Apostila Eletronica_basica

ELETRNICA BSICAVerso 1.0

Wagner da Silva Zanco 2006http://www.wagnerzanco.com.br [email protected]

ObjetivoO objetivo desta apostila servir como parte do material didtico utilizado no estudo de Eletrnica Bsica, curso que pode ser ministrado de forma presencial ou semipresencial. Embora o material tenha sido desenvolvido inicialmente para a disciplina de Eletrnica Bsica do curso de Eletrnica em nvel tcnico, no h impedimento para a sua utilizao em disciplinas pertencentes a cursos tcnicos de reas afins, ou at mesmo em outros segmentos da educao profissional cujo contedo programtico seja compatvel. Os assuntos so abordados em uma seqncia lgica respeitando a viso consagrada por muitos professores no que diz respeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exerccios propostos que ajudaro o aluno na reteno do item estudado e no desenvolvimento do raciocnio exigido para a aprendizagem da Eletrnica.

ndice AnalticoCAPTULO 1: DIODO_______________1.1 POLARIZAO DIRETA 1.2 POLARIZAO REVERSA (INVERSA)

______

1 1 1

CAPTULO 2: CURVA CARACTERSTICA DO DIODO2.1 POLARIZAO DIRETA 2.2 POLARIZAO REVERSA 2.3 TENSO DE CONDUO DO DIODO 2.4 RESISTNCIA INTERNA DO DIODO(RI)

3 3 34 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 9 9 11 11 11 11 11 11 11 13 13 13 13 14 14 14 15 17 17 17 18 18 18 18 18 19 20

CAPTULO 3: ESTURUTURA INTERNA DO DIODO3.1 O ELTRON 3.2 TOMO 3.3 CARGA ELTRICA 3.4 ELTRONS LIVRES 3.5 SEMICONDUTORES 3.6 LIGAO COVALENTE 3.7 ELTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR 3.8 CRISTAL PURO 3.9 CORRENTE DE ELTRONS LIVRES E DE LACUNAS 3.10 JUNO PN 3.11 CAMADA DE DEPLEO E BARREIRA DE POTENCIAL 3.12 DIODO DE JUNO 3.13 POLARIZAO DIRETA 3.14 POLARIZAO REVERSA 3.15 CORRENTE REVERSA 3.16 TENSO DE RUPTURA

CAPTULO 4: TRANSFORMADOR4.1 SMBOLO DO TRANSFORMADOR

CAPTULO 5: FONTES DE TENSO

5.1 FONTE DE TENSO CONTNUA 5.2 FONTE DE TENSO ALTERNADA 5.3 CICLO 5.4 PERODO (T) 5.5 FREQUNCIA ( ) 5.6 VALORES DA TENSO ALTERNADA SENOIDAL

CAPTULO 6: FONTE DE ALIMENTAO (Conversor CA-CC)6.1 TRANSFORMADOR 6.2 RETIFICADOR 6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 6.4 TENSO MDIA (Vcc) 6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 6.6 CORRENTE MDIA (Icc) 6.7 TENSO DE PICO INVERSA (Vpi)

CAPTULO 7: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAO CENTRAL 7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 7.3 SEMICICLO POSITIVO 7.4 SEMICICLO NEGATIVO 7.5 FREQUNCIA NA CARGA 7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 7.7 TENSO MDIA NA CARGA 7.8 CORRENTE MDIA 7.9 TENSO DE PICO INVERSA

CAPTULO 8: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE8.1 SEMICICLO POSITIVO 8.2 SEMICICLO NEGATIVO 8.3 FREQUNCIA NA CARGA 8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 8.5 TENSO MDIA NA CARGA 8.6 CORRENTE MDIA 8.7 TENSO DE PICO INVERSA 8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS

21 21 21 21 21 21 22 22 22 24 24 24 24 24 25 25 25 25 27 27 27 29 29 30 30 33 33 33 33 33 34 34

CAPTULO 9: FILTRO CAPACITIVO9.1 CAPACITOR 9.2 SMBOLOS 9.3 TIPOS DE CAPACITORES 9.4 CARGA E DESCARGA 9.5 RIGIDEZ DIELTRICA 9.6 ASSOCIAO DE FONTES DE TENSO EM SRIE 9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO 9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR 9.9 TENSO MDIA NA CARGA (Vcc) 9.10 CORRENTE MDIA 9.11 TENSO DE PICO INVERSA

CAPTULO 10: ESTABILIZAO DA TENSO10.1 ESPECIFICAO MXIMA DE POTNCIA 10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER 10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR 10.4 TENSO REGULADA COM SADA NEGATIVA 10.5 FONTE DE TENSO COM SADA SIMTRICA 10.6 DISSIPADOR DE CALOR 10.7 CI REGULADOR COM TENSO AJUSTVEL 10.8 FUSVEL 10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) 10.10 TENSO E CORRENTE NO LED

BIBLIOGRAFIA

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ELETRNICADIODO

Captulo 1

Dispositivo eletrnico fabricado a partir de materiais semicondutores como Silcio e Germnio. O diodo um dispositivo de grande importncia

TENSO NO DIODO Como o diodo se comporta como uma chave aberta, no tem corrente circulando no circuito. Sendo assim: dentro da eletrnica, e sua principal caracterstica a de conduzir a corrente eltrica em um s sentido. Quando aplicamos uma tenso no diodo, dizemos que estamos polarizando o mesmo. Existem dois tipos de polarizao: POLARIZAO DIRETA POLARIZAO REVERSA Se, VR = R.I e, I = A Ento, VR = v 1.1 POLARIZAO DIRETA Um diodo est polarizado diretamente quando o terminal positivo da fonte est mais prximo do anodo e o terminal negativo mais prximo do catodo. Quando o diodo est polarizado diretamente ele se comporta como se fosse uma chave fechada(diodo ideal), permitindo a circulao da corrente, como mostra a figura a seguir. Com isso, VT = VR + VD VT = + VD VT = VD Isto significa que toda a tenso da fonte aparece nos terminais do diodo. No esquea disso, pois esta idia ser vista bastante mais frente. A figura a seguir ilustra a idia.

Como o diodo se comporta como uma chave fechada, necessria a presena de um resistor em srie com ele para limitar a corrente, caso contrrio fonte entra em curto. TENSO NO DIODO Sendo o circuito srie, VT = VD + VR Como o diodo se comporta como um curto, VD = V Ento, VT = VR Isto significa que toda a tenso da fonte aparece no resistor em srie com o diodo. 1.2 POLARIZAO REVERSA (INVERSA) Um diodo est polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte estiver mais perto do catodo e terminal negativo do anodo. Desta forma, o diodo se comporta como uma chave aberta bloqueando a passagem da corrente eltrica, como mostra a figura a seguir. A primeira coisa a observar se o diodo est polarizado diretamente ou inversamente. Como neste exemplo o terminal da fonte est mais prximo do anodo, o diodo est polarizado diretamente, podendo ser substitudo por uma chave fechada. Como a tenso em cima do diodo V, toda a tenso da fonte aparece em cima do resistor. EXEMPLOS A) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente eltrica?

Wagner da Silva Zanco

Captulo 1: Diodo

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3) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tenso em cada diodo? b) tenso em cada resistor? c) corrente em cada brao?

B) Dado o circuito abaixo, calcule:

VR=? VD=? I=?

4) Quais lmpadas esto acesas e quais esto apagadas? a)

Estando o terminal positivo da fonte mais prximo do catodo, o diodo encontra-se polarizado reversamente, podendo ser substitudo por uma chave aberta. No haver corrente circulando no circuito(I = A), o que significa que a tenso em R tambm V. Com isso, toda a tenso da fonte aparece em cima do diodo VD = 12V. EXERCCIOS 1) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tenso em cada diodo? b) tenso em cada resistor? c) corrente em cada brao? b)

2) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tenso em cada diodo? b) tenso em cada resistor? c) corrente em cada brao?

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Captulo 1: Diodo


ELETRNICA GRFICO DO DIODO

Captulo 2

CURVA CARACTERSTICA DO DIODONa anlise inicial ns consideramos o diodo polarizado diretamente como uma chave fechada(diodo ideal). Na prtica, o diodo s comea a conduzir quando a tenso em seus terminais ultrapassa a tenso de conduo(limiar), que 0,7V para diodos de Silcio e 0,3V para diodos de Germnio. Como hoje praticamente todos os diodos fabricados so de Silcio, daremos nfase a eles a menos que seja dito o contrrio. A seguir vemos o grfico da tenso versus corrente do diodo de Silcio.

Depois que o diodo comeou a conduzir a tenso em seus terminais se mantm em 0,7V, sendo que todo o excedente de tenso da fonte aparecer no resistor. Por exemplo:

2.2 POLARIZAO REVERSA 2.1 POLARIZAO DIRETA Quando o diodo polarizado diretamente, podemos observar que a corrente permanece em zero at que a tenso nos terminais do diodo ultrapasse a tenso de limiar (0,7V). Isto significa que, mesmo estando polarizado diretamente, o diodo s conduz quando a tenso em seus terminais atinge o valor de limiar. A corrente no diodo aumenta bruscamente aps a tenso em seus terminais ter ultrapassado o valor de limiar. O mesmo, porm, no acontece com a tenso nos terminais do diodo, que aumenta modestamente para grandes aumentos na corrente direta. Para efeito de clculo ns consideramos que em conduo o diodo tem em seus terminais uma tenso de 0,7V, mas lembre-se que na prtica a tenso no diodo aumenta quando a corrente direta aumenta. Um fabricante do diodo 1N5408 informa em seu datasheet que o mesmo pode ter uma tenso de 1.2V quando a corrente direta no diodo for de 3A. Para que a corrente no diodo no ultrapasse o valor nominal, necessrio que seja ligado um resistor em srie com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente, cuja finalidade limitar a corrente no componente para que ele no seja destrudo por excesso de dissipao de calor. O resistor em srie com o diodo polarizado diretamente necessrio porque, em conduo, o diodo praticamente no oferece oposio a passagem da corrente eltrica, ou seja, sua resistncia interna muito baixa. Por este motivo que normalmente ns consideramos o diodo como um curto quando ele est polarizado diretamente. Vemos a seguir um circuito com um diodo polarizado diretamente por meio de uma fonte varivel. Para tenses da fonte entre 0V e 0,7V, o diodo continua se comportando como uma chave aberta, mesmo estando polarizado diretamente. Vimos no grfico do diodo que para esta faixa de tenso no diodo, a corrente zero. Quando a tenso da fonte ultrapassa 0,7V, o diodo comea a conduzir, permitindo a passagem dos eltrons. Vemos no grfico do diodo tambm que quando a tenso no diodo atinge 0,7V a corrente tem um aumento brusco. O resistor em srie com o diodo tem a funo de no permitir que esta corrente aumente a ponto de danificar o diodo. O diodo 1N4001, por exemplo, suporta uma corrente mxima de 1A estando polarizado diretamente. Uma vez em conduo, grandes aumentos na corrente provoca pequena variao na tenso no diodo. Para efeito de clculo esta pequena variao de tenso no diodo no considerada. Quando se leva em considerao a tenso de conduo do diodo, dizemos que ele est se comportando como um diodo real. Quando o diodo polarizado reversamente ele se comporta como uma chave aberta at que a tenso em seus terminais ultrapasse o valor de ruptura, quando ento o diodo conduz intensamente e se destri por excesso de dissipao de calor. O diodo 1N4001, por exemplo, possui uma tenso de ruptura de 50V. Se voc for usar este diodo polarizado reversamente em um circuito certifique-se de que a tenso em seus terminais nunca ir ultrapassar 50V. Vemos a seguir um diodo polarizado reversamente em srie com um resistor. Como o diodo se comporta como uma chave aberta no tem corrente circulando no circuito e, conseqentemente, no tem tenso no resistor R. Isso significa que toda a tenso da fonte aparece nos terminais do diodo. Desde que esta tenso reversa no diodo no ultrapasse o valor de ruptura o diodo ir se comportar como uma chave aberta. VT = VD + VR Como, I = 0 e VR = 0 Ento, VT = VD

Na verdade, o diodo no se comportar exatamente como uma chave aberta estando polarizado reversamente, pois uma pequena corrente reversa circular por ele mesmo estando reversamente polarizado. Como ser visto mais adiante, esta corrente reversa possui duas componentes que so: corrente de fuga superficial e corrente dos portadores minoritrios. Estas componentes da corrente reversa sero devidamente explicadas quando formos estudar a estrutura atmica do diodo. Por ora, saiba que a corrente de fuga superficial depende da tenso reversa nos terminais do diodo e que a corrente dos portadores minoritrios depende da temperatura.


Captulo 2: Curva Caracterstica do Diodo

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C) Veja a seguir as especificaes de alguns diodos encontrados com certa facilidade no mercado.

Diodo 1N914 1N4001 1N1185 1N4007

Tenso de Ruptura 75V 50V 120V 1000V

ID (mxima corrente direta) 200mA 1A 35A 1A D)

2.3 TENSO DE CONDUO DO DIODO Na verdade, o ponto de conduo exato do diodo (a tenso na qual ele comea a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode comear a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de 0,7V. At diodos do mesmo tipo podem comear a conduzir em pontos diferentes de tenso. Felizmente para efeito de clculo, ns no precisamos nos preocupar com isso, mas mantenha este fato em mente sempre que for fazer alguma montagem com diodos. A folha de dados do 1N4001 informa tambm que se ele estiver polarizado diretamente e estiver sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tenso em seus terminais pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de 25C. 2.4 RESISTNCIA INTERNA DO DIODO(RI) Na maioria dos casos, considera-se o diodo em conduo como uma chave fechada, mas o diodo no se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistncia interna. Esta resistncia interna pode ser calculada dividindo a tenso no diodo pela corrente que passa por ele. Como normalmente esta resistncia interna muito baixa, ela quase sempre desprezada. No exemplo acima ns podemos calcular a resistncia interna do diodo, como mostrado a seguir. RI = 0,7 2,3mA = 304,34 EXERCCIOS 1) Dado os circuitos a seguir, calcule: OBS: Diodo real a) Corrente em cada brao? b) Tenso em cada resistor? c) Tenso no diodo? A) F) E)

B)

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Captulo 2: Curva Caracterstica do Diodo


GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 3

ESTURUTURA INTERNA DO DIODO3.1 O ELTRON A eletrnica a cincia que se dedica ao comportamento dos eltrons, afim de que eles sejam aproveitados em funes teis. A prpria palavra eletrnica deriva do termo eltrons, de origem grega, e designa uma das partculas bsicas da matria. A eletricidade de que estamos acostumados a nos servir chega at as nossas casas pelo movimento de eltrons atravs dos fios. O movimento de eltrons que citamos chamado de corrente eltrica. 3.2 TOMO Ns sabemos que a matria tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espao. Toda matria constituda de tomos. O tomo se divide em duas partes: Ncleo, onde se encontram os prtons e os nutrons e Eletrosfera, onde se encontram os eltrons.

Quando aplicamos em certos materiais energia externa como luz, calor, presso, os eltrons absorvem esta energia, e se esta for maior que a fora exercida pelo ncleo, o eltron poder se desprender do tomo tornando-se um eltron livre. A corrente eltrica nada mais que o movimento de eltrons livres. Os eltrons livres se encontram em grande quantidade nos materiais chamados bons condutores, e no existem ou praticamente no existem, nos chamados maus condutores ou isolantes. Como exemplo de bons condutores podemos citar as ligas metlicas, ouro, prata, cobre, ferro, alumnio etc. Alguns exemplos de isolantes so: vidro, porcelana, mica, borracha, madeira etc. 3.5 SEMICONDUTORES Os semicondutores so substncias cujos tomos possuem quatro eltrons na camada de valncia(ltima camada). Os semicondutores no so bons nem maus condutores de eletricidade. Na verdade, a condutividade de um semicondutor depende da temperatura a qual ele est submetido. Por exemplo, um cristal de silcio se comporta como um isolante perfeito a temperatura de -273C. A medida que a temperatura vai aumentando sua condutividade tambm aumenta. O Silcio e o Germnio so os semicondutores usados na construo de dispositivos eletrnicos como diodos, transistores, circuitos integrados etc. O Germnio praticamente no mais usado na construo de dispositivos semicondutores devido a sensibilidade temperatura. Por isso, quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do Silcio. O tomo de Silcio possui quatorze eltrons, quatorze prtons e quatorze nutrons. 3.6 LIGAO COVALENTE Ns j sabemos que o tomo de silcio possui quatro eltrons na camada de valncia. Contudo, para formar o slido o tomo precisa de oito eltrons na camada de valncia, ou seja, estar quimicamente estvel. Para obter os oito eltrons na camada de valncia os tomos se associam numa ligao chamada de ligao covalente. Na ligao covalente os tomos compartilham eltrons com os tomos que esto a sua volta, como vemos na figura a seguir.

Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partculas diferentes no tomo, tais como msons, neutrinos, quaks, lptons, bsons etc. 3.3 CARGA ELTRICA Eletricamente falando, um tomo pode se encontrar em trs situaes diferentes: Neutro quando a quantidade de prtons igual a de eltrons. Este o estado normal de qualquer tomo. Neste caso dizemos que ele est em equilbrio. Carregado positivamente quando a quantidade de prtons maior que a de eltrons. Carregado negativamente Quando a quantidade de prtons menor que a de eltrons. A menor quantidade de carga eltrica que um tomo pode adquirir a carga de um prton ou a de um eltron. Eltron carga eltrica negativa(--) fundamental da eletricidade. Prton carga eltrica positiva(+) fundamental da eletricidade Nutron no possui carga eltrica. A carga eltrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909 pelo fsico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI em Coulomb, o valor numrico da carga eltrica fundamental de um eltron, sendo a do prton igual em mdulo, mudando apenas o sinal, que positiva : e- = 1,6 x 10-19 C

3.4 ELTRONS LIVRES O que mantm os eltrons ligados aos seus respectivos tomos o seu movimento em torno do ncleo, associado a fora de atrao mutua existente entre eles e os prtons. Quanto mais afastado do ncleo estiver este eltron, menor ser esta fora de atrao mutua.

Na ligao covalente cada tomo compartilha um eltron com o tomo vizinho. Desta forma, o tomo central apanha quatro eltrons emprestados, o que lhe d um total de oito eltrons na camada de valncia, adquirindo estabilidade qumica para formar o slido. Os eltrons compartilhados no passam a fazer parte efetivamente do tomo central. Portanto, eletricamente falando, cada tomo ainda continua com quatro eltrons na camada de valncia e quatorze no total, ou seja, eletricamente neutro. Os tomos de Silcio se distribuem no slido formando uma estrutura cbica, onde os tomos ocupam os vrtices do cubo. Esta estrutura cbica normalmente chamada cristal. por isso que ns dizemos que o slido de Silcio um cristal de Silcio. A figura a seguir ilustra a idia.


Captulo 3: Estrutura Interna do Diodo

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cristal atravs das lacunas, pulando de uma para a outra. A corrente de eltrons de valncia pode ser vista como uma corrente de lacunas em sentido contrrio, como mostra afigura a seguir. Cristal de silcio puro

3.7 ELTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR J vimos que o que mantm os eltrons presos aos seus respectivos tomos a fora de atrao exercida pelo ncleo, associada ao movimento circular do eltron em torno do ncleo. Sabe-se que associado a todo movimento circular atua a fora centrfuga, que puxa o corpo para fora do centro do movimento. No caso dos eltrons, ocorre que a fora centrfuga puxa os eltrons para fora do ncleo, enquanto os prtons os puxam para dentro. O equilbrio destas duas foras que mantm os eltrons ligados aos tomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que a fora de atrao que atua nos eltrons das ltimas camadas menor que a fora que atua nos eltrons das primeiras camadas. Se um eltron da camada de valncia receber energia externa como luz calor etc., e esta for maior que a fora de atrao exercida pelo ncleo, o eltron pode subir para uma rbita acima da camada de valncia, chamada de banda de conduo. Uma vez na banda de conduo o eltron est livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de eltron livre. Ao ir para a banda de conduo, o eltron deixa um vazio que ns chamamos de lacuna.

3.9 CORRENTE DE ELTRONS LIVRES E DE LACUNAS A figura a seguir mostra o cristal ampliado at a estrutura atmica submetido a uma DDP. O eltron livre mostrado dentro do cristal ser atrado pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de conduo, como indica a seta. Esta corrente de eltrons livres de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais condutores. Observe agora a lacuna mostrada na figura. O eltron do ponto 1 pode ser atrado pela lacuna. Se isso ocorrer, a lacuna na extremidade deixar de existir e, onde estava o eltron no ponto 1 ter uma lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o eltron do ponto 2, onde passar a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocnio, como mostram as setas, veremos que os eltrons esto se deslocando em direo ao terminal positivo e a lacuna em direo ao terminal negativo. Ao sarem pela extremidade do cristal, tanto o eltron livre quanto o eltron de valncia tornam-se eltrons livres, seguem em direo ao terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo e entram na extremidade oposta do cristal. Alguns eltrons atravessam o cristal como eltrons livres, outros se recombinam e atravessam o cristal como eltron de valncia. O movimento de eltrons de valncia dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrrio. Cristal de silcio puro

Este fenmeno chamado de quebra de ligao covalente. Esta quebra produz um par eltron-lacuna. Do mesmo modo, um eltron livre vagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atrado por ela. Neste caso houve uma recombinao. Sendo a corrente eltrica o movimento de eltrons livres, o silcio um isolante perfeito a uma temperatura de -273C, porque a esta temperatura no existe nenhum eltron livre. A medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligaes covalentes, assim como recombinaes. temperatura ambiente de 25C um cristal de silcio puro possui uma quantidade de pares eltron-lacuna mais ou menos estvel devido as constantes quebras de ligaes covalentes produzidas termicamente, assim como recombinaes. 3.8 CRISTAL PURO Vemos na figura a seguir um cristal de silcio puro. temperatura ambiente existe um nmero mais ou menos estvel de eltrons livres e de lacunas produzidos termicamente, como j vimos anteriormente.

Este movimento de eltrons de valncia (ou de lacunas), o que diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor s existe corrente de eltrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade so os eltrons de valncia, tenha isso sempre em mente. Na prtica, no temos como medir a corrente de eltrons livres e de lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos semicondutores na construo de dispositivos eletrnicos se deu, em grande parte, por esta caracterstica. Uma forma de aumentar a condutividade do cristal puro introduzir no cristal impurezas pentavalentes, que so tomos com cinco eltrons na ltima camada, produzindo um cristal tipo N. Para cada tomo de impureza pentavalente introduzido no cristal aparecer um eltron livre. A figura a seguir mostra um cristal tipo N.

Se submetermos um cristal de silcio puro a uma DDP, ns vamos observar algo interessante. Existem dois trajetos para os eltrons se movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes eltricas: uma de eltrons livres e a outra de eltrons de valncia. Os eltrons livres iro se deslocar de um lado para outro do cristal atravs da banda de conduo, os eltrons de valncia se deslocaro de um lado para outro do

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Captulo 3: Estrutura Interna Do Diodo


Semicondutor tipo N

de potencial. Esta DDP nos diodos de Germnio de 0,3V e nos de silcio de 0,7V. 3.12 DIODO DE JUNO Na figura a seguir vemos a estrutura interna de um diodo de juno. O terminal ligado ao lado P o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N o catodo(k). A faixa cinza prxima a juno a camada de depleo, que ir se comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferena de potencial.

Uma outra forma de aumentar a condutividade de um cristal puro a dopagem com impurezas trivalentes, que so tomos com trs eltrons na ltima camada, produzindo um cristal tipo P. Para cada tomo de impureza trivalente introduzido no cristal aparecer uma lacuna. A figura a seguir mostra um cristal tipo P. Semicondutor tipo P

3.13 POLARIZAO DIRETA 3.10 JUNO PN Se ns doparmos a metade de um cristal puro com impurezas trivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes produziremos um diodo de juno, ou diodo semicondutor. o lado do cristal dopado com impurezas trivalentes ter muitas lacunas e o lado dopado com impurezas pentavalentes ter muitos eltrons livres. Os poucos eltrons livres vistos no lado P, assim como as poucas lacunas vistas no lado N, so produzidos termicamente. Para polarizar um diodo diretamente temos de submete-lo a uma diferena de potencial, de forma que o terminal positivo da fonte fique mais prximo do anodo e o terminal negativo mais prximo do catodo, como mostra a figura a seguir. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte ir repelir as lacunas do lado P, e o terminal negativo ir repelir os eltrons livres do lado N. Esta repulso provocar a compresso da camada de depleo. Quando a tenso entre os terminais do diodo atingir o valor da barreira de potencial (0,7V para o silcio), ou seja, VT > 0,7V, a camada de depleo estar to comprimida que permitir que os eltrons livres da regio N atravessem a juno e entrem na regio P. Uma vez dentro da regio P os eltrons livres descem da banda de conduo para a camada de valncia e atravessam a regio P como eltrons de valncia, pulando de lacuna em lacuna at sarem pelo terminal do anodo, quando seguem para o terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo, entram na regio N do diodo pelo terminal do catodo, atravessam a regio N como eltrons livres, cruzam a juno e assim sucessivamente. O que ns acabamos de descrever na verdade um fluxo de eltron, ou uma corrente eltrica. Resumindo, quando o diodo polarizado diretamente e a tenso em seus terminais atinge o valor da barreira de potencial o diodo comea a conduzir corrente, ou seja, permite que os eltrons cruzem a juno.

Ocorre que os eltrons mais prximos da juno so atrados pelas lacunas que esto mais prximas, conforme mostram as setas na figura acima. Quando o eltron deixa o tomo para se recombinar com a lacuna, este tomo se transforma em um on positivo, pois ele perdeu um eltron. Da mesma forma, o tomo ao qual pertencia a lacuna, se transforma em um on negativo. Esta recombinao ir ocorrer com todos os eltrons e lacunas que estiverem prximos da juno. Cada recombinao far aparecer um par de ons prximos da juno. Isto resultar em uma coluna de ons positivos do lado N e um a coluna de ons negativos do lado P. A figura a seguir ilustra a idia.

Chegar um momento que a regio prxima juno ficar esgotada de eltrons livres e lacunas. A coluna de ons negativos do lado P ir repelir qualquer eltron que tentar atravessar a juno em busca de alguma lacuna, estabelecendo-se assim um equilbrio. No confunda on com eltron livre ou lacuna. um on um tomo que adquiriu carga eltrica, ou seja, ganhou ou perdeu eltrons. Na figura acima o on negativo est representado por um sinal negativo com um crculo em volta, e o on positivo por um sinal positivo com um crculo em volta. 3.11 CAMADA DE DEPLEO E BARREIRA DE POTENCIAL As colunas de ons que se formaram prximas juno devido a recombinao de eltrons e lacunas chamada de camada de depleo. Existe entre as duas colunas de ons uma DDP que chamada de barreira

Uma vez em conduo, a resistncia entre os terminais do diodo cai drasticamente. Isto significa que o diodo se comporta quase como um curto, o que justifica o fato de que sempre veremos um resistor em srie com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente. Sua funo limitar a intensidade de corrente eltrica que passa pelo diodo.


Captulo 3: Estrutura Interna do Diodo

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3.14 POLARIZAO REVERSA Um diodo est polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte est mais prximo do catodo e o terminal negativo mais prximo do anodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte ir atrair os eltrons livres da regio N e o terminal negativo ir atrair as lacunas da regio P. Isto provocar a expanso da camada de depleo, dificultando ainda mais a difuso de eltrons livres atravs da juno, ou seja, o diodo se comportar como uma chave aberta.

mais o nmero de eltrons livres e, conseqentemente, de choques. o processo continua at ocorrer uma avalanche de eltrons (alta corrente eltrica), que causar a destruio do diodo. EXERCCIOS: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) O que uma ligao covalente? Qual a carga eltrica de um eltron? O que necessrio para que um eletrn se trone livre? O que caracteriza um material semicondutor? Porque o Silcio normalmente chamado de cristal? O diferencia um material condutor de um semicondutor do ponto de vista da condutividade? O que dopagem? Qual a sua finalidade? Explique como obtido um diodo de juno. Defina camada de depleo e barreira de poten cial. O que ocorre com a camada de depleo quando um diodo polarizado diretamente ou reversamente?

Quando polarizado reversamente, a resistncia entre os terminais do diodo muito alta. Por isso costuma-se dizer que ele se comporta como uma chave aberta quando est polarizado reversamente.

3.15 CORRENTE REVERSA Teoricamente, um diodo polarizado reversamente se comporta como uma chave aberta, mas na prtica circular pelo diodo uma pequena corrente reversa devido aos portadores minoritrios produzidos termicamente. A intensidade desta corrente reversa depende da temperatura e no da tenso aplicada. O datasheet de um diodo 1N4001 informa que a sua corrente reversa, a uma temperatura de 25C tipicamente de 50pA, e a 100C de 1.0A. Veja como a corrente reversa aumenta com o aumento de temperatura. Esta corrente reversa muita das vezes inconveniente e pode prejudicar o bom funcionamento do circuito. Isso responde porque certos equipamentos eletrnicos precisam de salas climatizadas, equipadas com ar condicionado para funcionar. Um dos motivos do uso em grande escala do Silcio na confeco de componentes eletrnicos que a corrente reversa nos componentes fabricados com Silcio menor do que nos fabricados com Germnio, ou seja, o Silcio e menos sensvel temperatura. Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa, que a corrente de fuga superficial. Devido a impurezas (por exemplo poeiras) localizadas na superfcie do cristal, um trajeto hmico pode ser criado viabilizando a circulao desta corrente reversa pela superfcie do cristal. Esta componente depende da tenso reversa aplicada ao diodo. Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos portadores minoritrios, que depende da temperatura e a corrente de fuga superficial, que depende da tenso reversa aplicada aos terminais do diodo. No se preocupe, por hora, com a corrente reversa, normalmente ela to pequena que na maioria dos casos desprezada. 3.16 TENSO DE RUPTURA Temos de ter cuidado quando vamos polarizar um diodo reversamente, pois existe um valor de tenso mxima que cada diodo suporta estando polarizado desta forma, que a tenso de ruptura. Se a tenso reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura o mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipao de calor. Por exemplo, um 1N4001 suporta no mximo 50V quando polarizado reversamente. O motivo desta conduo destrutiva na ruptura um efeito conhecido como avalanche. quando o diodo est polarizado reversamente circula por ele uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritrios. Um aumento na tenso reversa pode acelerar estes portadores minoritrios podendo causar o choque destes com os tomos do cristal. Estes choques podem desalojar eltrons de valncia enviando-os para a banda de conduo, somando-se aos portadores minoritrios, aumentando ainda

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Captulo 3: Estrutura Interna Do Diodo


GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 4

constante no ncleo. Isso significa que no haver movimento relativo entre o campo magntico e o condutor, no havendo tenso induzida. 4.1 SMBOLO DO TRANSFORMADOR

TRANSFORMADORO transformador formado por um ncleo de ferro, onde so enrolados os enrolamentos primrio e secundrio, normalmente com fios de cobre. Sua principal funo aumentar ou abaixar uma tenso aplicada em seu enrolamento primrio.

Vpri = Tenso no enrolamento primrio (eficaz ou de pico). Vsec = Tenso no enrolamento secundrio (eficaz ou de pico). N1 = Nmero de espiras no primrio. N2 = Nmero de espiras no secundrio. A principal razo que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tenso a relao existente entre o nmero de espiras nos enrolamentos primrio e secundrio. Se o nmero de espiras do enrolamento secundrio for maior que o nmero de espiras do enrolamento primrio, o transformador ser elevador de tenso; se for menor ser abaixador de tenso. A frmula a seguir nos permite calcular a tenso no enrolamento secundrio, sendo conhecida a tenso no primrio e a relao de espiras.

O princpio de funcionamento do transformador baseado num fenmeno conhecido como induo eletromagntica. Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magntico, aparece em seus extremos uma DDP, que chamada de tenso induzida. O mesmo ir acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magntico. necessrio, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magntico e o condutor para que aparea nos extremos dele uma tenso induzida. Sabe-se que quando a corrente eltrica passa por um condutor se estabelece em torno do condutor um campo magntico, cuja intensidade depende da quantidade de eltrons que estejam passando por segundo no condutor (intensidade de corrente eltrica). A figura a seguir mostra um condutor percorrido por uma corrente eltrica e o campo magntico em torno do condutor, representado pelas linhas de foras.

Ex.: Qual a tenso no enrolamento secundrio do transformador a seguir?

Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a intensidade do campo magntico tambm varia. Como o condutor est submetido ao campo, aparecer em seus terminais uma tenso induzida. Este o princpio de funcionamento do transformador: Uma tenso alternada aplicada ao enrolamento primrio, o que far circular por ele uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo enrolamento primrio dar origem a um campo magntico varivel, que se estabelecer no ncleo do transformador. Como o enrolamento secundrio est enrolado em torno do ncleo, uma tenso induzida aparecer em seus extremos devido ao campo magntico varivel ao qual est submetido. Observe que no existe contato eltrico entre os enrolamentos primrio e secundrio, a ligao entre os dois enrolamentos apenas magntica.

Se for aplicada uma tenso contnua no enrolamento primrio, no aparecer tenso alguma no secundrio do transformador. Isso acontece porque uma fonte de tenso contnua produzir uma corrente constante no enrolamento primrio, que por sua vez produzir um campo magntico

Observe que N1=10 e N2=1. Isto no significa que o enrolamento primrio possui dez espiras e o secundrio uma espira. Para cada dez espiras no primrio, existe uma no secundrio, ou seja, se o enrolamento primrio tiver mil espiras, o secundrio ter cem espiras. Como foi usado o valor eficaz de tenso no primrio, a tenso calculada no secundrio ser eficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tenso no primrio, o valor calculado no secundrio seria de pico, no esquea disto. Uma outra observao importante sobre o transformador que o mesmo no altera a forma da onda nem a freqncia da tenso aplicada no enrolamento primrio. O transformador altera apenas o nvel de tenso, elevando ou abaixando a tenso aplicada no enrolamento primrio. No exemplo acima a tenso aplicada no primrio senoidal, tendo a mesma forma de onda e freqncia que a tenso no secundrio. EXERCCIOS


Captulo 4: Transformador

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1) Qual a tenso eficaz que aparecer no enrolamento secundrio de um transformador que possui uma relao de espiras de 20:4 e uma tenso de 250Vef em seu enrolamento primrio? 2) Qual a tenso de pico no secundrio do trafo a seguir?

3) Se a tenso medida no secundrio de um transformador 30Vef e a sua relao de espiras 15:3, Qual a tenso aplicada no seu enrolamento primrio? 4) Se um transformador tem 2000 espiras no seu enrolamento primrio e a sua relao de espiras 5:2, quantas espiras possui seu enrolamento secundrio? 5) O que define se o transformador elevador ou abaixador de tenso?

10 Captulo 4: Transformador


GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 5

comea, ento, a diminuir at chegar a zero, a partir do qual comea um novo ciclo. 5.4 PERODO (T) o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade o segundo.

FONTES DE TENSO5.1 FONTE DE TENSO CONTNUA

A polaridade da tenso nos terminais de fonte de tenso contnua no se altera nunca, o terminal positivo sempre positivo e o negativo sempre negativo. A fonte de tenso contnua mantm constante a DDP entre os seus terminais. Como exemplos de fontes de tenso contnua podemos citar a pilha de controle remoto, bateria de automvel, bateria de celular etc. Vemos a seguir o grfico da tenso versus tempo de uma fonte de tenso contnua. Observe que a tenso se mantm constante ao longo do tempo.

5.5 FREQUNCIA ( ) a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. o inverso do perodo, e sua unidade o Hertz (Hz).

A tenso na tomada de luz de nossa casa tem uma freqncia de 60Hz, ou seja, so gerados sessenta ciclos de tenso a cada segundo. 5.6 VALORES DA TENSO ALTERNADA SENOIDAL Existem vrias formas de se representar numericamente uma tenso alternada senoidal. Estes so: - Valor de pico - Valor de pico a pico - Valor eficaz Valor de pico (VP) o valor mximo atingido pela senoide A tenso atinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo. Valor de pico a pico (VPP) o dobro do valor de pico. a faixa de tenso entre o pico positivo e o pico negativo. A fonte de tenso alternada no tem polaridade definida, ora um terminal positivo, ora negativo. A DDP entre os terminais da fonte de tenso alternada varia a todo instante. Uma tenso alternada pode ter vrias formas, a que nos interessa no momento a tenso alternada senoidal. Veja a seguir como a tenso alternada senoidal varia com o tempo.

5.2 FONTE DE TENSO ALTERNADA

VPP = 2 . VPValor eficaz (Vef) o valor que a tenso alternada deveria ter se fosse contnua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamos uma fonte de tenso alternada aos terminais de um resistor durante um minuto, levando o mesmo se aquecer a 100C. O valor de tenso contnua aplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que o mesmo se aquea com a mesma temperatura, o valor eficaz desta tenso alternada.

EXEMPLOS O termo senoidal deriva do fato do grfico da tenso alternada senoidal ser idntico ao grfico da funo seno. As tomadas de luz, onde ns ligamos a televiso, geladeira e eletrodomsticos em nossa casa, so exemplos de fontes de tenso alternada senoidal. 5.3 CICLO Ciclo de uma tenso alternada senoidal a seqncia de valores onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo composto por dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a tenso sai de zero, sobe at o valor mximo (VP), onde a partir do qual comea a diminuir at chegar novamente a zero. Quando a tenso entra no semiciclo negativo (comea aumentar negativamente), ocorre uma mudana de polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora negativo. A tenso aumenta at chegar ao mximo negativo (-VP), quando A) Qual o perodo de uma tenso alternada senoidal com uma freqncia de 60Hz?

B) Quais os valores de pico a pico e eficaz de uma tenso alternada senoidal que tem um valor de pico de 180V?


Captulo 5: Fontes de Tenso

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EXERCCIOS 1) Se uma tenso alternada tem um valor eficaz de 150V, quais os seus valores de pico e de pico a pico? 2) Dado o circuito abaixo, calcule: a) Vef no resistor? b) Vpp no resistor? c) Corrente eficaz?

3) tendo uma tenso alternada senoidal um valor de pico a pico de 250V, calcule: a)Vef? b)Vp? 4) Qual a freqncia da tenso alternada abaixo?

12 Captulo 5: Fontes de Tenso


GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 6

FONTE DE ALIMENTAO (Conversor CA-CC)A maioria dos equipamentos eletrnicos so alimentados com tenso contnua, normalmente de 3V a 30V. Ocorre que a tenso disponvel nas tomadas de luz de nossas casas so 110V ou 220V alternada, dependendo da localidade. Para transformar a tenso alternada disponvel na tomada de luz em tenso contnua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte de alimentao. Veja a seguir o diagrama em blocos de um conversor CA-CC. Observe que, com esta polaridade da fonte de tenso, o diodo fica polarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte est mais prximo do anodo. Neste caso o diodo se comportando como uma chave fechada (diodo ideal). Com o diodo em conduo, os terminais da fonte ficam ligados diretamente aos terminais do resistor de carga (RL). Isto significa que a tenso nos terminais do resistor ser a mesma da fonte, isto , o semiciclo positivo da tenso da fonte aparecer nos terminais do resistor de carga, como mostra a figura a seguir. 1 - Transformador: Sua funo reduzir o nvel de tenso disponvel nas tomadas de luz (110V/220V) para nveis compatveis com os equipamentos eletrnicos. 2 - Retificador: Transforma tenso alternada (CA) em tenso contnua (CC) pulsante. 3 - Filtro: Converte a tenso CC pulsante vinda do retificador em contnua CC com ondulao. 4 - Estabilizador: Tem a funo de transformar a tenso CC com ondulao em Tenso CC pura, que a tenso utilizada pelos equipamentos eletrnicos. 6.1 TRANSFORMADOR Na maior parte das fontes de alimentao, o transformador abaixa o nvel da tenso de entrada para valores eficazes na faixa de 5Vef a 30Vef. Pode ser que voc veja transformadores em fontes com tenso no secundrio diferente da faixa citada aqui, s o tempo vai dizer. 6.2 RETIFICADOR Como j foi dito, o retificador converte tenso alternada em tenso contnua pulsante. Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ou em ponte. O dispositivo utilizado nos retificadores o diodo devido a sua caracterstica de conduzir a corrente eltrica em um sentido apenas. 6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos da tenso de entrada aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posio do diodo. veja a seguir um circuito retificador de meia onda. Esta inverso na polaridade da fonte faz com que o diodo seja polarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como uma chave aberta. Como o diodo est aberto, no tem corrente circulando pelo resistor. Isto faz com que a tenso em seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O que o diodo fez na verdade foi deixar passar para o resistor de carga apenas o semiciclo positivo da tenso da fonte, bloqueando o semiciclo negativo. Quando o semiciclo positivo termina, a tenso da fonte entra no semiciclo negativo. Isto provoca uma inverso na polaridade da fonte, isto , o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo, como mostra a figura a seguir.

Ns sabemos que a fonte de tenso alternada no tem polaridade definida, ou seja, um terminal ora positivo ora negativo. Vamos convencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonte seja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura a seguir. Resumindo: Quando a tenso da fonte entra no semiciclo positivo o diodo conduz (chave fechada) fazendo com que todo o semiciclo positivo da tenso de entrada aparea nos terminais do resistor de carga. Durante o semiciclo negativo o diodo no conduz (chave aberta) impedindo que o semiciclo


Captulo 6: Fonte de Alimentao

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negativo chegue aos terminais do resistor de carga. A tenso nos terminais do resistor de carga chamada de contnua pulsante. Contnua porque mantm sempre a mesma polaridade, e pulsante porque s aparece no resistor de carga os semiciclos positivos da tenso da fonte. Vemos a seguir os grficos das tenses da fonte, resistor e diodo respectivamente. Observe que o semiciclo positivo da tenso de entrada aparece no resistor de carga e o semiciclo negativo da tenso aparece em cima do diodo.

6.6 CORRENTE MDIA (Icc) Se for ligado um ampermetro CC em srie com o resistor de carga, ele vai medir a corrente mdia na carga. Icc pode ser calculada dividindo a tenso mdia no resistor de carga pela sua resistncia. Como o diodo est em srie com o resistor de carga, a corrente que passa pelo resistor de carga passa tambm pelo diodo. Caso este circuito seja montado na prtica, Icc servir como referncia para especificao do diodo, ou seja, a corrente que o diodo suporta dever ser maior que Icc. Normalmente Icc aparece nas folhas de dados como Io.

6.4 TENSO MDIA (Vcc) Os grficos acima podem ser visualizados com um osciloscpio, mas como nem sempre temos um osciloscpio mo, temos que usar outro recurso para medir a tenso nos terminais do resistor de carga. Se um voltmetro CC for ligado nos terminais do resistor de carga , ele vai medir a tenso mdia, que nada mais do que a mdia dos valores instantneos de tenso em cada ciclo. A frmula a seguir pode ser usada para medir a tenso mdia na carga.

EXEMPLOS

Vcc = Vp / Vcc = Tenso mdia Vp = Tenso de pico

= pi6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA Como o resistor de carga um componente hmico (que obedece a lei de Ohm), o grfico da corrente ser idntico ao da tenso. Em outras palavras, isto significa que a corrente no resistor de carga est em fase com a tenso em cima dele.

14 Captulo 6: Fonte de Alimentao


O diodo a ser escolhido deve suportar uma corrente de no mnimo 7,71mA. Deste modo, qualquer diodo que suporte uma corrente direta maior que 7,71mA pode ser usado, como o 1N914 suporta 200mA, ele vai funcionar perfeitamente. Esta regra dos 30% de margem de segurana apenas uma orientao, uma vez que existem projetistas que utilizam uma margem de 50%, outros at de 100%. Uma ciosa certa, quanto maior a margem segurana utilizada menor a probabilidade do componente apresentar defeito. No esquea, porm de que margens maiores resultam em componentes mais caros. Quem trabalha com projetos sabe que em primeiro lugar temos de zelar pela eficcia do projeto, depois pelo custo. Talvez R$0,10 possa no fazer diferena na compra de um componente, mas imagine uma produo de 10.000 peas. Neste caso a diferena de R$1.000,00. Ao longo do nosso curso ns usaremos a margem de 30%, por se mostrar uma boa opo na relao eficcia versus custo. Vamos usar a mesma margem de 30% de segurana para o dimensionamento do diodo quanto a tenso de ruptura, ou seja, uma vez calculada a tenso de pico inversa, faa com este valor (Vpi) seja 70% do valor da tenso de ruptura do diodo. No exemplo acima, a tenso de pico inversa no diodo ser igual a tenso de pico no secundrio do transformador Vpi = Vp(sec) = 16,97V 6.7 TENSO DE PICO INVERSA (Vpi) Quando a tenso de entrada est no semiciclo negativo o diodo est bloqueado, e isso faz com que todo o semiciclo negativo da tenso de entrada aparea em cima do diodo, como mostra o exemplo acima. Quando a tenso da fonte atinge o valor de pico negativo (-Vp), o mesmo acontece com a tenso em cima do diodo. Esta tenso chamada de tenso de pico inversa, que pode ser definida como a mxima tenso reversa no diodo em funcionamento. Ns sabemos que todo diodo suporta um valor mximo de tenso reversa, chamada de tenso de ruptura. A tenso de ruptura suportada pelo diodo tem que ser maior que a tenso de pico inversa. O diodo 1N914 pode ser usado no circuito acima, pois o mesmo tem uma tenso de ruptura de 75V, muito maior que os 20V de tenso de pico inversa que ele ter sobre ele no circuito em funcionamento. 16,97 = 70% X = 100% X = 24,24V Qualquer diodo com uma tenso de ruptura maior que 24,24V pode ser usado no circuito acima. Como o diodo 1N914 tem uma tenso de ruptura de 75V, o mesmo pode ser usado sem problemas. EXERCCIOS 1) dado o circuito abaixo, calcule: - considere o diodo ideal a) Vcc = ? b) Icc = ? c) Vef(sec) = ? d) Vp(sec) = ? e) Grficos Vr, Vd e I = ?

2) Faa o grfico de tenso no resistor de carga? O diodo 1N914 poderia ser usado neste circuito, pois a corrente mdia que ir passar por ele no circuito em funcionamento de 5,4mA, sendo que ele suporta 200mA. Uma boa regra para dimensionamento do diodo usar uma margem de 30%, ou seja, faa com que o valor Icc em funcionamento seja 70% do valor nominal de corrente do doido. Neste caso:

3) Porque o retificador de meia onda tem este nome?



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4) Dado o circuito abaixo, calcule as especificaes de corrente direta (Io) e tenso de ruptura (Vr) para o diodo? - Considere o diodo real - Use a margem de segurana de 30%

5) Se no circuito acima o diodo entrar em curto permanente, como ficar o grfico de tenso no resistor de carga?



GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 7

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAO CENTRAL O transformador com derivao central possui uma derivao na metade do enrolamento secundrio fazendo com que o enrolamento secundrio seja divido em dois: enrolamento secundrio superior e enrolamento secundrio inferior. Se medirmos a tenso em cada enrolamento secundrio com um osciloscpio tomando como referncia a derivao central, veremos a figura 2A no semiciclo positivo, e a figura 2B no semiciclo negativo da tenso de entrada.

Vemos a seguir o diagrama de tempo completo das tenses nos enrolamentos secundrio, secundrio superior e secundrio inferior. Quando aplicamos uma tenso alternada no enrolamento primrio do transformador (trafo), e a tenso no enrolamento secundrio est em fase, as polaridades das tenses no primrio e no secundrio sero como mostradas na figura 1A quando a tenso de entrada estiver no semiciclo positivo.

Observe a derivao central. Para o enrolamento secundrio superior sua polaridade negativa, mas para o enrolamento secundrio inferior sua polaridade positiva durante o semiciclo positivo de tenso de entrada, como mostra a figura 1B.

V1 = tenso no enrolamento secundrio superior V2 = tenso no enrolamento secundrio inferior 7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Vemos a seguir um retificador de onda completa. Observe que o circuito aproveita os dois semiciclos da tenso de entrada. Durante o semiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tenso do enrolamento superior aparea em cima do resistor de carga RL. Durante o semiciclo negativo da tenso de entrada D2 conduz fazendo com que aparea no resistor de carga toda a tenso do enrolamento inferior. No semiciclo negativo da tenso de entrada a polaridade da tenso se inverter, ou seja, quem positivo passa a ser negativo e vice-versa, como mostra a figura 1C.



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7.3 SEMICICLO POSITIVO Observe na figura 3A as polaridades da tenso nos enrolamentos superior e inferior. Como a polaridade positiva da tenso est mais prxima do anodo de D1, ele fica polarizado diretamente durante todo o semiciclo positivo, comportando-se como uma chave fechada, como mostra a figura 3B. Como D1 um curto, a tenso do enrolamento superior aplicado diretamente aos terminais de RL com a polaridade mostrada. Isto significa que durante o semiciclo positivo de tenso de entrada aparece nos terminais da carga um semiciclo positivo. Durante o semiciclo positivo D2 fica polarizado reversamente, de modo que no circula corrente no enrolamento inferior durante este semiciclo de tenso de entrada.

7.5 FREQUNCIA NA CARGA 7.4 SEMICICLO NEGATIVO No semiciclo negativo da tenso de entrada as polaridades das tenses nos enrolamentos primrio e secundrio se invertem fazendo com que D1 fique polarizado reversamente e D2 diretamente, como mostra a figura 4A. Com D2 em conduo, a tenso no enrolamento inferior aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tenso em RL igual polaridade da tenso durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL. Como D1 est polarizado reversamente, no circula corrente no enrolamento superior durante o semiciclo negativo de tenso de entrada. Uma observao importante a fazer sobre a tenso no resistor de carga com relao a sua freqncia, que o dobro da freqncia da tenso de entrada. Observe na figura 5 que para cada ciclo de tenso de entrada aparece dois ciclos de tenso no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tenso de entrada equivale a um ciclo de tenso de sada. Portanto, se a freqncia de entrada for 60Hz, a freqncia da tenso na carga ser 120Hz. 7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA Como ns j sabemos, o resistor um componente hmico. Isto significa que a corrente diretamente proporcional a tenso no resistor de carga, ou seja, o grfico da corrente na carga idntico ao grfico da tenso.

A seguir vemos os grficos das tenses no enrolamento secundrio, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tenso de entrada so aproveitados pelo retificador, por isso ele chamado de retificador de onda completa.

7.7 TENSO MDIA NA CARGA A figura 5 mostra a forma da tenso que veremos se colocarmos um osciloscpio em cima do resistor de carga, que uma tenso contnua pulsante. Se ao invs de um osciloscpio, colocarmos um voltmetro CC em paralelo com o resistor de carga, como mostra a figura a seguir, mediremos a tenso CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alterao, ou seja, funciona da mesma forma.



7.9 TENSO DE PICO INVERSA Na figura a seguir ns vemos o circuito equivalente do retificador de onda completa durante o semiciclo positivo da tenso de entrada. Observe que D1 est polarizado diretamente e D2 polarizado reversamente. O circuito foi redesenhado para facilitar a nossa anlise. Como D1 uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tenso no enrolamento secundrio aparece nos terminais de D2.

A frmula a seguir nos mostra como calcular a tenso mdia no retificador de onda completa, e tambm nos informa que a tenso mdia no retificador de onda completa o dobro da tenso mdia no retificador de meia onda. simples chegar a esta concluso visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tenso de entrada, enquanto o retificador de meia onda s aproveita um semiciclo.

Quando a tenso no secundrio chega ao seu valor mximo ou de pico, a tenso reversa em D2 tambm chega ao seu valor mximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer ento que a mxima tenso de pico inversa em D2 o valor de pico da tenso no secundrio. VPI = Vp(sec) VPI = tenso de pico inversa Vp(sec) = tenso de pico entre os extremos do enrolamento secundrio O mesmo raciocnio pode ser usado para o semiciclo negativo da tenso de entrada. Veja agora que D1 est polarizado reversamente e D2 polarizado diretamente. Quando a tenso no secundrio do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tenso no diodo D1. Portanto, a frmula acima vlida para os dois diodos.

7.8 CORRENTE MDIA Se um ampermetro CC for colocado em srie com a carga ele ir medir a corrente mdia na carga, como mostra figura a seguir.

A frmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente mdia na carga (Icc).

Todas as frmulas deduzidas nesta seo levaram em considerao o diodo como sendo ideal. Veja a seguir as mesmas frmulas levando em considerao o diodo como sendo real. VP(res) = (Vp(sec) /2) 0,7 Vcc = (2 . VP(res) ) / Icc = Vcc / RL Ip(res) = VP(res) / RL

Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tenso de entrada, lgico deduzir que a corrente mdia em cada diodo a metade da corrente mdia na carga, como mostra a frmula a seguir.

VPI = Vp(sec) - 0,7 No caso de projeto, a tenso de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerncia pode ser usada sem problemas.

Ao projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo dever suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30% de tolerncia poder ser usada como referncia, embora possamos usar um valor de tolerncia maior, nunca menor.



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EXERCCIOS 1) Dado o circuito abaixo, calcule: Obs diodo ideal a) b) c) d) Teso mdia na carga (Vcc)? Corrente mdia na carga (Icc)? Tenso de pico inverso (VPI) ? Grfico da tenso no resistor de carga?

2) 3) 4) 5)

Repita os calculas da questo n 1 considerando o diodo real. Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda completa com relao ao retificador de meia onda? Qual o valor mximo de corrente no primrio do transformador? Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusvel a ser colocado no primrio do transformador, usando a corrente calculada na questo anterior como base de clculo? Qual a forma de onda de tenso e da corrente na carga no circuito a seguir?

6)

7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 300mA e o trafo tem uma tenso no secundrio de 12V, especifique os valores nominais mnimos de corrente direta e de tenso de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerncia?



GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 8

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTEO retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e no necessita de transformador com derivao central. Como o circuito um retificador de onda completa, os dois ciclos de tenso de entrada so aproveitados. Uma vantagem do retificador em ponte com relao ao retificador de onda completa com dois diodos que no primeiro toda a tenso do enrolamento secundrio aproveitada, enquanto que, no outro, apenas a metade da tenso no secundrio chega aos terminais da carga. A figura a seguir mostra um retificador em ponte.

8.1 SEMICICLO POSITIVO Observe na figura 2a a polaridade da tenso no enrolamento secundrio. Como a polaridade positiva da tenso est mais prxima do anodo de D1 e a polaridade negativa mais prxima do catodo de D3, ambos esto polarizados diretamente. Observe ainda na fig 2a que a polaridade positiva da tenso no enrolamento secundrio est mais prxima do catodo de D4 e a polaridade negativa est mais prxima do anodo de D2, fazendo com que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. A fig 2b mostra o circuito com os diodos representados como chaves(diodo ideal). Veja que D1 e D3 esto fechados(polarizao direta) e D2 e D4 esto abertos(polarizao reversa). A conduo de D1 e D3 faz com que os terminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais do enrolamento secundrio, fazendo com que todo o semiciclo positivo de tenso no secundrio seja aplicado aos terminais do resistor de carga com a polaridade mostrada.

8.3 FREQUNCIA NA CARGA Observe na figura 4 que para cada ciclo de tenso de entrada aparecem dois ciclos de tenso no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tenso de entrada equivale a um ciclo de tenso de sada. Portanto, se a freqncia de entrada for 60Hz, a freqncia da tenso na carga ser 120Hz, ou seja, a freqncia no resistor de carga o dobro da freqncia da tenso de entrada. 8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA Como ns j sabemos, o resistor um componente hmico. Isto significa que a corrente diretamente proporcional a tenso no resistor de carga, ou seja, o grfico da corrente na carga idntico ao grfico da tenso.

8.2 SEMICICLO NEGATIVO No semiciclo negativo da tenso de entrada as polaridades das tenses nos enrolamentos primrio e secundrio se invertem fazendo com que D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente, como mostra a figura 3a. Com D2 e D4 em conduo, toda a tenso do enrolamento secundrio aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tenso em RL igual polaridade da tenso durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL. 8.5 TENSO MDIA NA CARGA Se um voltmetro CC for ligado em paralelo com o resistor de carga como mostra a figura a seguir, mediremos a tenso CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alterao no circuito, ou seja, funciona da mesma forma. A seguir vemos os grficos das tenses no nrolamento secundrio, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tenso de entrada so aproveitados pelo retificador, por isso ele chamado de retificador de onda completa.


Captulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte

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redesenhado para facilitar a nossa anlise. Como D1 uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tenso no enrolamento secundrio aparece nos terminais de D2. O mesmo raciocnio podemos usar para D3 e D4.

A frmula a seguir nos mostra como calcular a tenso mdia no retificador de onda completa, e tambm nos informa que a tenso mdia no retificador de onda completa o dobro da tenso mdia no retificador de meia onda. simples chegar a esta concluso, visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tenso de entrada, enquanto o retificador de meia onda s aproveita um semiciclo. Quando a tenso no secundrio chega ao seu valor mximo ou de pico, a tenso reversa em D2 tambm chega ao seu valor mximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer ento que a mxima tenso de pico inversa em D2 o valor de pico da tenso no secundrio. O mesmo ocorre com D4, ou seja, VD4 = Vp(sec) quando a tenso no secundrio chega ao valor mximo. VPI = Vp(sec) VPI = tenso de pico inversa Vp(sec) = tenso de pico entre os extremos do enrolamento secundrio 8.6 CORRENTE MDIA Se um ampermetro CC for ligado em srie com a carga ele ir medir a corrente mdia na carga, como mostra figura a seguir. O mesmo raciocnio pode ser usado para o semiciclo negativo da tenso de entrada. Veja que agora D1e D3 esto polarizados reversamente e D2 e D4 polarizados diretamente. Quando a tenso no secundrio do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tenso no diodos D1 e D3. Portanto, a frmula acima vlida para os quatro diodos.

A frmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente mdia na carga (Icc). Todas as frmulas deduzidas nesta seo levaram em considerao o diodo como sendo ideal, veja a seguir as mesmas frmulas levando em considerao o diodo como sendo real. VP(res) = Vp(sec) 1,4V Vcc = (2 . VP(res) ) / Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tenso de entrada, lgico deduzir que a corrente mdia em cada diodo a metade da corrente mdia na carga, como mostra a frmula a seguir. Icc = Vcc / RL Ip(res) = VP(res) / RL VPI = Vp(sec) - 0,7 No caso de projeto, a tenso de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerncia pode ser usada sem problemas. 8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS Os retificadores em ponte So to comuns que os fabricantes lanaram vrios modelos de retificadores em ponte montados em um encapsulamento de plstico selado. Veja a seguir algumas formas de pontes retificadoras encontradas no mercado. Cada diodo que compe a ponte possui uma corrente direta mxima e uma tenso que pico inversa mxima que especificado pelo fabricante quando a ponte fabricada. Por exemplo, a ponte retificadora 3N246, fabricada pela Fairchild, suporta uma corrente direta mxima de 1,5 A e uma tenso de pico inversa de 50V. Estes parmetros so vlidos para cada diodo que faz parte da ponte.

Se voc for projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo dever suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30% de tolerncia poder ser usada como referncia, embora voc possa usar um valor de tolerncia maior, nunca menor. 8.7 TENSO DE PICO INVERSA Na figura a seguir ns vemos o circuito equivalente do retificador em ponte durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, D1e D3 esto polarizados diretamente e D2 e D4 polarizados reversamente. O circuito foi

22 Captulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte


EXERCCIOS 1) Dado o circuito abaixo, calcule: Obs diodo ideal a) b) c) d) Teso mdia na carga (Vcc)? Corrente mdia na carga (Icc)? Tenso de pico inverso (VPI) ? Grfico da tenso no resistor de carga?

2) 3)

Repita os clculos da questo n 1 considerando o diodo real. Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda completa em ponte com relao ao retificador de onda completa com trafo com derivao central ? Qual o valor mximo de corrente no primrio do transformador no circuito da questo 1? Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusvel a ser colocado no primrio do transformador, usando a corrente calculada na questo anterior como base de clculo? Qual a forma de onda de tenso e corrente na carga no circuito a seguir?

4) 5)

6)

7)

No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 200mA e se o trafo tem uma tenso no secundrio de 15Vrms, especifique os valores nominais mnimos de corrente direta e de tenso de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerncia? Qual a freqncia da tenso na carga ligada na sada de um retificador em ponte se a freqncia da tenso de entrada de 100Hz?

8)


Captulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte

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GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 9

FILTRO CAPACITIVO9.1 CAPACITOR O capacitor um dispositivo eltrico constitudo de duas placas condutoras separadas por um material isolante, normalmente chamado de dieltrico. A principal caracterstica de um capacitor a de armazenar Quando a chave colocada na posio A, os terminais do capacitor ficaro ligados diretamente aos terminais da fonte, fazendo com que o mesmo se carregue com a tenso da fonte e com a mesma polaridade, como mostra a fig 2. O tempo que o capacitor leva para atingir a tenso da fonte durante a carga pode ser aumentado se um resistor for colocado em srie com o capacitor. Como no tem resistor em srie com o capacitor durante a carga, o mesmo se carrega com a tenso da fonte imediatamente aps chave ser colocada na posio A.

cargas eltricas. Esta caracterstica est associada a sua capacitncia, que a capacidade que tem o capacitor em armazenar cargas eltricas. Quanto maior a capacitncia do capacitor, maior a sua capacidade em armazenar cargas eltricas. A unidade de cacitncia o Farad (F). 9.2 SMBOLOS Se aps o capacitor estar carregado com a tenso da fonte a chave for colocada novamente na posio 0, o capacitor ir manter-se carregado por tempo indeterminado, como mostra a fig 3.

9.3 TIPOS DE CAPACITORES Os capacitores comerciais so denominados de acordo com o seu dieltrico. Os capacitores mais comuns so os de ar, mica, papel, cermica, poliester e eletroltico. O capacitor utilizado em fontes de alimentao como filtro capacitivo o eletroltico. O capacitor eletroltico possui polaridade, ou seja, ele s pode se carregar num nico sentido. A polaridade vem impressa em seu corpo. Na figura a seguir vemos o smbolo de um capacitor eletroltico de 220F. Observe as polaridades. Isto significa que o capacitor s pode se carregar com a polaridade mostrada, ou seja, a placa superior s pode se carregar com cargas positivas e a placa inferior com cargas negativas.

9.4 CARGA E DESCARGA Na figura a seguir temos um circuito que podemos usar para demonstrar o funcionamento do capacitor. Suponha que o capacitor esteja completamente descarregado e a chave esteja posicionada na posio 0. Como o capacitor est descarregado, a DDP em seus terminais zero.

Se a chave agora for colocada na posio B, como mostra a Fig 4, o capacitor ira se descarregar em cima do resistor. No instante em que o circuito de descarga for fechado, os eltrons em excesso na placa inferior iro fluir para a placa superior com o objetivo de restabelecer o equilbrio, ou seja, as duas placas voltarem a estar neutras. Este fluxo de eltrons chamado de corrente de descarga(ID). Quando todos os eltrons em excesso na placa inferior voltarem para a placa de origem(superior) a corrente de descarga cessar, o que significa que o capacitor estar descarregado, ou seja, no haver mais DDP entres as placas do capacitor. Observe que enquanto o capacitor est se descarregando ele funciona como se fosse uma fonte de tenso temporria, fornecendo corrente ao resistor. Esta uma idia importante de se fixar porque ela ser usada quando formos estudar fonte de tenso com filtro capacitivo. Assim como na carga, o tempo de descarga pode ser alterado se o resistor for substitudo por outro de valor diferente. Quanto maior o valor do resistor de descarga, maior o tempo que o capacitor leva para se descarregar.

24 Captulo 9: Filtro Capacitivo


Sem o capacitor

Veja a seguir o grfico de tempo de descarga do capacitor. Este um grfico da tenso nos terminais do capacitor em funo do tempo. Aps cinco constantes de tempo (T = 5.R.C), o capacitor estar com 0,7% da tenso inicial que 10V. Este valor de tenso to prximo de zero que normalmente, para efeito prtico, ns consideramos o capacitor descarregado aps cinco constantes de tempo.

Com o capacitor

9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR A ondulao que observamos na tenso de sada com o capacitor no circuito existe porque o capacitor fica se carregando e descarregando durante cada ciclo de tenso de entrada. Vamos analisar nesta seo como isto acontece. No primeiro semiciclo positivo de tenso no secundrio, o diodo conduz e liga os terminais do capacitor diretamente aos extremos do enrolamento secundrio. Durante a primeira metade do semiciclo positivo, a tenso no secundrio vai aumentando at atingir o pico positivo, acontecendo o mesmo com a tenso no capacitor. A figura a seguir mostra o capacitor carregado. Observe que a tenso no capacitor tem a mesma polaridade da tenso no secundrio. Se o diodo for considerado ideal, quando a tenso no secundrio atingir o pico positivo, a tenso no capacitor tambm ser igual Vp.

9.5 RIGIDEZ DIELTRICA Quando um capacitor projetado o fabricante especifica um valor mximo de tenso que o mesmo pode ter em seus terminais. Esta tenso chamada de rigidez dieltrica. Se o capacitor se carrega com uma tenso acima do valor especificado pelo fabricante, o capacitor se danifica. Por exemplo, um capacitor de 220F/25V no pode ter em seus terminais uma tenso maior que 25V. Caso voc v usar este capacitor em algum circuito, certifique-se de que sob quaisquer condies de funcionamento, ele no ir se carregar com uma tenso maior que 25V. 9.6 ASSOCIAO DE FONTES DE TENSO EM SRIE Toda vez que tivermos duas fontes de tenso ligadas em srie na forma como est mostrado na Fig 6a, ou seja, o plo positivo ligado ao negativo e vice versa, a tenso equivalente entre os pontos A e B ser a soma das tenses de cada fonte. Neste caso dizemos que as fontes tem a mesma polaridade. Por outro lado, se as fontes estiverem ligadas em srie e com polaridades opostas, ou seja, plo positivo ligado com o plo positivo ou vice-versa, como mostra a Fig 6b, a tenso equivalente entre os pontos A e B ser a diferena entre as tenses de cada fonte, prevalecendo a polaridade da fonte maior.

Logo depois que a tenso no secundrio atinge o valor de pico ela comea a diminuir, e o diodo ento para de conduzir. Porque? Observe que a tenso que chega nos terminais do diodo a diferena entre as tenses no secundrio do transformador e no capacitor, devidos as suas polaridades. Quando a tenso no secundrio comea a diminuir aps o pico positivo, a tenso no capacitor se torna ligeiramente maior que a tenso no secundrio porque a tenso no mesmo no diminui na mesma velocidade. Isto que faz com que prevalea a polaridade da tenso no capacitor, o que polariza o diodo reversamente, como mostra a figura a seguir.

9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO Nos podemos transformar a tenso contnua pulsante presente na sada de um retificador numa tenso contnua com ondulao se colocarmos um capacitor em paralelo com a carga, como mostram as figuras a seguir.

Com o diodo polarizado reversamente, o capacitor comea a se descarregar em cima do resistor de carga, o que faz com que a tenso em seus terminais comece a diminuir, como mostra a figura a seguir.


Captulo 9: Filtro Capacitivo

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Quando a tenso de entrada entra no semiciclo negativo, a polaridade da tenso no secundrio se inverte, fazendo com que o diodo fique mais reversamente polarizado, visto que a tenso em seus terminais agora a soma das tenses do secundrio e no capacitor. Quando a tenso no secundrio atinge o pico negativo, o diodo ter em seus terminais aproximadamente 2.Vp(sec)(duas vezes a tenso de pico no secundrio). Esta a mxima tenso que o diodo ter em seus terminais quando polarizado reversamente.

Observe que no retificador de onda completa a ondulao bem menor. Os dois semiciclos so aproveitados e, em conseqncia disto, o capacitor se descarrega durante um intervalo de tempo duas vezes menor, o que significa que a ondulao duas vezes menor. A seguir vemos a frmula para calcular a tenso de ondulao de pico a pico( Vpp(ond)) no capacitor de filtro.

No prximo semiciclo positivo, a polaridade da tenso no secundrio do transformador volta a inverter. Agora temos a tenso no secundrio do transformador aumentando, e a tenso no capacitor diminuindo devido descarga. Chegar um momento que a tenso no secundrio do transformador ir ultrapassar a tenso no capacitor. Isso far com que o diodo volte a conduzir, ligando os terminais do capacitor aos extremos do enrolamento secundrio, fazendo com que o capacitor torne a se carregar at atingir o valor de pico. Quando a tenso no secundrio do transformador ultrapassa o pico positivo, o diodo abre novamente e o capacitor volta a se descarregar em cima do resistor de carga, dando incio a um ciclo de carga e descarga at que o circuito seja desligado.

A freqncia de ondulao igual freqncia de entrada se o retificador for de meia onda, e o dobro da freqncia de entrada se for de onda completa. O grfico a seguir mostra a tenso ondulada na carga com todas as indicaes importantes.

Para que o circuito funcione corretamente da forma como foi descrita, a constante de tempo(T= RL.C) deve ser pelo menos dez vezes maior que o perodo da tenso de entrada. Isto garante que o tempo de descarga seja muito maior que o tempo de carga, condio que deve ser satisfeita para que o diodo pare de conduzir logo aps o pico positivo. importante observar que o diodo s conduz durante uma parte do semiciclo positivo, perodo em que o capacitor recupera sua carga. Quanto maior o resistor de carga menor a ondulao da tenso na carga. Uma outra forma de reduzir a ondulao usarmos um retificador de onda completa ao invs de um retificador de meia onda, como mostra a figura a seguir.

O tempo de carga(TC) o tempo durante o qual o diodo se mantm em conduo, fazendo com que o capacitor recupere sua carga. O tempo de descarga(TD) o tempo em que o diodo se mantm aberto, fazendo com que o capacitor se descarregue em cima do resistor de carga. A ondulao de pico a pico a diferena entre a tenso mxima(Vp(res)) e a tenso mnima(Vmin) na carga. Num projeto prtico esta ondulao deve ficar abaixo dos 10% do valor mximo de tenso na carga(Vp(res)). Por exemplo, se VP=15V, Vpp(ond) no deve ser maior que 1,5V.



Exemplo: Dado o circuito a seguir, calcule a ondulao de pico a pico na carga?

Se o retificador for de meia onda, a especificao de corrente do diodo tem de ser maior que a corrente mdia na carga.

Icc(diodo) > IccSe o retificador for de onda completa, cada diodo s conduz durante um semiciclo da tenso de entrada, isto significa que a especificao do diodo tem que ser maior que a metade de Icc.

Icc(diodo) > Icc / 2Para projeto, uma tolerncia de no mnimo 30% deve ser utilizada para a escolha do diodo, ou seja, o diodo deve suportar uma corrente direta de no mnimo 30% acima do valor de Icc se o retificador for de meia onda, e de no mnimo 30% acima de Icc/2 se o retificador for de onda completa.

9.11 TENSO DE PICO INVERSA Como j visto anteriormente, o diodo do retificador de meia onda com filtro capacitivo tem uma tenso mxima reversa de 2Vp em seus terminais quando a tenso no secundrio atinge o pico negativo. A figura a seguir ilustra o evento. Observe que o capacitor tambm tem em seus terminais Vp. A tenso que chega nos terminais do diodo dada pela somas das tenses no capacitor e no enrolamento secundrio devido as suas polaridades, por isso aparece nos terminais do diodo 2Vp. No retificador de meia onda o diodo deve suportar uma tenso reversa maior que 2Vp no secundrio.

Observe que a tenso de ondulao de pico a pico est abaixo de 10% da tenso mxima na carga, isto significa que o capacitor foi especificado corretamente. Veja a seguir o grfico da tenso na carga.

9.9 TENSO MDIA NA CARGA (Vcc) O capacitor de filtro eleva o nvel CC da tenso na carga. Quanto maior o resistor de carga menor a ondulao. As vezes ns consideramos a tenso mdia na carga (Vcc) aproximadamente igual ao valor mximo de tenso na carga(Vp(res)) quando o resistor de carga tem um valor muito alto. Porm, se desejarmos obter um valor mais preciso de Vcc podemos usar a frmula a seguir.

VPI = 2Vp(sec)Nos retificadores de onda completa e em ponte a tenso reversa mxima que cada diodo tem em seus terminais ocorre quando a tenso no secundrio atinge os picos e igual a Vp(sec). Nestes casos o capacitor no influencia na tenso de pico inversa como no retificador de meia onda. Neste caso:

Vcc = Vp(res) (Vpp(ond) / 2)

VPI = Vp(sec)EXERCCIOS 1) No circuito a seguir, aps S1 ser fechada, quanto tempo o capacitor leva para se descarregar?

9.10 CORRENTE MDIA Se um ampermetro CC for ligado em srie com o resistor de carga ele ir medir a corrente mdia na carga (Icc). Para calcularmos Icc basta dividirmos Vcc por RL, como mostra a frmula abaixo.

2)

Icc = Vcc / RLIcc = corrente mdia na carga Vcc = tenso mdia na carga RL = resistor de carga 3)

Como chamada a forma da tenso na carga de um retificador com filtro capacitivo? O que tenso de ondulao de pico a pico?


Captulo 9: Filtro Capacitivo

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4)

Qual o valor do capacitor de filtro para o circuito a seguir?

5)

Se no circuito da fig 21 o retificador for substitudo por um de meia onda, calcule o novo valor da capacitncia do capacitor? Faa o grfico da tenso de carga para o circuito da figura a seguir, incluindo os valores mximos e mnimos, e calcule o valor mdio da tenso na carga?

6)

7) 8)

O que rigidez dieltrica? Calcule as especificaes de corrente direta e tenso de pico inversa para os diodos dos circuitos das questes nos 4, 5 e 6?



GRFICO DO DIODO

ELETRNICA

Captulo 10

ESTABILIZAO DA TENSOO diodo zener um diodo de silcio cuja estrutura interna foi alterada para permitir que ele possa trabalhar na regio de ruptura. Se um diodo comum atingir a regio de ruptura ele se queima por excesso de dissipao de potncia. O mesmo no acontece com um diodo zener. Vemos a seguir o smbolo de um diodo zener.

Zener BZX79C5V1 BZV6DC12 BZW03C15

Vz 5mA 50mA 75mA

Iz 5,1V 12V 15V

O diodo zener comumente chamado de regulador de tenso porque mantm a tenso em seus terminais constante mesmo que a corrente que passe por ele varie, estando o mesmo funcionando na regio de ruptura. Como j dito anteriormente, o zener precisa que a corrente que passe por ele seja maior que Iz min para ele estabilizar a tenso em seus terminais. Caso Iz seja menor que Iz min o zener perde a capacidade de estabilizao. Iz min a corrente mnima que deve passar pelo diodo zener, estando ele na regio de ruptura, para manter o funcionamento como estabilizador de tenso. Iz min fornecida pelo fabricante. O circuito a seguir mostra como utilizar o zener como estabilizador de tenso. Desde que VT seja maior que Vz e a corrente no zener seja maior que Iz min, o Zener manter estabilizada a tenso em seus terminais.

A figura a seguir mostra a curva caracterstica de um tpico diodo zener. Veja que polarizado diretamente o diodo zener se comporta exatamente como um diodo comum.

Vo = Tenso estabilizadaQuando o diodo zener polarizado reversamente ele funciona como uma chave aberta at que a tenso em seus terminais alcance o valor de ruptura (Vz). Uma vez atingida a regio de ruptura o zener conduz normalmente, e s se danifica se for ultrapassada a sua especificao de potncia. Num diodo zener a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento da corrente praticamente constante. Esta caracterstica faz do diodo zener um dispositivo fundamental para a estabilizao da tenso. Porm, para que o zener funcione como estabilizador de tenso necessrio que, alm de operar na ruptura, a intensidade da corrente que estiver passando por ele (Iz) deva estar compreendida entre os valores mximo (Iz max) e mnimo (Iz min). Se a corrente no zener for menor que Iz min ele perde a capacidade de estabilizar a tenso. Por outro lado, se a corrente que passa por ele for maior que Iz max o zener ir se danificar por excesso de dissipao de calor. 10.1 ESPECIFICAO MXIMA A potncia dissipada por um diodo zener igual ao produto da tenso em seus terminais pela corrente que estiver passando por ele. Em smbolos: Se a tenso de entrada subir para 40V, a tenso nos terminais do zener permanece praticamente constante em 12V, enquanto a tenso em cima de Rs sobe para 28V, como mostra a figura a seguir. Quando o zener entra na regio de ruptura a sua impedncia interna quase zero. Por isso que sempre veremos em srie com o zener um resistor Rs que serve para limitar a corrente zener em nveis abaixo da sua especificao mxima de corrente (Iz max). Alm disso, para que o zener estabilize a tenso de sada, a tenso de entrada deve ser maior que Vz. A diferena entre a tenso de entrada e a tenso Vz absorvida por Rs. A figura a seguir ilustra a idia.

Pz = Vz x Iz PZ = Potncia dissipada Vz = Tenso zener Iz = Corrente zenerDesde que Pz seja menor que a sua especificao mxima de potncia, o zener pode funcionar na regio de ruptura sem ser destrudo. Existe no mercado zeners com tenses de ruptura que pode variar de 2V a mais de 200V, com especificao de potncia de 1/4 W a mais de 50W. A tabela a seguir mostra alguns modelos de zeners encontrados no mercado, com as suas respectivas tenses de funcionamento e corrente mxima reversa.

Veja que a tenso em Rs a diferena entre a tenso de entrada e a tenso no zener.


Captulo 10: Estabilizao da Tenso

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EXERCCIO: 1) Dado o circuito a seguir, e sabendo que a tenso de entrada varia entre 20V e 40V, determine as correntes mnima e mxima que iro passar pelo diodo zener.

Com o tempo o zener foi substitudo nas fontes de alimentao lineares por um circuito integrado chamado CI regulador. Uma das vantagens da utilizao de um CI regulador no lugar do zener a potncia mxima de sada, que pode ser muito maior com a utilizao de um CI regulador do que com um diodo zener. Colocando os valores calculados no grfico do zener ns teremos: 10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR Existe no mercado uma srie de CIs reguladores de tenso que podem ser utilizados em conversores CA-CC como elemento de estabilizao da tenso de sada. A figura a seguir mostra o CI regulador 7805 utilizado para fornecer uma tenso de sada estabilizada na sada da fonte de tenso de 5V. O capacitor de 100nF na sada do CI regulador para eliminar pequenas variaes de tenso na sada que por ventura no o CI regulador no consiga eliminar.

Veja que a corrente no zener aumentou de 8mA para 28mA, porm, a tenso em seus terminais permaneceu constante. Este um dos motivos pelo qual o diodo zener amplamente utilizado como estabilizador de tenso. Um resistor de carga pode ser conectado aos terminais do zener dispondo da tenso constante fornecida pelo zener. A figura a seguir ilustra a idia. Embora o circuito tenha duas malhas, a idia permanece a mesma.

Os CIs reguladores mais utilizados so os das famlias 78XX e 79XX. Estes CIs reguladores so estabilizadores de tenso com limitao interna de corrente e compensao de temperatura, e podem fornecer vrios nveis de tenso de sada. A diferena entre eles que os da famlia 78XX fornecem tenso de sada positiva, e os da famlia 79XX fornecem tenso de sada negativa. A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da famlia 78XX, suas respectivas tenses de sada e corrente mxima de trabalho. CI 7805 7806 7808 7809 7812 7815 7818 7824 Tenso de Sada 5V 6V 8V 9V 12V 15V 18V 24V Corrente de Sada 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A

A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da famlia 79XX, suas respectivas tenses de sada e corrente mxima de trabalho. 2) Calcule as correntes mxima e mnima no zener colocando um resistor de carga de 2K nos terminais de sada no circuito do exerccio n 1. CI 7905 7906 7908 7909 7912 7915 7918 7924 Tenso de Sada -5V -6V -8V -9V -12V -15V -18V -24V Corrente de Sada 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A

10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER A figura a seguir mostra um circuito que foi muito utilizado no passado para fornecer tenso estabilizada. Veja que a tenso com ondulao presente nos terminais do capacitor estabilizada pelo conjunto Zener e Rs. Para que circuito funcione corretamente preciso que sejam observadas todas as questes abordadas anteriormente neste captulo. Principalmente com relao a tenso de ruptura e a corrente zener.

Um cuidado deve ser tomado no uso de CIs reguladores. A tenso de entrada dever ser de pelo menos 3V maior que a tenso de sada fornecida pelo componente. Por exemplo, se voc for utilizar o CI 7805 na sua fonte de alimentao, certifique-se de que na entrada dele no tenha menos de 8V sob quaisquer condies de funcionamento. Ao especificar o valor do capacitor de filtro e os parmetros do transformador, mantenha a tenso mnima de ondulao acima de 8V. A figura a seguir mostra um CI regulador no encapsulamento TO-220, encontrado com muita facilidade no mercado a um custo muito baixo.

30 Captulo 10: Estabilizao da Tenso


C = 200m / (120 x 1,55) C = 1075F O valor comercial mais prximo 1000F. Observe que este valor um pouco menor que o calculado. Isto far com que a ondulao seja levemente superior a 10%, o que no provocar nenhum prejuzo para o bom funcionamento do circuito. O capacitor ter em seus terminais uma tenso mxima de 15,5V, quando a tenso no enrolamento secundrio atingir os picos. Neste caso, a rigidez dieltrica (RD(cap)) dele, utilizando uma tolerncia de 30%, dever ser de: RD(cap) = (15,5 x 100) / 70 Funo Comum Entrada Sada RD(cap) = 22,1V Para que o capacitor funcione corretamente ele deve suportar uma tenso de trabalho maior que 22,1V. O valor mais prximo 25V. Sendo assim, o capacitor especificado para este projeto ser de 1000F/25V. A figura a seguir mostra o diagrama esquemtico de parte da fonte.

Vemos a seguir uma tabela com a funo dos pinos dos CIs reguladores das famlias 78XX e 79XX. 78XX Pino 1 2 3 Exemplo 1: Projeto de uma fonte estabilizada de 5 V/200mA com CI regulador 7805, para uma tenso de entrada de 127/220Vef. Trafo: A tenso no secundrio do trafo deve ser escolhida de forma que a tenso em cima do capacitor de filtro no caia abaixo de 8V sob quaisquer condies de funcionamento. 8V a tenso mnima a ser aplicada no CI regulador 7805 para que ele no perca a capacidade de regulao da tenso de sada. Os valores de tenso eficaz no secundrio dos transformadores comerciais mais facilmente encontrados no mercado so: 3V, 6V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V, e 30V. Na maioria das vezes os transformadores comerciais so projetados para operar com tenses eficazes no primrio de 127V e 220V. Vamos escolher, para este projeto, o trafo 127Vef/12Vef e 500mA de capacidade de corrente no secundrio, uma vez que a corrente mxima que esta fonte dever fornecer de 200mA, como especificao inicial. Neste caso, a tenso de pico no secundrio ser de: Vp(sec) = Vef x 2 Vp(sec) = 12 x 2 = 16,9V Capacitor: Vamos optar por um retificador em ponte, uma vez que ele no precisa de um trafo com derivao central. Neste caso, as tenses mxima e mnima no capacitor de filtro sero de: Vp(cap) = Vp(sec) 1,4 Vp(cap) = 16,9 1,4 = 15,5V Adotando uma ondulao de 10% de Vp(cap) para a tenso na entrada do CI regulador, ns teremos: Vond(pp) = 15,5 / 10 Vond(pp) = 1,55V A tenso mnima nos terminais do capacitor e, conseqentemente, do CI 7805, ser de: Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp) Vmin(cap) = 15,57 1,55 = 14,02V Veja que a tenso mnima no capacitor de 14,02V. Esta a tenso mnima que ser aplicada na entrada do CI regulador. Muito maior do que os 8V mnimos necessrios. O valor do capacitor ser de: C = Icc / (F(sada) x Vond(pp) ) Funo Entrada Comum Sada Pino 1 2 3 79XX

A figura a seguir mostra o grfico da tenso no capacitor com os valores mximo e mnimo da tenso de ondulao.

Diodos: Como o retificador em ponte foi o escolhido para o projeto, a corrente mdia que passar em cada diodo ser a metade da corrente mdia na carga. Neste caso: Icc(diodo) = Icc / 2 Icc(diodo) = 200m / 2 = 100mA. Utilizando a tolerncia de 30% para Icc, a corrente direta mnima que cada diodo dever suportar ser de: Icc(diodo) = (100m x100) / 70 Icc(diodo) = 142,85mA A mxima tenso reversa que cada diodo ter em seus terminais no semiciclo em que ele no estiver conduzindo ser de: VPI = Vp(

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