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OSTENSIVO 1-1
CAPÍTULO 1
DIODOS
1.1 - ESTRUTURA BÁSICA DOS DIODOS SEMICONDUTORES
1.1.1 - Estrutura da matéria
Matéria é tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço.
Ela é constituída por substâncias que são definidas segundo algumas propriedades. Os
estados sólidos, líquido e gasoso em que encontramos certas substâncias são exemplos
de propriedades físicas da matéria. A matéria pode ser composta por um só tipo de
elemento, por dois ou mais tipos.
a) Elementos
São substâncias encontradas na natureza e que diferem uns dos outros em função de
sua constituição atômica. Existem na natureza cerca de 92 elementos químicos,
exemplificando o hidrogênio, o cobre, os silícios, etc; e outros que foram criados em
laboratórios.
Qualquer substância pode ser dividida em partes cada vez menores até chegar a
menor, que é conhecida como molécula.
b) Molécula
É a menor parte de uma substância que ainda conserva todas as suas características.
Exemplo: a molécula da água é formada por dois átomos de hidrogênio e um de
oxigênio (H2O).
1.1.2 - Constituição do átomo
Átomo é a menor parte em que podemos dividir uma substância simples, sem que ela
perca todas as suas características. Os átomos se combinam e formam as moléculas das
substâncias.
O átomo é formado por um núcleo, onde se encontram os prótons e os neutrons, situados
ao redor do núcleo ficam os elétrons.
a) Elétron
É uma pequena partícula carregada negativamente, que gira em grande velocidade ao
redor do núcleo do átomo.
b) Próton
Faz parte do núcleo, possui carga elétrica positiva de mesmo valor absoluto que o
elétron e massa 1.836 vezes maior.
c) Nêutron
OSTENSIVO 1-2
Faz parte do núcleo, não possui carga elétrica e sua massa é aproximadamente igual a
do próton.
O átomo, em seu estado natural, é eletricamente neutro, ou seja, o nº de prótons é
igual ao de elétrons.
Fig. 1.1 - Constituição do átomo.
1.1.3 - Camadas de valência
Os elétrons giram em torno do núcleo em diversas camadas. A partir da mais interna são
chamadas: K, L, M, N, O, P e Q.
Em cada camada existem um número máximo de elétrons permitidos. Para sabermos o
número máximo de elétrons até a quarta camada, basta aplicar a seguinte fórmula: nº de
elétrons = 2 x n2 ; onde “n” é o número da camada.
a) Camada saturada
Quando a camada possui o número máximo de elétrons permitidos.
b) Camada de valência
É a camada mais distante do núcleo, e dela dependem as propriedades elétricas do
átomo. Os elétrons da camada mais próxima do núcleo estão mais rigidamente
ligados ao núcleo.
À medida que vamos afastando do núcleo, os elétrons vão ficando mais fracamente
ligados ao mesmo e, por isso, os elétrons da camada externa (camada de valência)
possuem maior facilidade de se liberarem.
A camada de valência mais estável é aquela que possui 8 elétrons.
Exemplos:
Cloro: K = 2; L = 8; M = 7. (“M” é a camada de valência).
Silício: K = 2; L = 8; M = 4.
Germânio: K = 2; L = 8; M = 18; N = 4. (“N” é a camada de valência).
1.1.4 - Condutores, isolantes e semicondutores
Elétrons Núcleo
OSTENSIVO 1-3
a) Condutores
São caracterizados pelo fato dos elétrons de valência estarem fracamente ligados ao
núcleo do átomo, podendo ser facilmente deslocados do mesmo. Os corpos
condutores apresentam baixa resistência à passagem da corrente elétrica. Ex.: prata,
cobre, alumínio, ouro, etc.
Percebemos bem isso quando olhamos a estrutura atômica do cobre, onde vemos um
elétron de valência numa órbita muito grande em torno da parte central. Então o
núcleo exerce uma força de atração muito pequena, ocasionando um fácil
desprendimento deste elétron de valência.
Fig. 1.2 - Átomo de cobre.
b) Isolantes
São corpos que apresentam alta resistência à passagem da corrente elétrica, pois os
elétrons de valência dos seus átomos estão rigidamente ligados ao núcleo. Ex.:
borracha, mica, porcelana, etc. Os isolantes são elementos de valência 8, ou seja,
possuem 8 elétrons na camada de valência.
c) Semicondutores
São elementos cuja resistência situa-se entre as dos condutores e as dos isolantes.
Ex.: germânio e silício. Um semicondutor é um elemento de valência 4.
Observamos então que os condutores são elementos de valência 1, os semicondutores
de valência 4 e os isolantes de valência 8. Os semicondutores estão em
condutibilidade entre os isolantes e condutores.
1.2 - ESTRUTURA DA JUNÇÃO PN
+29
OSTENSIVO 1-4
1.2.1 - Substância cristalina
É toda substância onde os átomos se posicionam no espaço formando uma estrutura
ordenada. Quando átomos de silício, por exemplo, se combinam para formar um sólido,
eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal.
1.2.2 - Ligação covalente
Os átomos procuram atingir a sua situação mais estável (oito elétrons na camada de
valência). Como o material semicondutor possui apenas quatro elétrons nessa camada,
eles se combinam com outros átomos para que se complete oito elétrons. A ligação é
chamada covalente porque o semicondutor recebe elétrons ao mesmo tempo que
empresta os seus próprios elétrons para o átomo usado na ligação.
1.2.3 - Estrutura covalente
É a estrutura formada por ligação covalente. Neste tipo de estrutura, ao aplicarmos uma
tensão, não resultará numa corrente, pois os elétrons acham-se presos à ligação de
valência, não havendo, por conseguinte, elétrons livres para a condução.
Para que haja circulação de corrente teremos de romper as ligações covalentes mediante
a aplicação de energia suficiente para tal. Essa energia pode ser em forma de luz, calor,
etc.
1.2.4 - Formação de buracos ou lacunas
Com o rompimento da ligação covalente, ocorre a liberação de elétrons e o espaço vazio
(buraco) deixado pela liberação comporta-se como uma carga positiva móvel.
Suponhamos uma estrutura cristalina sobre a qual aplicamos uma diferença de potencial
(ddp):
Fig. 1.3 - Fluxo de elétrons no material
Cada elétron retirado do material pelo polo positivo da bateria ocasionará a formação de
uma lacuna, porém, o polo negativo da bateria se encarregará de repor um outro elétron
nessa lacuna.
B
E
E
E
E E
EE E E E E E
E
E
E
E E
E
E E E Pos. Neg. Lacunas
Elétrons
A
OSTENSIVO 1-5
Notamos na Fig que um elétron passou a ocupar a lacuna originada pelo elétron atraído,
porém, ao deslocar-se em seu antigo lugar, uma nova lacuna e, por este mecanismo,
teremos duas circulações de corrente dentro do material, uma de portadores positivos
(buracos) e outra de portadores negativos (elétrons). O buraco apresenta carga igual a do
elétron, porém com polaridade oposta.
A energia necessária para quebrar a ligação covalente do germânio é de 0,2V a 0,3V e
do silício é de 0,6V a 0,7V.
A zero grau Kelvin (- 273ºC) as ligações covalentes ficam intactas e o cristal se
comporta como isolante.
1.2.5 - Conceitos fundamentais
a) Semicondutor intrínseco
É o cristal semicondutor puro, isto é, sem impurezas.
Os corpos básicos empregados na construção de semicondutores são o germânio e o
silício. Esses cristais em estado puro são excelentes isolantes, porque a estrutura
cristalina mantém, convenientemente, em seu lugar, todos os elétrons externos,
formando uma união covalente, que é como se o núcleo “enxergasse” , na órbita
externa, oito elétrons, apesar desses cristais serem tetravalentes (quatro elétrons na
última camada).
O corpo cristalino puro impede que a corrente elétrica circule por ele e, desta forma,
o germânio e o silício têm que ser modificados em sua estrutura, para que seja
possível que a circulação de corrente se dê de maneira controlável.
b) Dopagem
Processo de introduzir impurezas (doadoras ou receptoras de elétrons) em um cristal
semicondutor.
c) Elemento trivalente
É todo elemento que possui na sua camada de valência um total de três elétrons.
Exemplos: boro, alumínio, gálio, índio e tálio (grupo 3A da tabela periódica).
d) Elemento pentavalente
É todo elemento que possui em sua camada de valência um total de cinco elétrons.
Exemplos: antimônio, fósforo, arsênico, etc (grupo 5A da tabela periódica).
1.2.6 - Formação do material tipo “N”
O semicondutor tipo “N” é aquele que se obtém adicionando (dopando) ao cristal puro,
átomos com cinco elétrons na camada de valência (átomos pentavalentes).
OSTENSIVO 1-6
O tipo de semicondutor assim tratado recebe a denominação de tipo N porque um dos
elétrons adicionado ao átomo não consegue se ligar firmemente na estrutura do cristal,
podendo ser facilmente deslocado do material.
Como essas impurezas fornecem (doam) elétrons, elas são chamadas de impurezas
doadoras ou impurezas tipo N.
A corrente circulante neste tipo de material consiste de excesso de partículas negativas,
daí chamar-se corrente de elétrons.
Fig. 1.4 - Material semicondutor dopado com fósforo (semicondutor tipo N).
1.2.7 - Formação do material tipo “P”
Semicondutor tipo P é aquele que se obtém adicionando-se ao cristal puro, átomos com
três elétrons na camada de valência (átomos trivalentes).
Essa ligação covalente ficará incompleta, uma vez que o átomo do semicondutor tem
quatro elétrons e o da impureza trivalente três elétrons na camada de valência
Esse semicondutor recebe a denominação de tipo “P” porque um dos átomos a ele
adicionado causou uma falta de elétron na estrutura do cristal o qual, facilmente
aprisionará um elétron.
Essas impurezas trivalentes que dão origem a buracos na rede cristalina são chamadas
impurezas aceitadoras ou impurezas tipo P.
A corrente circulante neste tipo de material deve-se a deficiência de elétron, daí chamar-
se lacunas (buracos).
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
AS
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Si
Si
Si P Si
Elétron
OSTENSIVO 1-7
Fig. 1.5 - Material semicondutor dopado com alumínio (semicondutor tipo P).
1.3 - FUNCIONAMENTO DA JUNÇÃO PN
1.3.1 - Fluxo de corrente nos semicondutores
a) Fluxo de corrente no semicondutor tipo N
Se aplicarmos uma bateria em um material tipo N, haverá um fluxo de elétrons livres
através do material em direção ao potencial positivo da bateria.
Podemos afirmar que os elétrons livres são os responsáveis pela condução extrínseca
e os buracos pela condução intrínseca. Os elétrons são portadores majoritários e os
buracos portadores minoritários.
Fig. 1.6 -Fluxo de corrente
Si
Al
Si
Si Si
Buraco
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Ga
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
Ge ou Si
fluxo de elétrons fluxo de buracos
Semicondutor tipo N
OSTENSIVO 1-8
b) Fluxo de corrente no semicondutor tipo P
Se aplicarmos uma bateria em um material tipo P, haverá um fluxo de buracos através
do material em direção ao polo negativo da bateria.
No cristal tipo P, os buracos são os portadores majoritários e os elétrons são os
portadores minoritários. A quantidade de portadores minoritários está diretamente
ligada à execução externa tal como calor e luz.
Fig. 1.7 - Fluxo de corrente
1.3.2 - Princípio de funcionamento dos diodos semicondutores
Por si só, um pedaço de semicondutor tipo N tem a mesma utilidade um resistor de
carbono; o mesmo pode ser dito do semicondutor tipo P. Mas quando um fabricante dopa
um cristal de modo que metade dele seja tipo P e a outra metade tipo seja tipo N, acontece
um fato novo.
Supondo-se um cristal de germânio ou silício no qual, por um processo qualquer, foi feita
uma dopagem diferente em duas regiões:
Fig. 2.8 - Funcionamento dos diodos semicondutores
Do lado N haverá muitos elétrons livres, ao passo que do lado P existirão buracos, como
conseqüência, haverá um processo de difusão entre os elétrons e os buracos.
Semicondutor
tipo P
O elétron é atraído (difundido)
Átomo doador
Átomo aceitador
P N P N P N
Junção PN
OSTENSIVO 1-9
N P N P N P
Fig. 1.9 -funcionamento da junção NP
Juntando-se quimicamente os dois tipos de semicondutores forma-se um diodo do estado
sólido, também chamado de junção PN.
Assim, teremos duas regiões distintas a saber: a região N e a região P. Do lado N haverá
muitos elétrons livres, ao passo que do lado P existirão buracos e como conseqüências,
haverá um processo de difusão entre os elétrons e os buracos na junção dos dois tipos de
materiais (região de contato).
Nessa região, forma-se uma barreira de potencial causada por íons positivos e íons
negativos, polarizando positivamente a região de contato tipo N; e negativamente a região
de contato do material tipo P.
Conforme os elétrons passam para o cristal P, esse potencial vai crescendo até atingir um
ponto que impede que eles transitem pela junção. A região da junção onde não existe
elétrons livres, nem buracos, recebe o nome de zona de deplexão (região de transição).
O potencial que aparece entre os dois cristais devido à ionização de ambos recebe o nome
de barreira de potencial. Essa barreira é da ordem de 0,2V para o germânio e da ordem de
0,6V para o silício.
Fig. 1.10 -Barreira de potencial através da região de esgotamento
Dependendo do material usado na construção e do método de construção dos diodos
(ponto de contato, difusão, liga, etc), encontramos aplicações prática dos diodos em:
Os elétrons são repelidos na junção por íons negativos
Região de esgotamento
Átomos carregados
Elétrons difundindo-se através da junção
Carga de 0,1V
Íon positivo Íon negativo
Outro elétron é atraido
Íon Negativo ooo
Íon positivo
N P N P N P
OSTENSIVO 1-10
fontes de alimentação (atuando como retificador), em circuitos detetores, circuitos
limitadores, etc.
A borda entre o material tipo P e o material tipo N é chamada de junção PN e foi ela que
deu origem a todos os tipos de invenções, incluindo diodos, transistores e circuitos
integrados. A compreensão da junção PN permite que você entenda todos os tipos de
dispositivos encontrados.
1.3.3 – Simbologia
Fig.1.11 - diodo
Os diodos semicondutores são representados de forma que a barra vertical simboliza o
material tipo N, e a ponta da seta, o material tipo P.
A barra é denominada catodo, e a ponta da seta, ânodo.
Um fabricante pode produzir um cristal simples com um material tipo P de um lado e um
material tipo N do outro. A junção é a borda onde as regiões do tipo P e do tipo N se
encontram e o diodo de junção é outro nome dado para um cristal PN. A palavra diodo é a
contração de dois eletrodos.
1.3.4 - Polarização direta
Um diodo está diretamente polarizado, quando o catodo estiver negativo em relação ao
ânodo com uma diferença de potencial superior ao valor da barreira de potencial do
diodo, para que o efeito da mesma possa ser vencido. Ou seja, positivo da bateria no lado
P (ânodo) e negativo no lado N (catodo).
Lembrando que para uma temperatura de 25ºC, a barreira de potencial é
aproximadamente igual a 0,3V para os diodos de germânio e 0,7V para os diodos de
silício.
A K
(anodo) (katodo)
(material tipo P)(material tipo N)
OSTENSIVO 1-11
corrente elevada
Fig. 2.12 - fluxo de corrente na polarização direta
Os elétrons livres do lado N serão repelidos pelo terminal negativo da bateria e tenderão a
penetrar na junção. Os buracos também serão repelidos pelo terminal positivo da bateria e
também tenderão a penetrar na junção. Como conseqüência, haverá uma diminuição da
região de deplexão e circulará grande corrente através da junção. A corrente circula
facilmente num diodo de silício com polarização direta, enquanto a tensão aplicada for
maior que a barreira de potencial.
1.3.5 - Polarização inversa
É o tipo de polarização que torna o catodo positivo em relação ao ânodo. Ela reforça
(aumenta) o efeito da barreira de potencial.
Positivo da bateria no lado N Catodo) e negativo no lado P (ânodo).
baixa corrente
Fig. - 1.13 - fluxo de corrente na polarização inversa
Os elétrons livres do material N serão atraídos pelo potencial positivo da bateria externa e
as lacunas do material P são preenchidas com elétrons do terminal negativo da bateria.
Como conseqüência, haverá aumento da zona de deplexão, tornando praticamente
impossível o deslocamento de portadores, ou seja, não haverá circulação de corrente.
Não deveria circular nenhuma corrente através do diodo, no entanto nota-se uma corrente
muito débil (corrente de fuga), devido à ruptura de certas ligações na estrutura cristalina,
N P
PN
lâmpada apagada
Lâ m p a d aa c es a
c o rre n te in te ns a
OSTENSIVO 1-12
por causa da agitação térmica (corrente de portadores minoritários). Existe uma pequena
corrente com a polarização reversa (inversa). Lembre-se de que a energia térmica gera
pares de elétrons livres e lacunas incessantemente. Isso significa que existem alguns
poucos portadores minoritários nos dois lados da junção. Muitos deles se recombinam
com os portadores majoritários, mas aqueles dentro da camada de deplexão podem não
existir suficientemente para cruzar a junção.
Quando isso ocorre uma pequena corrente circula pelo circuito externo .
1.3.6 – Ruptura e Efeito Avalanche
Os diodos têm tensões nominais máximas. Existe um limite do valor de tensão reversa
que um diodo pode suportar antes de ser destruído.
Continue a aumentar a tensão reversa e você atingirá sua tensão de ruptura. Para os
diodos retificadores (aqueles fabricados para conduzir melhor de um modo que de outro),
a tensão de ruptura é usualmente maior que 50V.
Uma vez atingida a tensão de ruptura, um grande número de portadores minoritários
aparece repentinamente na camada de deplexão e o diodo conduz fortemente.
1.3.7 - A curva característica do diodo
I (A)
Ruptura Região Direta
Corrente de fuga V (volts)
Região Joelho ≈ 0,6 a 0,7V(p/ o diodo de silício)
Reversa (0,2 a 0,3V p/ o diodo de germânio)
Fig. 1.14 - Curva característica do diodo
1.3.8 - Teste dos diodos
a) Determinação do ânodo e catodo
Através do Ohmímetro é possível determinar o catodo e o ânodo.
Antes de se proceder o teste, verifica-se se as marcações do instrumento (–) e (+), na
posição ohmímetro, correspondem aos terminais negativo e positivo da bateria interna
do instrumento, o que, na maioria deles, é invertida.
OSTENSIVO 1-13
Aplicando-se a ponta do instrumento que corresponde ao terminal negativo da bateria
interna em um dos lados do diodo, e a outra ponta, ao outro lado do mesmo, e obtendo-
se leitura de baixa resistência, o diodo está polarizado diretamente. O terminal do
diodo à ponta negativa do ohmímetro é o catodo e consequentemente o outro é o
ânodo.
Se a leitura obtida fosse alta resistência, o diodo estaria polarizado inversamente.
b) Condições de funcionamento do diodo
Aplicando-se as pontas de prova do ohmímetro no diodo, podemos verificar o seu
estado, observando o seguinte:
I) alta resistência em um sentido e baixa resistência no outro sentido: diodo bom;
II) alta resistência nos dois sentidos: diodo aberto; e
III) baixa resistência nos dois sentidos: diodo em curto.
ΩΩ
− + − +
Fig. 2.15 - teste dos diodos
1.3.9 - DIODO ZENER
a) – Simbologia
Fig. 1.16 – diodo zener
b) - Diferenças essenciais ao diodo retificador
Os diodos de pequeno sinal e retificadores nunca operam intencionalmente na região de
ruptura porque isso danifica-os. Um diodo Zener é diferente. Ele é um diodo de silício
que o fabricante otimizou para operar na região de ruptura. Algumas vezes chamado de
“diodo de ruptura”, o diodo Zener é o elemento principal dos reguladores de tensão,
circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta
variação na tensão de linha e na resistência de carga (RL).
A diferença essencial entre o diodo retificador e o Zener deve-se ao fato de que o
primeiro não deve atingir a zona Zener (ruptura), sob pena de possível destruição,
enquanto que o segundo é projetado e fabricado para trabalhar nesta região.
N P P N
Diodo polarizado diretamente Diodo polarizado inversamente
OSTENSIVO 1-14
Externamente, o diodo Zener possui aparência similar aos demais retificadores e,
eletricamente, é capaz de retificar correntes alternadas. São únicos entre os dispositivos
semicondutores pelo fato de serem projetados para operarem na região reversa de
ruptura.
Na região de tensão inversa, isto é, quando o diodo estiver polarizado inversamente,
aparece uma região de tensão constante. Essa tensão é uma característica de cada diodo,
não se alterando com as variações de temperatura, esta região é também denominada de
tensão Zener, especificada por “Vz” (a tensão Zener é provocada pela quebra das
ligações covalentes do material).
Se a tensão inversa aplicada ao diodo atingir a tensão Zener, ficará praticamente
constante dentro de um limite de variação de corrente, por este fato os diodos Zener são
muito utilizados em duas aplicações: como dispositivo de referência ou em estabilização
(regulação) de tensão.
c) - Especificações da tensão ZENER
Existem diodos Zener comerciais com tensões Zener variando de alguns volts até
centenas de volts. Estas tensões são determinadas pelo fabricante quando o diodo é
projetado.
Variando o nível de dopagem de um diodo de silício, um fabricante pode produzir diodos
Zener com tensões de ruptura de cerca 2V até 200V. Esses diodos podem operar em
qualquer uma das três regiões: direta, de fuga e de ruptura.
Esta tensão tem a particularidade de se manter aproximadamente constante para grande
variação de corrente. Tal característica, faz o diodo Zener um regulador de tensão em
fontes de baixo consumo e tensão de referência em fontes de elevado consumo.
Para o diodo Zener operar como regulador de tensão ou fonte de tensão referencial
devemos polarizá-lo inversamente, ou seja, o ânodo negativo em relação ao catodo.
0 ,7 v2 a 2 0 0 V
V z
V
I
IZ T
IZ M
I Z T = c o r re n te de tes te
I Z M = c o r re n te m áx i m a
OSTENSIVO 1-15
Fig. 1.17 -Curva característica do Diodo Zener
OSTENSIVO 1-16
CAPÍTULO 2
FONTES DE ALIMENTAÇÃO
2.1 - FINALIDADE
2.1.1 - Conceito
Fonte de alimentação é um circuito ou aparelho usado para transformar a
energia elétrica da rede (CA) na quantidade de (CA) ou (CC) que necessitam
os diversos circuitos eletrônicos.
2.1.2 - Finalidades das fontes
A maioria dos equipamentos eletrônicos operam com uma grande variedade de
tensões. A única tensão disponível é a da rede elétrica e que, geralmente, é de
110 ou 220Vca, a qual não tem utilidade prática nesta forma. É necessário,
então, um dispositivo para transformarmos essa tensão da rede em uma tensão
própria para o uso dos equipamentos e, para tal, usamos uma fonte de
alimentação.
A fonte de alimentação é, portanto, um circuito destinado a prover alimentação
de tensões e/ou correntes alternadas e/ou contínuas necessária ao
funcionamento dos equipamentos.
2.1.3 – Fonte de alimentação Ideal
Uma fonte de alimentação perfeita ou ideal produz uma tensão de saída
constante. O exemplo mais simples de uma fonte de alimentação ideal é uma
bateria perfeita, aquela que tem resistência interna zero. A Fig. 3.1 mostra uma
resistência de carga ajustável (reostato). A fonte de alimentação ideal produzirá
sempre 12V na resistência de carga, independentemente do valor ajustado.
Portanto, a tensão na carga é constante; apenas a corrente na carga muda.
Fig. 2.1 – Fonte ideal
RL 12V
OSTENSIVO 1-17
2.2 - DIAGRAMA EM BLOCOS
2.2.1 - Partes componentes de uma fonte de alimentação
Uma fonte de alimentação apresenta quatro partes, mostrados pela ordem no
diagrama abaixo: transformador, retificador, filtro e regulador.
Entrada (CA)
Saída (CC)
Fig. 2.2 – Diagrama em bloco
a) - Transformador
As companhias de energia elétrica no Brasil fornecem uma tensão senoidal
monofásica de 127Vrms, ou dependendo da região, de 220Vrms com uma
freqüência de 60Hz. Essa tensão de linha é muito alta para a maioria dos
dispositivos usados nos equipamentos eletrônicos. É por isso que um
transformador é encontrado geralmente em quase todos os equipamentos
eletrônicos. Esse transformador abaixa a tensão CA a níveis mais compatíveis
com os dispositivos em uso, como os diodos e os transistores.
Transformador é um componente que transforma a tensão de CA de entrada
(110/220Vca) nos diversos valores de tensão de CA necessários à alimentação
dos diversos circuitos. Os transformadores são projetados para fornecerem
tensões de CA a diversos valores de corrente.
N1 : N2
V1 V2
Fig. 3.3 - Transformador
b) - Retificador
Transformador Retificador Filtro Regulador
~
OSTENSIVO 1-18
Tem a função de eliminar uma das polaridades da tensão CA aplicada, ou seja,
transforma CA em CC pulsativa. Tipos de retificadores: meia onda, onda
completa e em ponte.
c) - Filtro
Tem a função de eliminar a tensão CC pulsante, tornando-a praticamente em
uma onda contínua pura.
d) - Regulador
É o elemento capaz de manter constante a tensão de saída da fonte, ou seja,
para uma determinada faixa de valores de queda de tensão, o regulador supre a
fonte para manter constante a tensão.
Outros circuitos podem ser utilizados em fontes de alimentação, tais como:
protetor de sobrecarga, eliminador de ruídos, etc.
2.3 - CIRCUITOS RETIFICADORES
2.3.1 - Tipos de circuitos retificadores
Meia onda, onda completa e retificador em ponte.
I ) - Retificador de meia onda
É aquele que aproveita somente um dos semiciclos do sinal de entrada,
utilizando a propriedade do diodo de só conduzir em um sentido.
Entrada
Saída
ou
Fig. 3.4 - Forma de onda de entrada esaída
Um circuito retificador de meia onda é composto de um transformador e um
diodo retificador.
V (RL)
+
I RL
_
Retificador de Meia Onda
OSTENSIVO 1-19
Fig. 2.5 - Retificador de meia onda
Os semiciclos positivos tornam o ânodo positivo em relação ao catodo,
polarizando o diodo diretamente.
Deste modo, circula corrente através do resistor de carga com a polaridade
indicada. Os semiciclos negativos tornam o ânodo negativo em relação ao
catodo, polarizando o diodo inversamente. Não havendo corrente através do
resistor de carga, não há tensão de saída. O retificador de meia onda só conduz
durante um dos semiciclos do sinal de entrada, isto é, quando o diodo está
diretamente polarizado.
a) Desvantagens
O retificador de meia onda, embora seja o mais barato e mais simples em
relação aos outros tipos de retificadores, apresenta certas desvantagens,
como: utiliza apenas metade da potência fornecida pelo transformador, e
maior tensão de ripple (ondulação).
b) Característica
A freqüência de saída é igual a da entrada.
c) Valor CC ou valor médio de saída
É o valor medido por um voltímetro CC. O valor médio (Vdc ou Vm) é
igual ao valor de pico dividido por “pi” (“π” = 3,14). Pode-se dizer também
que o valor médio é igual a 31,8% da tensão de pico.
Vdc = Vp ÷ 3,14 ou Vm = 0,318 xVp (onde: Vp = Vrms ÷ 0,707).
II ) - Retificador de onda completa
É aquele que aproveita os dois semiciclos do sinal de entrada fazendo com que
um diodo conduza durante um semiciclo e outro durante o semiciclo seguinte.
O circuito retificador de onda completa permite a circulação de corrente na
mesma direção através da carga durante os dois semiciclos do sinal de entrada.
Um circuito retificador de onda completa é composto por dois diodos
retificadores e um transformador com “centertrap” (derivação central no
enrolamento secundário).
V (RL)
D1
D2
RL
I
Sinal de saída do retificador
OSTENSIVO 1-20
A
D2 D1
Fig. 2.6 - Retificador de onda completa
Por causa da tomada central, o circuito é equivalente a dois retificadores de
meia onda. Cada diodo retifica um semiciclo.
Quando os sinal é positivo na entrada, faz com que a parte superior do
secundário fique positivo e a parte inferior negativo, o diodo D1 estará
polarizado diretamente e D2 inversamente, neste instante D1 estará conduzindo
e D2 cortado.
O caminho de corrente será da parte central do transformador no secundário
através de RL e D1.
No semiciclo negativo do sinal de entrada, D2 ficará polarizado diretamente e
D1 inversamente. D2 estará conduzindo e D1 cortado. O caminho de corrente
será do ponto central do secundário através de RL e D3.
a) Vantagens
Maior tensão média de saída, pois aproveita os dois semiciclos do sinal de
entrada; filtragem mais fácil; e melhor regulação.
b) Característica
A freqüência de saída é o dobro da entrada.
c) Valor médio (CC) de saída
É 63,6 % da voltagem máxima no diodo, ou seja, o dobro da tensão máxima
dividido por “pí” .
Vm = 0,636 x Vp ouVm = 3.VP / 3,14.
III ) - Retificador em ponte
O circuito retificador em ponte necessita de 4 diodos e dispensa o uso do
“centertrap” (tomada central). A vantagem de não usarmos uma tomada central
é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificador de
onda completa com tomada central.
V (RL)
RL
I
D1
OSTENSIVO 1-21
B
D4
D3
Fig. 2.7 - Retificador em ponte
Durante o semiciclo positivo, o ponto “A” é positivo em relação ao ponto “B”.
Os diodos D2 e D4 estão polarizados diretamente e estarão conduzindo, ao
passo que os diodos D1 e D3 estão polarizados inversamente, portanto estarão
cortados.
No instante do semiciclo negativo, as polaridades dos pontos “A” e “B” são
invertidas. Assim, os diodos D1 e D3 passam a conduzir e os diodos D2 e D4
ficam no corte.
Durante o corte, cada diodo deve suportar uma tensão inversa (TIP) igual a
tensão máxima do secundário (Vp). A tensão de pico inversa (TIP ou PIV) é a
característica mais importante dos diodos, pois indica a tensão máxima que o
diodo pode suportar sem se danificar (TIP = Vp do secundário).
a) Vantagem
A tensão média de saída (Vdc) é aproximadamente o dobro da saída do
retificador de onda completa.
b) Característica
A freqüência de saída é o dobro da de entrada.
Exercício
Num circuito retificador em ponte (diodos de silício), a tensão da rede é de
240Vrms, o transformador possui uma relação de espiras de 5:1, qual o valor
médio em cima do resistor de carga? (Considere a segunda aproximação do
diodo).
R.: Vp1 = 240 V ÷ 0,707 ⇒ Vp1 ≅340V⇒ Vp2 = 340V ÷ 5 ⇒ Vp2 ≅ 68V ⇒
Vp2 = 68V – (2 x 0,7V) ⇒ Vp2 = 68V – 1,4V ⇒ Vp2 ≅ 66,6V ⇒
Vm = Vp x 0,636 ⇒ Vm = 66,6V x0,636 ⇒ Vm ≅ 41,5V.
2.4 - CIRCUITOS DE FILTROS
2.4.1 - Características gerais dos filtros
OSTENSIVO 1-22
A finalidade do filtro é suavizar as pulsações de saída do retificador, a fim de
produzir uma tensão constante com a menor ondulação possível.
Os filtros têm como principal função minimizar as variações de corrente
contínua fornecida pelo retificador. Uma outra função é a de minimizar o ruído
gerado tanto pela carga como pela fonte geradora de CA.
A saída do circuito retificador é uma onda contínua pulsativa que varia em
torno de um valor médio, indo de zero até o valor máximo (Vp ou Vmáx). No
caso do retificador de onda completa, o valor médio é de 63,6% do valor
máximo de pico e do retificador de meia onda é de 31,8% do valor de pico.
Esse não é o tipo de tensão CC que a maioria dos circuitos eletrônicos precisa.
É necessária uma tensão estável ou constante similar à produzida por uma
bateria. Para obter esse tipo de tensão retificada na carga, precisamos de
“filtro”.
a) Ondulação ou “ripple”
É a flutuação da voltagem em torno do valor médio na saída do filtro.
b) Fator de ondulação
É o fator que determina a quantidade de CA em relação à CC, é dada em
porcentagem.
% ond. = (Erms ÷ Em) x 100, onde “Erms” é valor eficaz da tensão de
ondulação e “Em” é o valor de tensão médio (Vdc ou Vm).
O “ripple” de um retificador de meia onda é de 121%; o “ripple” de um
retificador de onda completa é de 48%.
Ret. meia onda Ret. com saída
filtrada
(Em)
Em
Ret. onda completa E (max) E
(min)
(Em)
OSTENSIVO 1-23
Fig. 2.8 - Gráfico da % de ondulação
Exemplo: Em = +180Vcc; Emax = +181Vcc; Emin = +179Vcc; qual a
porcentagem de ondulação?
% ond. = (Erms ÷ Em) x 100 ⇒ Erms = Ep x 0,707 ⇒ Erms = 1V x 0,707 ≅
0,707V ⇒ % ond = (0,707V ÷ 180V) x 100 ⇒ % ond = 0,003927 x 100 ⇒
% ond ≅ 0,39%
A porcentagem de ondulação ideal é de 0%.
2.4.2 - Filtros RC
V Saída do retificador
R
t
RL
Saída filtrada por C1
t
t0 t1 t2
Fig. 2.9 - Filtros RC
O capacitor C1 em paralelo com a carga armazenará energia no período t0 a t1
e quando a voltagem de entrada começar a cair (t1 a t2) o capacitor começará a
se descarregar através da carga. O segundo pulso quando chega encontra o
capacitor ainda com certa quantidade de carga, devido a constante RC e
novamente carrega o capacitor. Após alguns pulsos do sinal de entrada, a saída
será então uma CCperto da ideal (pura).
Quanto maior a capacitância, menor será a ondulação e quanto maior a carga
(IRL) maior a ondulação:
Transformador e retificador deOnda Completa.
C1
Vm
OSTENSIVO 1-24
(VR = IRL ÷ f.C); onde “VR” é a tensão de ondulação pico a pico, “IRL” é a
corrente CC na carga, “f” é a freqüência de ondulação e “C’ é a capacitância do
capacitor de filtro.
O capacitor de entrada, combinado com as impedâncias do circuito da fonte,
têm baixa constante de tempo RC (o tempo de carga é muito rápido).
Nos filtros RC, a resistência (R) deve ser muito maior que Xc na freqüência de
ondulação. Tipicamente R > 10 x Xc.
a) Corrente de surto
Como o capacitor está descarregado antes da alimentação do circuito ser
ligada, no instante em que a alimentação for ligada, o capacitor
descarregado funcionará como se fosse um curto circuito. Portanto, a
corrente de carga inicial é muito alta. Os únicos elementos que limitam a
corrente é a resistência do enrolamento e a resistência de corpo dos diodos.
Por essa razão, a corrente inicial é muito alta. À medida que o capacitor se
carrega, a corrente diminui a níveis mais baixos.
A alta corrente instantânea quando a alimentação é ligada pela primeira vez
é chamada corrente de surto.
Se o capacitor de filtro for menor que 1000µF, a corrente de surto é muito
rápida e não causará danos aos diodos. Mas quando o capacitor é muito
maior que 1000µF, ele necessita de alguns ciclos para carregar o capacitor;
nesse caso, o diodo pode ser danificado.
Capacitor de alto valor, significa corrente de surto prolongada. Se a corrente
de surto for muito alta, o capacitor pode sofrer danos pelo aquecimento e
pela formação de gases na eletrólise.
b) Vantagem
A principal vantagem deste tipo de filtro é a alta tensão de saída.
c) Desvantagem
Queda de tensão em R. O filtro RC é adequado apenas para cargas leves
(baixa corrente de carga ou alto valor de RL).
2.4.3 - Filtros RL
D1 L1 E Saída filtrada por L1
Em
OSTENSIVO 1-25
RL
Em
t
D2
t0 t1 t2
Fig. 2.10 - Filtro RL
Intervalo t0 a t1: a onda pulsativa sendo aplicada ao indutor cria neste uma
FCEM e impede que esta venha a atingir seu valor máximo sobre a carga.
Intervalo t1 a t2: quando a onda pulsativa começa a cair, a FCEM começa a
fornecer para a carga a sua voltagem. Após o equilíbrio, a saída tenderá a uma
onda CC pura.
Devido ao efeito da FCEM, a corrente na carga também não atingirá o seu
valor máximo e se manterá praticamente constante.
a) Vantagem
Maior corrente de saída que o filtro RC.
b) Desvantagem
Menor tensão de saída que o filtro RC. O filtro RL raramente é usado em
retificadores de meia onda, pois não há nenhum dispositivo para manter a
circulação de corrente durante os meios ciclos.
Apenas o capacitor ou o indutor em um circuito de filtro não oferece uma
boa filtragem, além do fato de que a carga participa no processo de
filtragem. Assim sendo, esses componentes são associados de diversas
maneiras para se obter uma melhor filtragem (filtros LC).
2.4.4 - FiltroLC em “L”
L1 E Saída filtrada
Em
C1 RL
t
Fig. 2.11 – Filtro LCem L
Transformador e
Retificador de Onda Completa
OSTENSIVO 1-26
O filtro em “L” é também conhecido como filtro de entrada por choque ou a
indutor. O filtro em raramente é usado com retificador de meia onda, porque não
há nenhum dispositivo para manter a circulação de corrente durante os meios
ciclos.
Devido ao nível uniforme de corrente, o filtro em “L” tem aplicação na maioria
dos circuitos de alta potência tal como transmissores.
Obs.: nos filtros LC, a reatância indutiva tem que ser muito maior que a
reatância capacitiva na freqüência de ondulação (XL>>> Xc).
2.4.5 - Filtro LC em “pí”
L1 E Tensão em
cima de RL
Em
C1 C2 RL
Fig. 2.12 - Filtro em “pi”
Este tipo de filtro recebe o nome de “pí” devido a configuração do diagrama
esquemático que é semelhante à letra grega “π”. Recebe também o nome de
filtro de entrada a capacitância.
Com este tipo de filtro, a forma de onda de saída aproxima-se muito de uma CC
pura (é o que mais se aproxima de uma CC pura).
O capacitor C1 atua para derivar à terra a porção maior do componente “ripple”
(ondulação). Em todos os filtros, a parte principal de ação do filtro é realizada
por componente.
O choque (indutor) em série no filtro em “pí” serve para manter a corrente a um
nível quase constante durante os ciclos de carga e descarga capacitor de entrada.
O capacitor C2 atua para derivar as flutuações residuais existentes depois de
filtrada pelo capacitor de entrada e a indutância.
O filtro em “pí” é empregado em instalações de baixa corrente, tais como
receptores de rádio.
Transformador e
Retificador
OSTENSIVO 1-27
2.5 - CIRCUITOS REGULADORES A ZENER E A CIRCUITOS INTEGRADOS
DA SÉRIE 78XX, 79XX &LM
+Vs Rs
Vz RL
Fig. 2.13 - Reguladorzener
2.5.1 - Regulador a Zener
O diodo Zener às vezes também é chamado regulador de tensão, porque
mantém uma tensão de saída constante, embora a corrente nele varie.
Quando polarizado inversamente conduz apenas num determinado valor de
tensão, tensão essa conhecida como tensão Zener (Vz). Esse efeito é conhecido
como efeito avalanche.
O diodo Zener deve ser polarizado inversamente, para obter uma operação na
ruptura (região Zener), a tensão da fonte (Vs) deve ser maior que a ruptura
(Vz). Um resistor em série (Rs) é sempre usado para limitar a corrente do
Zener num valor abaixo de sua corrente máxima nominal. Caso contrário, o
diodo Zener queimaria como qualquer outro dispositivo submetido a uma
dissipação de potência muito alta.
O mais interessante que se observa é que a corrente que circula pelo Zener
aumenta ou diminui em função de manter a tensão Vz constante. Por esta
propriedade o Zener é muito utilizado como estabilizador de tensão.
Is = (Vs – Vz) ÷ Rs ⇒ IL = VL÷ RL⇒ Is = Iz + IL⇒ Iz = Is + IL .
Onde, Is = corrente em Rs; IL = corrente na carga; Iz = corrente no Zener.
a) Diodo Zener em circuito de regulação de tensão alternada (ou limitador
de picos)
Rs V (RL)
Região Zener de D1
D1
RL t
D2
Transformador Retificador
Filtro
OSTENSIVO 1-28
Região Zener
de D2
Fig. 3.14 – Zener como limitador de pico
Para diminuirmos as variações, usam-se dois diodos Zener em oposição. No
semiciclo positivo, o diodo D1 entra na região Zener (corta), quando a
tensão iguala a tensão de ruptura, estando o outro (D2) sendo polarizado
diretamente e funcionando praticamente como um curto circuito.
No semiciclo negativo, o diodo D1 funciona como um curto e D2 limita a
tensão no valor Zener. Quando a tensão CA alterna seu valor, seja para mais
ou para menos, os diodos Zener limitam a onda de tensão sempre nos
mesmos valores, fixados pelas suas tensões Zener.
2.5.2 - Circuitos integrados série 78XX, 79XX e LM
O filtro LC era muito usado. Hoje em dia, eles estão obsoletos por causa das
dimensões e custo dos indutores nas fontes de alimentações típicas. Para as
fontes de baixos valores, os filtros LC foram substituídos por CI reguladores de
tensão, filtros ativos que reduzem a ondulação e mantém a tensão média de
saída constante.
No mercado existem vários circuitos integrados com a função de regulador.
Podem ser encontrados para diversas tensões de saída e também com saídas
ajustáveis.
Os reguladores mais populares atualmente são os reguladores da série 78XX e
79XX.
78XX = reguladores de tensões positivas.
79XX = reguladores de tensões negativas.
Os reguladores da série 78XX e 79XX são dispositivos reguladores de tensões
com somente três pinos, um para a entrada da tensão não regulada, um para a
saída da tensão regulada e um para terra.
a) Símbolo
1 (Entrada) 3 (Saída)
78XX ou (79XX)
OSTENSIVO 1-29
2 (GND) 1 2 3
Exemplos: 7805 = regulador positivo de 5V de saída. 7905 = reg. negativo
de 5V.
7812 = reg. positivo de 12V. 7912 = reg. Negativo
de 12V.
Fig. 2.15 – Regulador 78XX
b) Série LM
A série LM340, igual a 78XX, é típica da nova linha de reguladores de
tensão com três terminais.
Com uma impedância da saída de aproximadamente 0,01Ω, o LM340-5 é
uma fonte de tensão muito estável para todas as cargas dentro da sua
especificação máxima de corrente. O LM 340-5 ligado como regulador fixo,
tem uma tensão de saída de 5V± 2%, uma corrente de carga máxima de
1,5A, uma regulação de carga de 10mV, uma regulação da fonte de 3mV,
uma rejeição de ondulação de 80dB.
O LM320, semelhante ao 79XX, é do grupo de reguladores de tensão
negativa.
O LM317 caracteriza-se por ser um regulador ajustável.
