL não se altera Caso VIN diminua podemos analisar o que acontece aplicando LKT, obedecendo aos mesmos princípios adotados anteriormente. Neste caso VCB diminui. Com a diminuição de VIN  VCE diminui  VL não se altera 27 Valores mínimos e máximos de VIN Como VIN = VR + VZ e VR = R.IR mas IR = IZ + IB então: VIN = R(IZ + IB) + VZ Para VIN mínima temos: VIN(MIN) = R(IZ(MIN) + IB(MAX)) Portanto, abaixo do valor mínimo de entrada o diodo zener perderá suas características de estabilização. Para VIN máxima temos: VIN(MAX) = R(IZ(MAX) + IB(MIN)) Acima do valor máximo de entrada o diodo zener perderá também suas características de estabilização e será danificado. 2.8-Condições para um Projeto: Alguns parâmetros devem ser observados para que o circuito opere em condições normais sem danificar seus componentes. Tensão de entrada máxima: VIN (MAX) = (IB (MIN) + IZ (MAX)). R + VZ (I) Na pior condição RL =  (carga aberta), logo IB (MIN) = 0 VIN (MAX) = R. (IZ (MAX)) + VZ Onde: IZ (MAX) = PZ(MAX) VZ Tensão de entrada mínima: VIN (MIN) = (IB(MAX) + IZ(MIN)).R + VZ ( II ) De ( I ) tiramos: IZ(MAX) = VIN(MAX) - VZ ( III) R De ( II ) tiramos: IZ(MIN) + IB(MAX) = VIN(MIN) - VZ ( IV ) R Dividindo ( III ) e ( IV ) temos: IZ(MAX) VIN(MAX) - VZ  IZ(MIN)  IB(MAX) VIN(MIN) - VZ Dos parâmetros acima apresentados, a conclusão mais importante é que com o transistor Darlington controla-se uma corrente de carga com uma corrente de base bem menor. Isto se explica pelo fato de que o ganho de corrente no transistor Darlington é bem maior. 28 3. TRANSFORMADORES É formado por um núcleo de ferro, onde são enrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios de cobre. Sua principal função é aumentar ou abaixar uma tensão aplicada em seu enrolamento primário. Figura 22 Transformador O princípio de funcionamento do transformador é baseado num fenômeno conhecido como indução eletromagnética. Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece em seus extremos uma DDP, que é chamada de tensão induzida. O mesmo irá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magnético. É necessário, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magnético e o condutor, para que apareça nos extremos do mesmo uma tensão induzida. Sabe-se que, quando a corrente elétrica passa por um condutor, se estabelece em torno do mesmo um campo magnético, cuja intensidade depende da quantidade de elétrons que estejam passando por segundo no condutor (intensidade de corrente elétrica). A figura abaixo mostra um condutor percorrido por uma corrente elétrica e o campo magnético em torno do mesmo, representado pelas linhas de forças. Figura 23 Ilustração de Condutor Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a intensidade do campo também varia. Como o condutor está submetido ao campo, aparecerá em seus terminais uma tensão induzida. Este é o princípio de funcionamento do transformador. Uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular pelo mesmo, uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável, que se estabelecerá no núcleo do transformador. Como o enrolamento 29 secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida aparecerá em seus extremos, devido ao campo magnético variável ao qual está submetido. Observe que não existe contato elétrico entre os enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos é apenas magnética. Figura 24 Núcleo de um Transformador Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, não aparecerá tensão alguma no secundário do transformador. isso acontece porque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante no enrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético constante no núcleo. Isso significa que não haverá movimento relativo entre o campo e o condutor, não havendo, então, tensão induzida. Figura 25 Símbolo do transformador Vpri = Tensão no enrolamento primário (eficaz ou de pico). Vsec = Tensão no enrolamento secundário (eficaz ou de pico). N1 = Número de espiras no primário. N2 = Número de espiras no secundário. A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tensão é a relação existente entre o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário. Se o número de espiras do enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamento primário, o transformador será elevador de tensão, se for menor será abaixador de tensão. A fórmula abaixo nos permite calcular a tensão no enrolamento secundário, tendo a tensão no primário e a relação de espiras. 30 Ex.: Qual a tensão no enrolamento secundário do transformador abaixo? Figura 26 Observe que N1=10 e N2=1. Isto não significa que o enrolamento primário tem dez espiras e o secundário uma. Para cada dez espiras no primário, existe uma no secundário, ou seja, se o enrolamento primário tiver mil espiras, o secundário terá cem. Como foi usado o valor eficaz de tensão no primário, a tensão calculada no secundário será eficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tensão no primário, o valor calculado no secundário seria de pico, não esqueça disto. Uma outra observação importante sobre o transformador, é que o mesmo não altera a forma da onda nem a frequência da tensão aplicada no enrolamento primário. O transformador altera apenas o nível de tensão, elevando ou abaixando a tensão aplicada no enrolamento primário. No exemplo acima, a tensão aplicada no primário é senoidal, tendo a mesma forma de onda e frequência que a tensão no secundário. A potência de um transformador, normalmente, é especificada em KVA (kilovoltampére) e as tensões de trabalho referidas à alta e baixa tensão. Por exemplo: 150 KVA, 13.800/220-127 v. A potência de 150 KVA significa que cada enrolamento, da alta ou da baixa, é dimensionado para transportar 150 KVA, e que para encontrar as correntes é suficiente dividir a potência pela respectiva tensão. A tensão de alta (13.800 V) significa que este enrolamento foi dimensionado para operar em até 13.800 V. As tensões 220-127 V, 31 indica que a baixa tensão apresenta dois níveis de tensão, provavelmente através da ligação em estrela com 220 V entre fases e 127 V entre fase e neutro. Para a aplicação dos transformadores uma atenção deve ser dada ao efeito do núcleo do transformador, pois, ao transferir magneticamente a potência do primário para o secundário, antes ele armazena a energia recebida da fonte, elétrica. E, ao responder ao secundário com a passagem dessa energia, certos efeitos, importantes, nessa operação precisam ser considerados. Limitaremos-nos aqui a considerar a permeabilidade magnética finita e o efeito da histerese e corrente de Foucault. 3.1. Correntes de excitação e de magnetização Figura 27 Considere o transformador representado na figura 27, com o secundário aberto e uma tensão senoidal V1 aplicada no primário. Para produzir o campo magnético no núcleo, é necessário uma corrente no enrolamento, conhecida como corrente de excitação i. O fluxo induz uma tensão e1: e1  dλ1 d  N1 dt dt A tensão e1 é dada em volts e  em webers. A f.c.e.m. junto com a queda de tensão na resistência do enrolamento primário R1, deve equilibrar a tensão aplicada V1, então: V1 = R1 i + e1 Devido ao fato da corrente i ser de valor muito pequeno, a f.e.m. induzida e1 se iguala a tensão aplicada V1. Se o fluxo senoidal instantâneo é:  = MX sen t e1  N1 d  ω N1φ MX cos ωt dt onde MX é o máximo valor do fluxo e  = 2f, 32 Em valor eficaz, E1  2π f N1 φ MX  4,44f N1 φ MX 2 Nestas condições, se uma tensão senoidal é aplicada ao enrolamento, uma variação de fluxo senoidal deve ser estabelecida onde o valor máximo MX deve satisfazer a equação acima em que E1 se iguala ao valor eficaz v1, então: φ MX  V1 4,44 f N1 O fluxo é determinado somente pela tensão aplicada, sua freqüência e o número de espiras do enrolamento. Propriedades magnéticas do núcleo determina a corrente de excitação. Ela deve ajustar-se de tal modo que a f.m.m. produza o fluxo necessário. Devido as propriedades não lineares do núcleo, a forma de onda da corrente de excitação difere da forma de onda do fluxo. A curva da corrente de excitação em função do tempo, pode ser conhecida graficamente através das características do núcleo do material da seguinte maneira: Figura 28 Curva da Corrente de Excitação As senoides da tensão e1 e do fluxo  são mostrados na figura 3.9(a). A correspondente característica de histerese do núcleo é mostrada na figura 3.9(b). Os valores das f.m.ms. correspondentes aos vários valores do fluxo, também podem ser observados na figura 3.9(b). Por exemplo, no tempo t' o valor instantâneo do fluxo ' esta aumentando o que corresponde no ciclo de histerese ao valor F'. O correspondente valor i' da corrente de excitação é plotado no tempo t' na figura 3.9(a). No tempo t" o fluxo tem o valor ", mas está diminuindo e o correspondente valor da f.m.m. é F" o que dá i". Desta maneira, a curva completa da corrente de excitação pode ser plotada. A corrente de excitação analisada pela série de Fourier, contém uma fundamental e uma família de harmônicos impares, onde prevalece o 3o harmônico. A fundamental pode ser 33 decomposta em duas componentes uma em fase com a f.c.e.m. e outra em fase com o fluxo. A componente fundamental, em fase com a tensão, considera a potência de perdas absorvida pela histerese e corrente de Foucault no núcleo. Ela é chamada de componente de perdas Ic. Quando a componente de perdas é subtraída da corrente de excitação, o restante é chamado de corrente de magnetização Im. Ela compreende a componente fundamental, em fase com o fluxo, juntamente com todos os harmônicos. Para um transformador típico o 3o harmônico é da ordem de 40% da corrente de excitação. Exceto para problemas que dizem respeito diretamente com os efeitos dos harmônicos, as particularidades da forma de onda da corrente de excitação não necessitam ser levados em consideração, devido ao seu pequeno valor. Por exemplo, a corrente de excitação para transformadores típicos é em torno de 1 a 2% da corrente a plena carga. Conseqüentemente, os efeitos dos harmônicos usualmente são atenuados pela corrente senoidal. A corrente de excitação pode então ser representada pela sua senoide equivalente, que tem o mesmo valor efetivo, freqüência e produz a mesma potência média da onda real. Este entendimento é essencial na construção do diagrama fasorial. Figura 29 diagrama fasorial. Na figura 29, os fasores E1 e  , representam, respectivamente a tensão induzida e o fluxo. O fasor I representa a corrente senoidal equivalente. A componente Ic, em fase com E1, representa as perdas no núcleo. A componente Im, em fase com o fluxo, representa uma senoide equivalente que tem o mesmo valor eficaz da corrente de magnetização. 3.2. Circuito Elétrico Equivalente Quando o transformador é carregado, é necessário incluir não somente os efeitos da corrente de excitação e perdas no núcleo, mas também as resistências dos enrolamentos e o fluxo de dispersão. Esses elementos são incluídos através das resistências R1 e R2 e das reatâncias de dispersão X1 e X2. No estado permanente, a tensão aplicada V1 é inicialmente contraposta por três fasores: A queda na resistência de dispersão do primário (R1 i1), a queda 34 na reatância de dispersão do primário (X1 i1) e a f.c.m. E1 induzida no primário pelo fluxo mútuo. Figura 30 O fluxo resultante que une os dois enrolamentos é criado pelas f.m.ms. combinadas. É conveniente tratar essas f.m.ms. considerando que a corrente no primário deve atender a dois requisitos do circuito magnético: ela deve não somente (1) impedir o efeito desmagnetizante da corrente do secundário mas (2) produzir uma f.m.m. suficiente para criar o fluxo mútuo resultante. De acordo com esse raciocínio, é conveniente dividir a corrente do primário em duas componentes, uma componente de carga e uma componente que é a corrente de excitação. A componente de carga i'2 é definida como a componente da corrente no primário que contra-balança o efeito da corrente i2 no secundário. i2  N2 i2 N1 Ela é igual a corrente do secundário, referida ao primário no transformador ideal. A corrente de excitação i, é definida como sendo a adicional da corrente do primário, necessária para produzir o fluxo mútuo resultante. - A corrente de excitação pode ser tratada, como uma corrente senoidal equivalente e dividida em duas componentes, Ic em fase com a tensão e Im em fase com o fluxo. Figura 31 O fluxo mútuo resultante  induz uma f.e.m. E2 no secundário, e portanto, este fluxo que une ambos os enrolamentos, propicia a seguinte relação entre as tensões: E1 N1  E2 N2 Como no transformador ideal. Essa transformação da tensão e da corrente pode ser considerada, introduzindo o conceito de transformador ideal no circuito equivalente. A f.e.m. 35 E2 não é, contudo a tensão no terminal do secundário, por causa da resistência do enrolamento do secundário e por que a corrente no secundário cria um fluxo de dispersão no secundário. A tensão nos terminais do secundário V2 difere da tensão induzida E2, pelas quedas na resistência R2, do enrolamento do secundário e reatância de dispersão X2. O transformador real, portanto, é equivalente a um transformador ideal mais impedâncias externas. Referindo todas as grandezas ao primário, o circuito equivalente pode ser representado da seguinte forma: Figura 32 Retificador de Onda Completa Retificador de onda completa com tensão de entrada de 120 Vrms/60Hz e tensão de saída de 5 VDC com riplle de 0,1 V para alimentar um circuito. Lista de material usado na fonte do projeto. 04 Diodos 300 mA 01 Capacitor eletrolítico 6,8 uF 01 Fusivel de 400 mA 01 Resistor de 656  01 Trafo de 110 V/5 Vrms PT> 50 mW a) Diodo ideal 2 .V2p Vm = π 2 .(5−2 . 0,3) = π = 2,80V b) Corrente media Im = Vm Rl = 2 .8 656 = 4,26 mA c) Corrente media do Diodo Idm ≥ Im 2 = 2,13 mA Idm 2,13 mA d) Filtro Capacitivo Vr= Vmf f.RL .C = 5 0,1.120.656 Tisol=1,5 . 5v 5,75 V e) Tensão de Pico na carga = 6,35µ F 36 0,1 Vrlp 5+ 2 =5+0,5 5,05 V f) Tensão de pico no Secundário do Trafo V2p Vrlp+2 . VD=6,45 V g) Corrente media na carga Imf= 𝑉𝑟𝑓 𝑅𝐿 5 = 656 = 7,62 𝑚𝐴 h) Especificação do diodo 7,62 Idm≥ 2 =3,81 mA ; Idm Vbr≥ 3,81 mA 6,45𝑉 i) Especificação do trafo 𝑉2𝑟𝑚𝑠 = 6,45 1,41 =4,57 PT=V2p . Imf=6,45 . 7,62=49,15mW F2 F1 1 0.5_AMP 120 V 4 2 T1 6 5V D3 - D2 3 C1 1.0uF R1 1K 5 - Figura 33 Retificador de Onda Completa 4- PORTAS PARALELAS A porta paralela foi inventada pela IBM originalmente com o intuito de controlar impressoras. Por esse motivo, a porta paralela ficou conhecida como a porta de conexão de impressoras. Porém, existe uma infinidade de dispositivos que podem ser controlados por essa interface de comunicação, como exemplo: Scanners, máquinas fotográficas digitais, dispositivos de armazenamento, e até mesmo outros computadores. Por ser uma porta de entrada e saída de dados, podemos controlar e receber informações por meio da porta paralela, desde que sigamos algumas regras. Tendo uma noção de eletrônica básica, poderemos então controlar (ligar, desligar, receber informações) qualquer dispositivo, tornando a porta paralela em um meio de exportar o seu programa do mundo virtual, para o mundo real. E é a este propósito que se destina este tutorial. 37 A porta paralela, encontrada no padrão PC IBM, tem um conector padrão chamado DB25. Como tudo, a porta paralela sofreu algumas modificações ao passar do tempo, visando sempre a melhoria do seu sistema. Por conta disso, surgiram novos padrões de porta paralela. Hoje existem 3 padrões diferentes de porta paralela estão no mercado. São eles: SPP, EPP e ECP. Existem também variações dentro destes padrões. Eles diferem em comportamento. Na maioria dos computadores atuais, podemos ter os 3 modos, que podem ser escolhidos no “Setup” do computador. Para acessarmos o setup temos que reiniciar o computador e teclar alguma tecla na inicialização. Normalmente F2, F8 ou Delete (depende da placa mãe).O Setup é Programa onde o operador, pode fazer algumas personalizações sobre como vai funcionar o seu computador. Está residente, juntamente com o BIOS, numa memória ROM, que fica na placa mãe, suas determinações ficam guardadas numa outra memória a CMOS (Complementary Metal/Oxide Semiconductor), memória volátil de baixo consumo que guarda as informações relevantes ao processo de boot do sistema. Vamos uma rápida explicação sobre os 3 padrões. SPP – Standard Parallel Port: É um padrão de comunicação UNIDIRECIONAL, ou seja existe apenas um sentido de comunicação na sessão de dados, cuja a capacidade máxima de trafego de dados é a 150 KB/s. Você pode receber alguns sinais de periféricos nesse modo, porem não tem uma seção própria para trafego de dados, por isso é dito unidirecional. EPP (Enhaced Parallel Port): É um padrão bidirecional, onde a sessão de dados tem trafego bidirecional (em ambos os sentidos)a mesma pode atingir até a velocidade de 2MB/s. Enquanto que o modo SPP foi feito com alvo em impressoras, esse modo, criado pela Intel, Xircom & Zenith Data Systems, para prover uma comunicação mais rápida entre os dispositivos. Com alvo em geral em dispositivos de armazenamento. ECP (Extended Capabilities Port): Trata-se de um padrão perfeitamente idêntico ao EPP, com a vantagem de possuir DMA (Direct Memory Access)- Acesso direto a memória. Ou seja, ele não precisa passar pelo processador para acessar o dado residente na memória. Esses endereços serão de suma importância para o que vem mais a frente neste tutorial. Sendo que o endereço de controle deve ser usado com muita cautela, pois os bits mais significativos, quando operados de forma indevida, podem causar danos ao computador, sugiro que para início de estudo, não use o endereço de controle. 38 4.1-Aplicando nossos conhecimentos Manipulando a porta paralela Cada linguagem de programação terá suas funções para a manipulação da porta paralela. A linguagem que usaremos será a linguagem C em ambiente windows, usando o compilador Dev-C++. Por motivo de segurança, as versões mais novas do windows não permitem que um programa acesse recursos de hardware de forma direta. Mais precisamente, todos os sistemas baseados na tecnologia NT (New Tecnology). Exemplo os windows 2000 e XP. Os demais não tem qualquer entrave nesse quesito, ex: windows 95, 98, ME. Para que o nosso programa possa, então, acessar a porta paralela, que é um recurso de hardware, teremos de fazer uma “ponte” com uma dll. A dll inpout32.dll . Exemplo de código em C no Dev-C++ que usa a porta paralela para ligar e desligar leds e que usa a inpout32.dll. */ #include // Biblioteca Standard Input/Output #include // Biblioteca necessária para o uso da função getch(); #include // Biblioteca necessária para o carregamento da inpout32.dll /*Inpout32*/ //Declaração dos ponteiros para função. typedef short _stdcall (*PtrInp)(short EndPorta); typedef void _stdcall (*PtrOut)(short EndPorta, short datum); HINSTANCE hLib; //Instância para a DLL inpout32.dll. PtrInp inportB; //Instância para a função Imp32(). PtrOut outportB; //Instância para a função Out32(). /*Inpout32*/ int main() { /*Inpout32*/ //Carrega a DLL na memória. hLib = LoadLibrary("inpout32.dll"); 39 if(hLib == NULL) { printf("\n\aErro. O arquivo inpout32.DLL nao foi encontrado.\nO programa vai terminar apos digitar qualquer tecla."); getch(); } else {//Todo o programa só será executado apenas se a dll for carregada. //Obtém o endereço da função Inp32 contida na DLL. inportB = (PtrInp) GetProcAddress(hLib, "Inp32"); if(inportB == NULL) { printf("\n\aErro. Erro ao endereçar a função Inp32."); } //Obtém o endereço da função Out32 contida na DLL. outportB = (PtrOut) GetProcAddress(hLib, "Out32"); if(outportB == NULL) { printf("\n\aErro. Erro ao endereçar a função Out32."); } /*Inpout32*/ char teclado=' '; puts("Vamos ao teste da porta paralela."); puts("Para ligar cada um dos bits da porta paralela\naperte as teclas referentes aos bits\n0,1,2,3,4,5,6,7. Quando quiser terminar o programa\ndigite p para parar."); teclado=getch(); while(teclado!='p') { switch(teclado) { case '0': outportB(0x378,1); /* A função que manda um byte para a porta paralela no caso o número 1 ou 0000 0001 em binário*/ 40 break; case '1': outportB(0x378,2); /* Novamente a função que manda um dado a porta paralela*/ break; case '2': outportB(0x378,4); break; case '3': outportB(0x378,8); break; case '4': outportB(0x378,16); break; case '5': outportB(0x378,32); break; case '6': outportB(0x378,64); break; case '7': outportB(0x378,128); break; } teclado=getch(); } outportB(0x378,0); }//fim do else pertencente ao if que testa se carregou a dll }//fim da função main e do programa Para que o programa funcione, temos que colocar a inpout32.dll dentro da mesma pasta que o arquivo executável. Caso tentemos rodar o programa sem a dll na pasta, o programa irá informar o erro e irá finalizar. Compilando e executando o programa veremos 41 que os leds acendem de acordo com a entrada no teclado de 0 a 7, para ligar os leds na porta paralela. 5-RELÉS Os relés são dispositivos comutadores eletromecânicos. A estrutura simplificada de um relé é mostrada na figura 34 e a partir dela explicaremos o seu princípio de funcionamento. Figura 34 Relé Nas proximidades de um eletroímã é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre a armadura, atraindo-a. Nesta atração ocorre um movimento que ativa os contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo de sua posição. Isso significa que, através de uma corrente de controle aplicada à bobina de um relé, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de uma determinada forma, controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos. Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé o campo magnético criado desaparece, e com isso a armadura volta a sua posição inicial pela ação da mola. Os relés se dizem energizados quando estão sendo percorridos por uma corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem desenergizados quando não há corrente circulando por sua bobina. A aplicação mais imediata de um relé com contato simples é no controle de um circuito externo ligando ou desligando-o, conforme mostra a figura 35. Observe o símbolo usado para representar este componente. Figura 35 Circuito com Relé 42 Quando a chave S1 for ligada, a corrente do gerador E1 pode circular pela bobina do relé, energizando-o. Com isso, os contatos do relé fecham, permitindo que a corrente do gerador E2 circule pela carga, ou seja, o circuito controlado que pode ser uma lâmpada. Para desligar a carga basta interromper a corrente que circula pela bobina do relé, abrindo para isso S1. Uma das características do relé é que ele pode ser energizado com correntes muito pequenas em relação à corrente que o circuito controlado exige para funcionar. Isso significa a possibilidade de controlarmos circuitos de altas correntes como motores, lâmpadas e máquinas industriais, diretamente a partir de dispositivos eletrônicos fracos como transistores, circuitos integrados, foto resistores etc. A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potência da ordem de 0,1A não conseguiria controlar uma máquina industrial, um motor ou uma lâmpada, mas pode ativar um relé e através dele controlar a carga de alta potência. (figura 4). Figura 36 Aplicação de Relé Outra característica importante dos relés é a segurança dada pelo isolamento do circuito de controle em relação ao circuito que está sendo controlado. Não existe contato elétrico entre o circuito da bobina e os circuitos dos contatos do relé, o que significa que não há passagem de qualquer corrente do circuito que ativa o relé para o circuito que ele controla. Se o circuito controlado for de alta tensão, por exemplo, este isolamento pode ser importante em termos de segurança.Do mesmo modo, podemos controlar circuitos de características completamente diferentes usando relés: um relé, cuja bobina seja energizada com apenas 6 ou 12V, pode perfeitamente controlar circuitos de tensões mais altas como 110V ou 220V.O relé que tomamos como exemplo para analisar o funcionamento possui uma bobina e um único contato que abre ou fecha. 43 Na prática, entretanto, os relés podem ter diversos tipos de construção, muitos contatos e apresentar características próprias sendo indicados para aplicações bem determinadas. Analisemos como são construídos na prática os relés: 5.1-Os relés na pratica O que determina a utilização de um relé numa aplicação prática são suas características. O entendimento dessas características é fundamental para a escolha do tipo ideal. A bobina de um relé é enrolada com um fio esmaltado cuja espessura e número de voltas é determinado pelas condições em que se deseja fazer sua energização. A intensidade do campo magnético produzido e, portanto, a força com que a armadura é atraída depende tanto da intensidade da corrente que circula pela bobina como do número de voltas que ela contém. Por outro lado, a espessura do fio e a quantidade de voltas determinam o comprimento do enrolamento, o qual é função tanto da corrente como da tensão que deve ser aplicada ao relé para sua energização, o que no fundo é a resistência do componente. Todos estes fatores entrelaçados determinam o modo como a bobina de cada tipo de relé é enrolada. Figura 37 Relés De um modo geral podemos dizer que nos tipos sensíveis, que operam com baixas correntes, são enrolados milhares ou mesmo dezenas de milhares de voltas de fios esmaltados extremamente finos, alguns até mesmo mais finos que um fio de cabelo.As armaduras dos relés devem ser construídas com materiais que possam ser atraídos pelos campos magnéticos gerados, ou seja, devem ser de materiais ferromagnéticos e montadas sobre um sistema de articulação que permita sua movimentação fácil, e retorno à posição inicial quando o campo desaparece. Peças flexíveis de metal, molas ou articulações são alguns dos recursos que são usados na montagem das armaduras. A corrente máxima que os relés podem controlar depende da 44 maneira como são construídos os contatos. Além disso, existe o problema do faiscamento que ocorre durante a abertura e fechamento dos contatos de relé, principalmente no controle de determinado tipo de carga (indutivas). O material usado deve então ser resistente, apresentar boa capacidade de condução de corrente e, além disso, ter um formato próprio, dependendo da aplicação a que se destina o relé. Dentre os materiais usados para a fabricação dos contatos podemos citar o cobre, a prata e o tungstênio. A prata evita a ação de queima provocada pelas faíscas, enquanto os contatos de tungstênio evitam a oxidação.O número de contatos e sua disposição vão depender das aplicações a que se destinam os relés. Temos então diversas possibilidades: 6.2-Contatos NA ou Normalmente Abertos Os relés são dotados de contatos do tipo normalmente abertos, quando estes permanecem desligados até o momento em que o relé seja energizado. Quando o relé é energizado, os contatos fecham, e com isso pode circular corrente pelo circuito externo. Podemos ter relés com um ou mais contatos do tipo NA, conforme mostra a figura 6. Figura 38 Contatos NA ou Normalmente Abertos Usamos relés com contatos do tipo NA quando queremos ligar uma carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do relé, ou seja, quando o energizarmos. 5.3-Contatos NF ou Normalmente Fechados Estes relés apresentam um ou mais contatos que estão fechados, permitindo a circulação pela carga externa, quando a bobina estiver desenergizada. Quando a bobina é percorrida por uma corrente, o relé abre seus contatos interrompendo a circulação de corrente pela carga externa. (figura 39). 45 Figura 39 Funcionamento do Relé Usamos este tipo de relé para desligar uma carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do relé. 5.4-Características Elétricas dos Relés Como acionar um relé? Que tipo de circuitos externos pode ser controlado por um relé? Na utilização de qualquer tipo de relé num projeto é fundamental ter respostas para as duas perguntas acima, e em alguns casos para outras. Nos manuais de fabricantes de relés, encontramos informações que permitem a avaliação do que um relé pode fazer e como deve ser usado. No entanto, é preciso saber interpretar estas informações, para que não aconteçam surpresas desagradáveis num projeto. Iniciaremos então nossas explicações pelas características elétricas dos relés. 5.5-Características da bobina Para que o relé seja energizado corretamente e os contatos atuem, é preciso que uma corrente de intensidade mínima determinada circule pela sua bobina. Devemos então aplicar uma tensão de determinado valor, que em função da resistência do enrolamento vai permitir que a corrente mínima determinada seja estabelecida. Na prática os relés são especificados em termos da corrente que deve passar pelo enrolamento para uma determinada tensão que é a tensão de funcionamento. Na verdade é preciso levar em conta que, para fechar o relé, precisamos de uma certa intensidade de campo magnético que puxe a armadura para perto da bobina com certa força, mas uma vez que a armadura se aproxima, o campo já não precisa ser tão forte para mantê-la junto à bobina, e com isso o relé fechado.Devemos então distinguir a tensão que aciona o relé da tensão que o mantém fechado que é muito menor. 46 A corrente que aciona o relé é denominada corrente de acionamento, enquanto que a corrente que o mantém fechado (muito menor) é a corrente de manutenção. Fixando a tensão que deve disparar um relé de corrente contínua, a corrente que vai circular por sua bobina é função da resistência do enrolamento, o que pode ser calculado facilmente pela lei de Ohm. Assim, se um relé for especificado para uma tensão nominal de 24 volts, quando então circula uma corrente de 20 mA (0,02 A), podemos calcular a resistência com uma simples divisão: R = V/IR = 24/0,02R = 1200 ohms As características da bobina do relé de corrente contínua (resistência, corrente e tensão) ficam então perfeitamente definidas quando temos duas das três grandezas acima citadas: Se tivermos a tensão (V) e a corrente (I), calculamos a resistência (R) pela fórmula: R = V/I Se tivermos a tensão (V) e a resistência (R), calculamos a corrente pela fórmula: I = V/R Finalmente, se tivermos a corrente (I) e a resistência (R), calculamos a tensão (V) pela fórmula: V=RxI Veja que estas tensões são "valores nominais", ou seja, aqueles que são recomendados numa operação normal. Na prática o relé pode fechar seus contatos com tensões menores, mas este fator deve, ser levado em conta quando se desejar máxima confiabilidade do componente.Os valores superiores também são admitidos, apenas até certo limite. Se a aplicação de uma tensão num circuito que tenha uma certa resistência, como a bobina de um relé, significa a produção de calor, temos aí um motivo claro da limitação. As bobinas podem dissipar apenas uma quantidade definida de calor, que não deve ser superada. Os fabricantes de relés indicam então qual é a porcentagem acima da tensão nominal que pode ser aplicada no máximo na bobina de um relé sem o perigo de haver aquecimento. Valores típicos estão entre 10 e 15% acima da tensão nominal. Resumindo: as características elétricas da bobina de um relé, que devem ser levadas em conta num projeto, são:  Tensão nominal, tensão de operação e tensão máxima de trabalho;  Corrente nominal;  Resistência ôhmica;  Potência nominal dissipada. 5.6-Características dos contatos 47 Além do número de contatos e o tipo, devemos também conhecer características elétricas desses contatos, para utilizá-los sem problemas em qualquer projeto. A primeira característica que nos interessa é a corrente máxima que podem controlar. A abertura e fechamento dos contatos de um relé exige um certo tempo, o que significa que nos pontos de aproximação máxima podem ocorrer arcos, ou seja, pequenas faíscas que tendem a queimálos com o tempo.Estas faíscas são mais intensas quando se comuta um circuito indutivo como por exemplo um transformador, um motor, um solenóide etc. A superfície dos contatos determina, por outro lado, a intensidade máxima da corrente que pode ser controlada. Estes dois fatores devem ser levados em conta na utilização de um relé. Assim, temos a especificação da corrente máxima que cada contato pode controlar tanto em circuitos resistivos como indutivos. Evidentemente, a corrente máxima num circuito resistivo é sempre maior que a permitida para um circuito indutivo. Alguns recursos permitem a proteção dos contatos com o prolongamento de sua vida útil,na comutação e controle de cargas indutivas "amortecendo" as faíscas, mas isso será visto posteriormente. A vida útil de um relé está basicamente determinada pela durabilidade dos contatos, e como o desgaste ocorre nos momentos em que ocorrem as comutações, esta característica é dada em termos de abertura e fechamento do relé em milhares ou mesmo milhões de vezes. Temos ainda como especificação importante a tensão máxima que os circuitos do contato podem admitir. Esta característica é importante levando-se em conta a possibilidade de ocorrer faiscamentos ou mesmo fugas entre os contatos dado o seu afastamento na posição em aberto, se a tensão máxima for superada. Valores típicos estão na faixa dos 150 aos 250V.Como a potência controlada no circuito de carga é dada pelo produto da corrente pela tensão, em alguns casos especifica-se a potência máxima também. Existem casos em que não se recomenda que a corrente máxima especificada para os contatos seja aplicada também com a tensão máxima. Limita-se assim a potência. Uma outra especificação importante em certas aplicações é o tempo que o relé demora para fechar seus contatos. Existe então um intervalo de tempo mínimo indicado pelo fabricante que decorre entre a aplicação da tensão na bobina e o pleno fechamento dos contatos. Este valor varia de tipo para tipo e é dado tipicamente em milisegundos (ms). Veja então que os dois tempos devem ser levados em conta quando se deseja que o relé opere em ciclos rápidos. Do mesmo modo, existe um tempo determinado para o desaparecimento do campo magnético na bobina a partir do instante em que a corrente é interrompida. As linhas de forças do campo magnético se contraem em velocidade limitada pela indutância da bobina, e isso 48 influi diretamente no tempo em que os contatos demoram a abrir. Os fabricantes especificam também o tempo de abertura do relé em milisegundos. Uma outra especificação importante em certas aplicações é o tempo que o relé demora para fechar seus contatos. Existe então um intervalo de tempo mínimo indicado pelo fabricante que decorre entre a aplicação da tensão na bobina e o pleno fechamento dos contatos. Este valor varia de tipo para tipo e é dado tipicamente em milisegundos (ms).Veja então que os dois tempos devem ser levados em conta quando se deseja que o relé opere em ciclos rápidos. Estes tempos determinam a máxima freqüência que o relé pode responder. É claro que não se recomenda a utilização deste tipo de componente em aplicações que exijam a repetição de muitos ciclos de operação rapidamente, pois existe uma limitação para a vida útil dos contatos. Esta vida útil é indicada em termos de quantidade de operações, ficando tipicamente entre 250 mil e 30 milhões, conforme a corrente controlada. Finalmente devemos levar em conta a resistência dos contatos que pode ser expressa de diversas formas. Uma das maneiras consiste em se indicar a resistência de contato inicial, que é a resistência de um contato que ainda não comutou carga e, portanto, ainda não sofreu desgaste pelo faiscamento. Esta resistência é expressa em milésimos de ohm (mohms) situando-se tipicamente entre 10 e 100. Além destas especificações todas existem outras que eventualmente podem ser necessárias nas aplicações mais críticas. Dentre elas podemos citar o isolamento entre a bobina e os contatos, a capacitância entre os contatos quando eles estão abertos, já que nestas condições podemos considerá-los como as placas de um capacitor. Temos ainda o peso do componente, a vibração, a rigidez dielétrica entre bobina e contatos e entre os contatos etc. 5.7-Como usar o Relé? Alguns pequenos cuidados no projeto de circuitos com relês podem ser importantes, tanto no sentido de se obter maior durabilidade para o componente, como de proteger os próprios componentes do circuito de acionamento. Analisemos os principais casos: 5.8-Proteção do circuito de acionamento No momento em que um relé é desenergizado, as linhas de força do campo magnético da bobina, que se encontra em seu estado de expansão máxima, começam a se contrair. Nesta contração, as espiras da bobina do próprio relé são cortadas, havendo então a indução de uma 49 tensão. Esta tensão tem polaridade oposta àquela que criou o campo e pode atingir valores muito altos. O valor desta tensão depende da velocidade de contração do campo (di/dt) e da indutância da bobina (L). Se o componente que faz o acionamento do relé não estiver dimensionado para suportar esta tensão, se não houver uma proteção adequada, sua queima será inevitável. Do mesmo modo, existe um tempo determinado para o desaparecimento do campo magnético na bobina a partir do instante em que a corrente é interrompida. As linhas de forças do campo magnético se contraem em velocidade limitada pela indutância da bobina, e isso influi diretamente no tempo em que os contatos demoram para abrir.Os fabricantes especificam também o tempo de abertura do relé em milisegundos. O que ocorre neste caso é que o diodo está polarizado inversamente em relação a tensão que dispara o relé. Assim, quando ocorre a indução de uma alta tensão nos extremos da bobina no momento da interrupção da corrente, o diodo polarizado no sentido direto passa a ter uma baixa resistência absorvendo assim a energia que, de outra forma, poderia afetar o componente de disparo. Outra técnica, menos comum dado o custo do componente, é a que faz uso de um varistor ligado em paralelo com a bobina do relé. O varistor ou VDR é um componente, normalmente de óxido de zinco que apresenta uma característica não linear de corrente versus tensão, conforme mostra a curva da mesma figura. Quando a tensão supera certo valor a resistência do componente cai abruptamente. Esta propriedade pode ser usada para absorver a corrente no instante em que o relé é desenergizado e que poderia causar problemas aos componentes de disparo. A tensão do VDR ou Varistor deve ser escolhida de tal modo a ser maior que a tensão de disparo do relé, porém menor que a tensão máxima suportada pelo elemento usado no disparo. A utilização de um capacitor + resistor em paralelo com a bobina é também um meio de proteção, mas que nem sempre é recomendada dada à velocidade com que ocorre a comutação. 6-DIODOS Antes de entrarmos no assunto propriamente dito, é necessário fazermos algumas considerações sobre o material de que são feitos alguns importantíssimos componentes 50 eletrônicos, tais como: diodos e transistores entre outros; este material é conhecido como semicondutor. 6.1- Materiais Semicondutores Existem na natureza materiais que podem conduzir a corrente elétrica com facilidade: os metais-Ex: cobre, alumínio, ferro etc. Materiais que não permitem a passagem da corrente elétrica, pois o portador de carga (elétrons), não tem mobilidade neles. São os isolantes. Ex.: mica, borracha, vidro plásticos etc. Em um grupo intermediário, situado entre condutores e os isolantes estão os semicondutores, que não são nem bons condutores e nem chega a ser isolantes. Destacamos entre os semicondutores, pois serão alvos deste estudo o silício (Si) e o germânio (Ge). Existem outros elementos semicondutores também importantes para eletrônica são eles o selênio (Se), o Gálio (Ga) etc. A principal característica que interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4 elétrons na sua última camada e que eles se dispõe numa estrutura geométrica e ordenada. O silício e o germânio formam cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da última camada. Sabemos da química que os átomos de diversos elementos têm uma tendência natural em obter o equilíbrio, quando sua última camada adquire o número máximo de 8 elétrons. Desta forma formam, tanto o silício quanto o germânio formam cristais quando os seus átomos um ao lado do outro compartilham os elétrons havendo sempre 8 deles em torno de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para estes materiais. Nesta forma cristalina de grande pureza o silício e o germânio não servem para elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas “impurezas” ao material. Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento químico que tenha na sua última camada um numero diferente de 4 elétrons, e que sejam agregados a estrutura do Germânio ou/e do silício em proporções extremamente pequenas da ordem de partes por milhão (ppm).No nosso exemplo utilizaremos o silício com as duas possibilidades de adição. a) Elementos com átomos de 5 elétrons na última camada; b) Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada. No primeiro caso, mostrado na figura 2, a adição e utilizando o elemento arsênio (As). Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura 51 cristalina, sobrará um que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e por isso pode servir como portador de carga. Figura 40 Material Semicondutor do Diodo tipo N O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir a corrente se altera e o semicondutor no caso o silício fica, o que se chama “dopado” e se torna bom condutor da corrente elétrica. Como o transporte das cargas é feito nos materiais pelos elétrons que sobram ou elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela adição deste tipo de impureza, recebe o nome de Semicondutor do tipo N (N-negativo). Na segunda possibilidade, agregamos ao cristal de silício uma impureza, que contém 3 elétrons na sua última camada, no caso o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura. Figura 41 Material Semicondutor do Diodo tipo P Observa-se que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, que chamamos de “lacuna”. Esta lacuna também funciona com portador de carga, pois os elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar”de lacuna para lacuna encontrando assim um percurso com pouca resistência. Como os portadores de carga neste caso são lacunas, e a falta de elétrons corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material semicondutor assim obtido é do tipo P (P de positivo). Podemos formar materiais semicondutores do tipo P e N tanto com os elementos como o silício e o germânio, como com alguns outros encontrados em diversas aplicações na eletrônica.Um importante dispositivo eletrônico é obtido quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes formando entre eles uma junção semicondutora. 52 A junção semicondutora é parte importante de diversos dispositivos como os diodos, transistores, SCRs, circuitos intergrados, etc. Por este motivo, entender o seu comportamento é muito importante. Supondo que tenhamos dois pedaços de materiais semicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N, se unimos os dois de modo a estarem num contato muito próximo, formam uma junção, conforme se mostra na Figura 42, na sequência. Figura 42 Junção PN Esta junção apresenta propriedades muito importantes. Analisemos inicialmente o ocorre na própria junção. No local da junção os elétrons que estão em excesso no material N e podem movimentar-se procuram as lacunas, que estão também presentes no local da junção, no lado do material P, preenchendo-as. O resultado „e que estas cargas se neutralizam e ao mesmo tempo aparece uma certa tensão entre os dois materiais(P e N). Esta tensão que aparece na junção consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular a corrente entre os dois materiais. Esta barreira é chamada de Barreira de potencial ou ainda Tensão de Limiar ou ainda Tensão de Condução. Para o Germânio esta tensão é de 0,2 Volts e para o Silício é de 0,7 Volts. Figura 43 estrutura A estrutura indicada, com os dois materiais semicondutores P e N, forma um componente eletrônico com propriedades elétricas bastante interessantes e que é chamado de diodo (semicondutor). 53 6.2-Estrutura dos Diodos Diodo é um semicondutor formado por dois materiais de características elétricas opostas, separados por uma área sem carga (vazia) chamada de junção. Esta junção é que dá a característica do diodo. Normalmente os diodos são feitos de cristais “dopados” de silício e do germânio. Símbolo: Figura 43 Estrutura e Simbolo Diodos Diversos: Figura 44 Tipos de Diodo 6.3- Especificacões dos Diodos As especificações dos Diodos comuns são feitas em função da corrente máxima que 54 podem conduzir no sentido direto, abreviado por If( o f de forward=direto), e pela tensão máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por Vr (reverse=Inverso) e ainda segundo códigos, da seguinte forma: 1N – Código americano (uma Junção); 1S – Código Japonês; AO = BA – Código europeu. 6.4 Polarização dos Diodos 6.4.1. Polarização Direta Para polarizar um diodo ligamos o anodo ao pólo positivo da bateria, enquanto o catodo é ligado ao pólo negativo da mesma. Ocorre uma repulsão tanto dos portadores de carga da parte N se afastando do pólo negativo da bateria, como dos portadores de carga da parte P se afastando do pólo positivo da bateria. Convergem, tanto os portadores de N como os portadores de P, para a região da junção. Temos então na região da junção uma recombinação, já que os elétrons que chegam passam a ocupar as lacunas que também são “empurradas”para esta região. O resultado é que este fenômeno abre caminho para novas cargas, tanto em P como em N, fazendo com que as estas se dirijam para região da junção, num processo contínuo o que significa a circulação de uma corrente. Esta corrente é intensa, o que quer dizer que um diodo polarizado desta maneira, ou seja, de forma direta deixa passa corrente com facilidade. Na figura 6, podemos visualizar melhor este fenômeno. Figura 45 Polarização Direta 6.4.2. Polarização Inversa Quando invertemos a polaridade da bateria, em relação aos semicondutores, ou seja, 55 pólo positivo da bateria ligado ao catodo (N) e o pólo negativo. Da bateria ligada ao anodo(P), o que ocorre é uma atração dos portadores de carga de N para o pólo positivo da bateria e dos portadores de P para o pólo negativo da mesma.Ocorre então um afastamento dos portadores de N e de P da junção. O resultado é que em lugar de termos uma aproximação das cargas na região da junção temos um o seu afastamento, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente. O material polarizado desta forma, ou seja, inversa, não deixa passar a corrente. Figura 46 Polarização Inversa 6.5 Tipos de Diodos 6.5.1- Diodos de silício uso geral São aqueles usados em circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização etc. São fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade de no máximo 200mA e tensões que não ultrapassam 100V. Simbologia: Figura 47 Diodo 1N4148 Um dos diodos mais populares deste grupo é o de referência 1N4148 56 6.5.2-Diodos Retificadores Sua função é de retificar corrente de AC para DC pulsante.São destinada a condução de correntes intensas e também operam com tensões inversas elevadas que podem chegar 1000v ou 1200 no sentido inverso Conduzem correntes diretas de até 1 A. Simbologia: Figura 48 Simbologia 6.5.3-Diodos emissores de luz – Led (Light emiting diodes) Estes diodos polarizados de forma direta emitem luz monocromática quando a corrente circula pela sua junção. Figura 49 Diodo Led Cores disponíveis: Amarelo, verde vermelho, laranja e azul. Aplicações: Controles remotos, Monitores, Indicativo de funcionamento dos dispositivos em um Pc etc. Tensão de funcionamento: Leds vermelhos –1,6V demais de 1,8 a 2,1V Indicações de identificação- os Leds mais comuns são indicados por tipos de fabrica, tais como as siglas TIL(TIL221 etc) da Texas Instruments, CQV (da Phillips) ou LD(Icotron). 6.6 Transformadores / Tomada Central ( CT-center tape) Aqui vamos ter uma noção simples de funcionamento de um transformador.Podemos dizer que o transformador é um componente que possui quatro, ou mais terminais, cuja função é alterar o valor do pico de uma tensão alternada, e ainda adaptar a tensão alternada da rede para níveis predeterminados que irão alimentar um retificador. 57 Representação: Figura 50 Trafo de derivação central O transformador é constituídas por duas bobinas enroladas chamadas de primário e secundário em um núcleo comum a ambas.Quando é aplicada uma corrente alternada no enrolamento primário aparece em torno de sua bobina um campo magnético, cujas linhas de força se expandem e contraem na mesma freqüência da corrente. O resultado é que, cada vez que estas linhas de força cortam as espiras do enrolamento secundário este é induzido e uma tensão aparece em seus terminais. A tensão tem a polaridade dada pelo movimento das linhas de força de modo que ela também se inverte na mesma freqüência da corrente do enrolamento primário. Chega-se a conclusão que a tensão alternada do enrolamento secundário do transformador tem a mesma freqüência que a aplicada no enrolamento primário. Observe figura acima que tanto no primário como no secundário os sinais (+) e (-) estão nos mesmos pólos. Importante: Quando a sinalização do secundário for igual ao correspondente do primário dizemos que o secundário está em fase com o primário quando a sinalização dos pólos estiverem diferentes nos pólos correspondentes, dizemos que o secundário está com fase invertida. Esta inversão de fase pode ser conseguida com um transformador que tenha enrolamento duplo ou dotado de uma tomada central (CT=center tape) 6.7- Retificadores Os retificadores são circuitos que transformam as tensões e correntes alternadas em tensões e correntes contínuas. Existem três tipos de retificadores conforme a forma de onda da tensão oferecida na saída e o circuito de cada um.São eles: Retificador de meia onda-RMO; Retificador de onda completa com tomada central (Center tape)-ROCT; Retificador de onda completa em ponte-ROCP. 58 6.7.1 Retificador de meia onda-RMO Em primeiro lugar vamos visualizar de uma forma geral como entra e como sai a corrente nesse tipo de retificador. Figura 51 retificador meia onda 6.7.2 Retificador de Onda Completa com Tomada Central-ROCT Na figura a seguir visualizamos como entra e sai a correntes neste tipo de retificador. Figura 52 Retificador onda completa 6.7.3- Retificador de Onda Completa em Ponte - ROCP Na figura 52 se visualiza, como nos outros tipos, como entra e como sai neste tipo de retificador. Figura 53 Onda Completa em Ponte Neste tipo, temos um retificador comum que utiliza para retificação uma ponte retificadora, que é um componente eletrônico com quatro diodos internos dispostos de tal maneira a colocar dois diodos por ciclo ligados via seus anodos (A) ao pólo positivo do 59 secundário do transformador. Desta forma nos semi-ciclos positivo SCN- temos dois diodos conduzindo e no semi-ciclo negativo os outros dois também conduzem. Neste processo por termos 4 diodos obtemos um rendimento melhor que o ROCT ( cerca de 80%). Antes de prosseguirmos com as explicações de funcionamento deste sistema, mostramos nas figuras abaixo o aspecto, simbologia e esquema de uma ponte retificadora. Simbologia: Circuito: Figura 54 Simbologia e Circuito 60 CONCLUSÃO Este trabalho foi realiza colocando em pratica todo aprendizado teórico das matérias estudadas durante o curso, foi de grande importância para o desenvolvimento na pratica das atividades que serão vivenciadas no dia-a-dia dos alunos após a conclusão do curso. O projeto foi elaborado para a automação de sistema de iluminação residencial, como na maioria dos projetos utilizamos varias áreas da engenharia, como elétrica, eletrônica e computação. Todo o projeto é fundamental para aperfeiçoamento das técnicas e conhecimento adquirido, nesse houve um ganho de conhecimento, troca de informação e o aprendizado com os próprios colegas de equipe. 61 Referencias Bibliográficas www.datasheetcatalog.com acesso em 15 de maio 2010,22 horas. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos: Robert Boylestad - Louis Nashelsky Editora Prentice/Hall do Brasil – RJ Circuitos Elétricos: Joseph A. Edminister – Ed. Shaum McGraw-Hill - SP Circuitos Eletrônicos: Volnei A. Pedroni – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. – RJ 62 ANEXOS Data Sheet Diodo Data Sheet Transistor Data Sheet Relé Circuito Eletrônico Planta Baixa Diagrama Uni filar Calculo do Circuito Tabela verdade Material Usado no Projeto 63 Data Sheet Diodo 64 65 66 Data Sheet Transistor 67 68 69 Data Sheet Relé 70 71 72 73 Circuito Elétrônico 74 75 76 Calculo do circuito Ib = IC 𝛽 P=R . I 2 Especificação do Diodo Vd 0,3 V,Rd 10 Ω P/ BC 548 VCE Min=0,3 V β=>110-450 Hfe P= V2 𝑅 RR=103Ω 5 − 0,3 = 46 mA 103 46 Ibmax = = 4,18 mA 110 ICmax = Rb− VD− Vrd− Vrb−Vbe=0 Rb = 5 − 0,65 − 10 . 4,18 − 0,7 = 4,243Ω 4,18 77 Tabela Verdade A B C D E F G H L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Estado assumido durante Funcionamento 1=>Lâmpada Ligada 0=>Lâmpada desligada Obs. Foram colocadas apenas algumas situações assumidas durante funcionamento, a tabela verdade completa do circuito suporta 128 situações. 78 Material Usado no Projeto O2 Fusíveis de vidro de 600 mA 02 Portas fusíveis/01 chave de 3 posições 01 Transformador de potencia 2,0 W/127/6v 04 Diodos 01 Capacitor de 10µF /25 V 12 Diodos 1N4148 06 Relés de 5 v 06 Transistores BC 548 06 Resistores de 1 KΩ 03 Placas perfuradas 5x10cm 01 Cabo Paralelo DB 25 06 Receptáculos base EL7 06 Lâmpadas Incandescente de 40 w/110 v 06 Disjuntores de 1 A 06 Fusíveis de 500 mA