Apostila Eletronica_basica

5/9/2018 Apostila Eletronica_basica - slidepdf.com

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ELETRÔNICA BÁSICAVersão 1.0

Wagner da Si lva Zanc o

2006http://www.wagnerzanco.com.br

[email protected]





Objet ivo

O objetivo desta apostila é servir como parte do material didático utilizado no estudo de Eletrônica Básica, curso que podeser ministrado de forma presencial ou semipresencial. Embora o material tenha sido desenvolvido inicialmente para a disciplina deEletrônica Básica do curso de Eletrônica em nível técnico, não há impedimento para a sua utilização em disciplinas pertencentes acursos técnicos de áreas afins, ou até mesmo em outros segmentos da educação profissional cujo conteúdo programático sejacompatível.

Os assuntos são abordados em uma seqüência lógica respeitando a visão consagrada por muitos professores no que dizrespeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exercícios propostos que ajudarão o aluno naretenção do item estudado e no desenvolvimento do raciocínio exigido para a aprendizagem da Eletrônica.





Índ ice Anal ít i c o

CAPÍTULO 1: DIODO _______________ ______ 1 1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA 11.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA) 1

CAPÍTULO 2: CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO 3 2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA 3

2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA 32.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO 42.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI) 4

CAPÍTULO 3: ESTURUTURA INTERNA DO DIODO 5 3.1 O ELÉTRON 53.2 ÁTOMO 53.3 CARGA ELÉTRICA 53.4 ELÉTRONS LIVRES 53.5 SEMICONDUTORES 53.6 LIGAÇÃO COVALENTE 5

3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR 63.8 CRISTAL PURO 63.9

CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS 63.10 JUNÇÃO PN 73.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E BARREIRA DE POTENCIAL 73.12 DIODO DE JUNÇÃO 73.13 POLARIZAÇÃO DIRETA 73.14 POLARIZAÇÃO REVERSA 83.15 CORRENTE REVERSA 83.16 TENSÃO DE RUPTURA 8

CAPÍTULO 4: TRANSFORMADOR 9 4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR 9

CAPÍTULO 5: FONTES DE TENSÃO 11 5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA 115.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA 115.3 CICLO 115.4 PERÍODO (T) 11

5.5 FREQUÊNCIA ( ƒ ) 115.6 VALORES DA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL 11

CAPÍTULO 6: FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC) 13 6.1 TRANSFORMADOR 136.2 RETIFICADOR 13

6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 136.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc) 146.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 146.6 CORRENTE MÉDIA (Icc) 146.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi) 15

CAPÍTULO 7: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 17 7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL 177.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 177.3 SEMICICLO POSITIVO 18 7.4 SEMICICLO NEGATIVO 18 7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA 187.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 18

7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA 187.8 CORRENTE MÉDIA 197.9 TENSÃO DE PICO INVERSA 20



CAPÍTULO 8: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 21 8.1 SEMICICLO POSITIVO 218.2 SEMICICLO NEGATIVO 218.3 FREQUÊNCIA NA CARGA 218.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 218.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA 218.6 CORRENTE MÉDIA 228.7 TENSÃO DE PICO INVERSA 22

8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS 22

CAPÍTULO 9: FILTRO CAPACITIVO 24 9.1 CAPACITOR 249.2 SÍMBOLOS 249.3 TIPOS DE CAPACITORES 249.4 CARGA E DESCARGA 249.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA 259.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE 259.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO 259.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR 259.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc) 279.10 CORRENTE MÉDIA 27

9.11 TENSÃO DE PICO INVERSA 27

CAPÍTULO 10: ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO 29 10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA DE POTÊNCIA 2910.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER 3010.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR 3010.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA 3310.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA 3310.6 DISSIPADOR DE CALOR 3310.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL 3310.8 FUSÍVEL 3310.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) 3410.10 TENSÃO E CORRENTE NO LED 34

BIBLIOGRAFIA 35



Wagner da Silva Zanco Capítulo 1: Diodo 1

DIODO

Dispositivo eletrônico fabricado a partir de materiais semicondutorescomo Silício e Germânio. O diodo é um dispositivo de grande importância

dentro da eletrônica, e sua principal característica é a de conduzir a correnteelétrica em um só sentido.

Quando aplicamos uma tensão no diodo, dizemos que estamospolarizando o mesmo. Existem dois tipos de polarização:

- POLARIZAÇÃO DIRETA

- POLARIZAÇÃO REVERSA

1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA

Um diodo está polarizado diretamente quando o terminal positivo dafonte está mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo docatodo. Quando o diodo está polarizado diretamente ele se comporta comose fosse uma chave fechada(diodo ideal), permitindo a circulação dacorrente, como mostra a figura a seguir.

Como o diodo se comporta como uma chave fechada, é necessáriaa presença de um resistor em série com ele para limitar a corrente, casocontrário à fonte entra em curto.

TENSÃO NO DIODO

Sendo o circuito série,

VT = VD + VR

Como o diodo se comporta como um curto,

VD =∅V

Então,

VT = VR

Isto significa que toda a tensão da fonte aparece no resistor em sériecom o diodo.

1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)

Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivoda fonte estiver mais perto do catodo e terminal negativo do anodo. Destaforma, o diodo se comporta como uma chave aberta bloqueando apassagem da corrente elétrica, como mostra a figura a seguir.

TENSÃO NO DIODO

Como o diodo se comporta como uma chave aberta, não temcorrente circulando no circuito. Sendo assim:

Se,

VR = R.I

e,

I =∅A

Então,

VR =∅v

Com isso,

VT = VR + VD VT =∅ + VD VT = VD

Isto significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais dodiodo. Não esqueça disso, pois esta idéia será vista bastante mais frente. Afigura a seguir ilustra a idéia.

EXEMPLOS

A) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente elétrica?

A primeira coisa a observar é se o diodo está polarizadodiretamente ou inversamente. Como neste exemplo o terminal da fonte estámais próximo do anodo, o diodo está polarizado diretamente, podendo ser substituído por uma chave fechada. Como a tensão em cima do diodo é∅V, toda a tensão da fonte aparece em cima do resistor.

ELETRÔNICA Ca ít ulo 1



Capítulo 1: Diodo Wagner da Silva Zanco2

B) Dado o circuito abaixo, calcule:

Estando o terminal positivo da fonte mais próximo do catodo, odiodo encontra-se polarizado reversamente, podendo ser substituído por uma chave aberta. Não haverá corrente circulando no circuito(I = ∅A), oque significa que a tensão em R também é∅V. Com isso, toda a tensão dafonte aparece em cima do diodo VD = 12V.

EXERCÍCIOS

1) Dado o circuito abaixo, calcule?



4) Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas?a)

b)

VR=?

VD=?

I=?

a) tensão em cada diodo?b) tensão em cada resistor?c) corrente em cada braço?

a) tensão em cada diodo?b) tensão em cada resistor?

c corrente em cada bra o?

a) tensão em cada diodo?b) tensão em cada resistor?c corrente em cada bra o?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 2: Curva Característica do Diodo 3

GRÁFICO DO DIODO

CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO

Na análise inicial nós consideramos o diodo polarizado diretamentecomo uma chave fechada(diodo ideal). Na prática, o diodo só começa aconduzir quando a tensão em seus terminais ultrapassa a tensão decondução(limiar), que é 0,7V para diodos de Silício e 0,3V para diodos deGermânio. Como hoje praticamente todos os diodos fabricados são de

Silício, daremos ênfase a eles a menos que seja dito o contrário. A seguir vemos o gráfico da tensão versus corrente do diodo de Silício.


Quando o diodo é polarizado diretamente, podemos observar que acorrente permanece em zero até que a tensão nos terminais do diodoultrapasse a tensão de limiar (0,7V). Isto significa que, mesmo estandopolarizado diretamente, o diodo só conduz quando a tensão em seusterminais atinge o valor de limiar. A corrente no diodo aumenta bruscamenteapós a tensão em seus terminais ter ultrapassado o valor de limiar. Omesmo, porém, não acontece com a tensão nos terminais do diodo, queaumenta modestamente para grandes aumentos na corrente direta. Paraefeito de cálculo nós consideramos que em condução o diodo tem em seusterminais uma tensão de 0,7V, mas lembre-se que na prática a tensão nodiodo aumenta quando a corrente direta aumenta. Um fabricante do diodo1N5408 informa em seu datasheet que o mesmo pode ter uma tensão de1.2V quando a corrente direta no diodo for de 3A.

Para que a corrente no diodo não ultrapasse o valor nominal, énecessário que seja ligado um resistor em série com o diodo quando eleestiver polarizado diretamente, cuja finalidade é limitar a corrente nocomponente para que ele não seja destruído por excesso de dissipação decalor. O resistor em série com o diodo polarizado diretamente é necessárioporque, em condução, o diodo praticamente não oferece oposição apassagem da corrente elétrica, ou seja, sua resistência interna é muitobaixa. Por este motivo que normalmente nós consideramos o diodo comoum curto quando ele está polarizado diretamente.

Vemos a seguir um circuito com um diodo polarizado diretamente por meio de uma fonte variável. Para tensões da fonte entre 0V e 0,7V, o diodo

continua se comportando como uma chave aberta, mesmo estandopolarizado diretamente. Vimos no gráfico do diodo que para esta faixa detensão no diodo, a corrente é zero. Quando a tensão da fonte ultrapassa0,7V, o diodo começa a conduzir, permitindo a passagem dos elétrons.Vemos no gráfico do diodo também que quando a tensão no diodo atinge0,7V a corrente tem um aumento brusco. O resistor em série com o diodotem a função de não permitir que esta corrente aumente a ponto dedanificar o diodo. O diodo 1N4001, por exemplo, suporta uma correntemáxima de 1A estando polarizado diretamente. Uma vez em condução,grandes aumentos na corrente provoca pequena variação na tensão nodiodo. Para efeito de cálculo esta pequena variação de tensão no diodo nãoé considerada. Quando se leva em consideração a tensão de condução dodiodo, dizemos que ele está se comportando como um diodo real.

Depois que o diodo começou a conduzir a tensão em seusterminais se mantém em 0,7V, sendo que todo o excedente de tensão dafonte aparecerá no resistor. Por exemplo:

2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA

Quando o diodo é polarizado reversamente ele se comporta comouma chave aberta até que a tensão em seus terminais ultrapasse o valor deruptura, quando então o diodo conduz intensamente e se destrói por excesso de dissipação de calor. O diodo 1N4001, por exemplo, possui umatensão de ruptura de 50V. Se você for usar este diodo polarizadoreversamente em um circuito certifique-se de que a tensão em seusterminais nunca irá ultrapassar 50V.

Vemos a seguir um diodo polarizado reversamente em série com umresistor. Como o diodo se comporta como uma chave aberta não temcorrente circulando no circuito e, conseqüentemente, não tem tensão no

resistor R. Isso significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminaisdo diodo. Desde que esta tensão reversa no diodo não ultrapasse o valor deruptura o diodo irá se comportar como uma chave aberta.

VT = VD + VR

Como,

I = 0 e VR = 0

Então,

VT = VD

Na verdade, o diodo não se comportará exatamente como uma chaveaberta estando polarizado reversamente, pois uma pequena correntereversa circulará por ele mesmo estando reversamente polarizado. Comoserá visto mais adiante, esta corrente reversa possui duas componentesque são: corrente de fuga superficial e corrente dos portadores

minoritários. Estas componentes da corrente reversa serão devidamenteexplicadas quando formos estudar a estrutura atômica do diodo. Por ora,saiba que a corrente de fuga superficial depende da tensão reversa nosterminais do diodo e que a corrente dos portadores minoritários depende datemperatura.




Capítulo 2: Curva Característica do Diodo Wagner da Silva Zanco4

Veja a seguir as especificações de alguns diodos encontrados com

certa facilidade no mercado.

DiodoTensão de

RupturaID (máxima

corrente direta)

1N914 75V 200mA

1N4001 50V 1A

1N1185 120V 35A

1N4007 1000V 1A

2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO

Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qualele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de0,7V. Até diodos do mesmo tipo podem começar a conduzir em pontosdiferentes de tensão. Felizmente para efeito de cálculo, nós não precisamos nos preocupar com isso, mas mantenha este fato em mentesempre que for fazer alguma montagem com diodos. A folha de dados do1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver

sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminaispode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de25ºC.

2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)

Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução comouma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como umcurto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência internapode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quasesempre é desprezada. No exemplo acima nós podemos calcular aresistência interna do diodo, como mostrado a seguir.

RI = 0,7÷ 2,3mA = 304,34Ω

EXERCÍCIOS

1) Dado os circuitos a seguir, calcule:OBS: Diodo reala) Corrente em cada braço?b) Tensão em cada resistor?c) Tensão no diodo?

A)

B)

C)

D)

E)

F)



Wagner da Silva Zanco Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo 5

GRÁFICO DO DIODO

ESTURUTURA INTERNA DO DIODO

3.1 O ELÉTRON

A eletrônica é a ciência que se dedica ao comportamento doselétrons, afim de que eles sejam aproveitados em funções úteis.

A própria palavra eletrônica deriva do termo elétrons, de origem

grega, e designa uma das partículas básicas da matéria.A eletricidade de que estamos acostumados a nos servir chega até

as nossas casas pelo movimento de elétrons através dos fios. O movimentode elétrons que citamos é chamado de corrente elétrica.

3.2 ÁTOMO

Nós sabemos que a matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupalugar no espaço. Toda matéria é constituída de átomos. O átomo se divideem duas partes: Núcleo, onde se encontram os prótons e os nêutrons eEletrosfera, onde se encontram os elétrons.

Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partículasdiferentes no átomo, tais como mésons, neutrinos, quaks, léptons, bósonsetc.

3.3 CARGA ELÉTRICA

Eletricamente falando, um átomo pode se encontrar em trêssituações diferentes:

Neutro ⇒ quando a quantidade de prótons é igual a de elétrons. Este é oestado normal de qualquer átomo. Neste caso dizemos que ele está emequilíbrio.Carregado po sitivamente ⇒ quando a quantidade de prótons é maior quea de elétrons.Carregado negativamente ⇒ Quando a quantidade de prótons é menor que a de elétrons.

A menor quantidade de carga elétrica que um átomo pode adquirir é a cargade um próton ou a de um elétron.

Elétron ⇒ carga elétrica negativa(--) fundamental da eletricidade.Próton ⇒ carga elétrica positiva(+) fundamental da eletricidadeNêutron ⇒ não possui carga elétrica.

A carga elétrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909pelo físico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI em Coulomb, ovalor numérico da carga elétrica fundamental de um elétron, sendo a dopróton igual em módulo, mudando apenas o sinal, que é positiva é:

e- = 1,6 x 10-19C

3.4 ELÉTRONS LIVRES

O que mantém os elétrons ligados aos seus respectivos átomos é oseu movimento em torno do núcleo, associado a força de atração mutuaexistente entre eles e os prótons. Quanto mais afastado do núcleo estiver este elétron, menor será esta força de atração mutua.

Quando aplicamos em certos materiais energia externa como luz,calor, pressão, os elétrons absorvem esta energia, e se esta for maior que aforça exercida pelo núcleo, o elétron poderá se desprender do átomotornando-se um elétron livre. A corrente elétrica é nada mais que omovimento de elétrons livres.

Os elétrons livres se encontram em grande quantidade nos materiaischamados bons condutores, e não existem ou praticamente não existem,nos chamados maus condutores ou isolantes.

Como exemplo de bons condutores podemos citar as ligasmetálicas, ouro, prata, cobre, ferro, alumínio etc.

Alguns exemplos de isolantes são: vidro, porcelana, mica, borracha,madeira etc.

3.5 SEMICONDUTORES

Os semicondutores são substâncias cujos átomos possuem quatroelétrons na camada de valência(última camada). Os semicondutores nãosão bons nem maus condutores de eletricidade. Na verdade, acondutividade de um semicondutor depende da temperatura a qual ele estásubmetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolanteperfeito a temperatura de -273ºC. A medida que a temperatura vaiaumentando sua condutividade também aumenta.

O Silício e o Germânio são os semicondutores usados na construçãode dispositivos eletrônicos como diodos, transistores, circuitos integradosetc. O Germânio praticamente não é mais usado na construção dedispositivos semicondutores devido a sensibilidade à temperatura. Por isso,quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do Silício.

O átomo de Silício possui quatorze elétrons, quatorze prótons equatorze nêutrons.

3.6 LIGAÇÃO COVALENTE

Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons nacamada de valência. Contudo, para formar o sólido o átomo precisa de oitoelétrons na camada de valência, ou seja, estar quimicamente estável. Paraobter os oito elétrons na camada de valência os átomos se associam numaligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente os átomoscompartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemosna figura a seguir.

Na ligação covalente cada átomo compartilha um elétron com oátomo vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétronsemprestados, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência,adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétronscompartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central.Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatroelétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, eletricamente

neutro.Os átomos de Silício se distribuem no sólido formando uma estruturacúbica, onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbicaé normalmente chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólidode Silício é um cristal de Silício. A figura a seguir ilustra a idéia.




Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo Wagner da Silva Zanco6

3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR

Já vimos que o que mantém os elétrons presos aos seusrespectivos átomos é a força de atração exercida pelo núcleo, associada aomovimento circular do elétron em torno do núcleo. Sabe-se que associado atodo movimento circular atua a força centrífuga, que puxa o corpo para forado centro do movimento. No caso dos elétrons, ocorre que a forçacentrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo, enquanto os prótons ospuxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém oselétrons ligados aos átomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que aforça de atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que aforça que atua nos elétrons das primeiras camadas.

Se um elétron da camada de valência receber energia externacomo luz calor etc., e esta for maior que a força de atração exercida pelonúcleo, o elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência,chamada de banda de condução. Uma vez na banda de condução o elétronestá livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétronlivre. Ao ir para a banda de condução, o elétron deixa um vazio que nóschamamos de lacuna.

Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Estaquebra produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livrevagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atraído por ela.Neste caso houve uma recombinação.

Sendo a corrente elétrica o movimento de elétrons livres, o silício éum isolante perfeito a uma temperatura de -273ºC, porque a estatemperatura não existe nenhum elétron livre. A medida que a temperaturavai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligações covalentes, assimcomo recombinações. À temperatura ambiente de 25ºC um cristal de silíciopuro possui uma quantidade de pares elétron-lacuna mais ou menos estáveldevido as constantes quebras de ligações covalentes produzidastermicamente, assim como recombinações.

3.8 CRISTAL PURO

Vemos na figura a seguir um cristal de silício puro. À temperaturaambiente existe um número mais ou menos estável de elétrons livres e delacunas produzidos termicamente, como já vimos anteriormente.

Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamosobservar algo interessante. Existem dois trajetos para os elétrons semovimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas:uma de elétrons livres e a outra de elétrons de valência. Os elétrons livresirão se deslocar de um lado para outro do cristal através da banda decondução, os elétrons de valência se deslocarão de um lado para outro do

cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra. A corrente deelétrons de valência pode ser vista como uma corrente de lacunas emsentido contrário, como mostra afigura a seguir.

Cristal de silício puro

3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS

A figura a seguir mostra o cristal ampliado até a estrutura atômicasubmetido a uma DDP. O elétron livre mostrado dentro do cristal seráatraído pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pelabanda de condução, como indica a seta. Esta corrente de elétrons livres é de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais condutores . Observe agora a lacuna mostrada na figura. O elétron do

ponto 1 pode ser atraído pela lacuna. Se isso ocorrer, a lacuna naextremidade deixará de existir e, onde estava o elétron no ponto 1 terá umalacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, ondepassará a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocínio, como mostramas setas, veremos que os elétrons estão se deslocando em direção aoterminal positivo e a lacuna em direção ao terminal negativo. Ao saírem pelaextremidade do cristal, tanto o elétron livre quanto o elétron de valênciatornam-se elétrons livres, seguem em direção ao terminal positivo da fonte,entram na fonte, saem pelo terminal negativo e entram na extremidadeoposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como elétrons livres,outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de valência. O movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrário .

Cristal de silício puro

Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o quediferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor só existecorrente de elétrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores éapenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade são oselétrons de valência, tenha isso sempre em mente.

Na prática, não temos como medir a corrente de elétrons livres e delacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elasexistem e que o uso dos semicondutores na construção de dispositivoseletrônicos se deu, em grande parte, por esta característica.

Uma forma de aumentar a condutividade do cristal puro é introduzir no cristal impurezas pentavalentes, que são átomos com cinco elétrons naúltima camada, produzindo um cristal tipo N. Para cada átomo de impurezapentavalente introduzido no cristal aparecerá um elétron livre. A figura aseguir mostra um cristal tipo N.



Wagner da Silva Zanco Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo 7

Semicondutor tipo N

Uma outra forma de aumentar a condutividade de um cristal puro é adopagem com impurezas trivalentes, que são átomos com três elétrons naúltima camada, produzindo um cristal tipo P. Para cada átomo de impurezatrivalente introduzido no cristal aparecerá uma lacuna. A figura a seguir mostra um cristal tipo P.

Semicondutor tipo P

3.10 JUNÇÃO PN

Se nós doparmos a metade de um cristal puro com impurezastrivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes produziremos umdiodo de junção, ou diodo semicondutor. o lado do cristal dopado comimpurezas trivalentes terá muitas lacunas e o lado dopado com impurezaspentavalentes terá muitos elétrons livres. Os poucos elétrons livres vistos nolado P, assim como as poucas lacunas vistas no lado N, são produzidostermicamente.

Ocorre que os elétrons mais próximos da junção são atraídos pelaslacunas que estão mais próximas, conforme mostram as setas na figuraacima. Quando o elétron deixa o átomo para se recombinar com alacuna, este átomo se transforma em um íon positivo, pois ele perdeu umelétron. Da mesma forma, o átomo ao qual pertencia a lacuna, setransforma em um íon negativo. Esta recombinação irá ocorrer com todosos elétrons e lacunas que estiverem próximos da junção. Cadarecombinação fará aparecer um par de íons próximos da junção. Istoresultará em uma coluna de íons positivos do lado N e um a coluna de íonsnegativos do lado P. A figura a seguir ilustra a idéia.

Chegará um momento que a região próxima à junção ficará esgotadade elétrons livres e lacunas. A coluna de íons negativos do lado P irá repelir qualquer elétron que tentar atravessar a junção em busca de algumalacuna, estabelecendo-se assim um equilíbrio.

Não confunda íon com elétron livre ou lacuna. um íon é um átomo que adquiriu carga elétrica, ou seja, ganhou ou perdeu elétrons.Na figura acima o íon negativo está representado por um sinal negativo com um círculo em volta, e o íon positivo por um sinal positivo com um círculo em volta .

3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E B ARREIRA DE POTENCIAL

As colunas de íons que se formaram próximas à junção devido arecombinação de elétrons e lacunas é chamada de camada de depleção.Existe entre as duas colunas de íons uma DDP que é chamada de barreira

de potencial. Esta DDP nos diodos de Germânio é de 0,3V e nos de silício éde 0,7V.

3.12 DIODO DE JUNÇÃO

Na figura a seguir vemos a estrutura interna de um diodo de junção.O terminal ligado ao lado P é o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N é ocatodo(k). A faixa cinza próxima a junção é a camada de depleção, que iráse comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferençade potencial.


Para polarizar um diodo diretamente temos de submete-lo a uma

diferença de potencial, de forma que o terminal positivo da fonte fique maispróximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo, comomostra a figura a seguir. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irárepelir as lacunas do lado P, e o terminal negativo irá repelir os elétronslivres do lado N. Esta repulsão provocará a compressão da camada dedepleção. Quando a tensão entre os terminais do diodo atingir o valor dabarreira de potencial (0,7V para o silício), ou seja, VT > 0,7V, a camada dedepleção estará tão comprimida que permitirá que os elétrons livres daregião N atravessem a junção e entrem na região P. Uma vez dentro daregião P os elétrons livres descem da banda de condução para a camadade valência e atravessam a região P como elétrons de valência, pulando delacuna em lacuna até saírem pelo terminal do anodo, quando seguem parao terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo,entram na região N do diodo pelo terminal do catodo, atravessam a região Ncomo elétrons livres, cruzam a junção e assim sucessivamente. O que nósacabamos de descrever é na verdade um fluxo de elétron, ou uma correnteelétrica. Resumindo, quando o diodo é polarizado diretamente e a tensãoem seus terminais atinge o valor da barreira de potencial o diodo começa aconduzir corrente, ou seja, permite que os elétrons cruzem a junção.

Uma vez em condução, a resistência entre os terminais do diodo caidrasticamente. Isto significa que o diodo se comporta quase como um curto,o que justifica o fato de que sempre veremos um resistor em série com odiodo quando ele estiver polarizado diretamente. Sua função é limitar aintensidade de corrente elétrica que passa pelo diodo.



Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo Wagner da Silva Zanco8

3.14 POLARIZAÇÃO REVERSA

Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo dafonte está mais próximo do catodo e o terminal negativo mais próximo doanodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá atrair os elétronslivres da região N e o terminal negativo irá atrair as lacunas da região P. Istoprovocará a expansão da camada de depleção, dificultando ainda mais adifusão de elétrons livres através da junção, ou seja, o diodo se comportarácomo uma chave aberta.

Quando polarizado reversamente, a resistência entre os terminais dodiodo é muito alta. Por isso costuma-se dizer que ele se comporta comouma chave aberta quando está polarizado reversamente.

3.15 CORRENTE REVERSA

Teoricamente, um diodo polarizado reversamente se comporta comouma chave aberta, mas na prática circulará pelo diodo uma pequenacorrente reversa devido aos portadores minoritários produzidostermicamente. A intensidade desta corrente reversa depende datemperatura e não da tensão aplicada. O datasheet de um diodo 1N4001informa que a sua corrente reversa, a uma temperatura de 25ºC étipicamente de 50pA, e a 100ºC é de 1.0µA. Veja como a corrente reversaaumenta com o aumento de temperatura. Esta corrente reversa é muita dasvezes inconveniente e pode prejudicar o bom funcionamento do circuito.Isso responde porque certos equipamentos eletrônicos precisam de salasclimatizadas, equipadas com ar condicionado para funcionar.

Um dos motivos do uso em grande escala do Silício na confecção de componentes eletrônicos é que a corrente reversa nos componentes fabricados com Silício é menor do que nos fabricados com Germânio, ou seja, o Silício e menos sensível à temperatura .

Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa,que é a corrente de fuga superficial. Devido a impurezas (por exemplopoeiras) localizadas na superfície do cristal, um trajeto ôhmico pode ser criado viabilizando a circulação desta corrente reversa pela superfície docristal. Esta componente depende da tensão reversa aplicada ao diodo.Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos

portadores minoritários, que depende da temperatura e a corrente de fugasuperficial, que depende da tensão reversa aplicada aos terminais do diodo.

Não se preocupe, por hora, com a corrente reversa, normalmente elaé tão pequena que na maioria dos casos é desprezada.

3.16 TENSÃO DE RUPTURA

Temos de ter cuidado quando vamos polarizar um diodoreversamente, pois existe um valor de tensão máxima que cada diodosuporta estando polarizado desta forma, que é a tensão de ruptura. Se atensão reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura omesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipação decalor. Por exemplo, um 1N4001 suporta no máximo 50V quando polarizadoreversamente.

O motivo desta condução destrutiva na ruptura é um efeito conhecidocomo avalanche. quando o diodo está polarizado reversamente circula por

ele uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritários.Um aumento na tensão reversa pode acelerar estes portadores minoritáriospodendo causar o choque destes com os átomos do cristal. Estes choquespodem desalojar elétrons de valência enviando-os para a banda decondução, somando-se aos portadores minoritários, aumentando ainda

mais o número de elétrons livres e, conseqüentemente, de choques. oprocesso continua até ocorrer uma avalanche de elétrons (alta correnteelétrica), que causará a destruição do diodo.

EXERCÍCIOS:

1) O que é uma ligação covalente?2) Qual a carga elétrica de um elétron?3) O que é necessário para que um eletrôn se trone livre?4) O que caracteriza um material semicondutor?5) Porque o Silício normalmente é chamado de cristal?

6) O diferencia um material condutor de um semicondutor do ponto devista da condutividade?

7) O que é dopagem? Qual a sua finalidade?8) Explique como é obtido um diodo de junção.9) Defina camada de depleção e barreira de poten cial.10) O que ocorre com a camada de depleção quando um diodo é

polarizado diretamente ou reversamente?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 4: Transformador 9

GRÁFICO DO DIODO

TRANSFORMADOR

O transformador é formado por um núcleo de ferro, onde sãoenrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios decobre. Sua principal função é aumentar ou abaixar uma tensão aplicada emseu enrolamento primário.

O princípio de funcionamento do transformador é baseado num

fenômeno conhecido como indução eletromagnética. Quandomovimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece emseus extremos uma DDP, que é chamada de tensão induzida. O mesmoirá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos ocampo magnético. É necessário, portanto, que haja um movimento relativoentre o campo magnético e o condutor para que apareça nos extremos deleuma tensão induzida.

Sabe-se que quando a corrente elétrica passa por um condutor seestabelece em torno do condutor um campo magnético, cuja intensidadedepende da quantidade de elétrons que estejam passando por segundo nocondutor (intensidade de corrente elétrica). A figura a seguir mostra umcondutor percorrido por uma corrente elétrica e o campo magnético emtorno do condutor, representado pelas linhas de forças.

Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, aintensidade do campo magnético também varia. Como o condutor estásubmetido ao campo, aparecerá em seus terminais uma tensão induzida.Este é o princípio de funcionamento do transformador: Uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular por ele uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável,que se estabelecerá no núcleo do transformador. Como o enrolamento secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida aparecerá em seus extremos devido ao campo magnético variável ao qual está submetido . Observe que não existe contato elétrico entre os

enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos éapenas magnética.

Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, nãoaparecerá tensão alguma no secundário do transformador. Isso aconteceporque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante noenrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético

constante no núcleo. Isso significa que não haverá movimento relativo entreo campo magnético e o condutor, não havendo tensão induzida.

4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR

Vpri = Tensão no enrolamento primário (eficaz ou de pico).Vsec = Tensão no enrolamento secundário (eficaz ou de pico).N1 = Número de espiras no primário.N2 = Número de espiras no secundário.

A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tensão é a relação existente entre o número de espiras nosenrolamentos primário e secundário. Se o número de espiras do

enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamentoprimário, o transformador será elevador de tensão; se for menor seráabaixador de tensão. A fórmula a seguir nos permite calcular a tensão noenrolamento secundário, sendo conhecida a tensão no primário e a relaçãode espiras.

Ex.:Qual a tensão no enrolamento secundário do transformador a seguir?

Observe que N1=10 e N2=1. Isto não significa que o enrolamentoprimário possui dez espiras e o secundário uma espira. Para cada dezespiras no primário, existe uma no secundário, ou seja, se o enrolamentoprimário tiver mil espiras, o secundário terá cem espiras. Como foi usado ovalor eficaz de tensão no primário, a tensão calculada no secundário seráeficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tensão no primário, o valor calculado no secundário seria de pico, não esqueça disto.

Uma outra observação importante sobre o transformador é que omesmo não altera a forma da onda nem a freqüência da tensão aplicada noenrolamento primário. O transformador altera apenas o nível de tensão,elevando ou abaixando a tensão aplicada no enrolamento primário. No

exemplo acima a tensão aplicada no primário é senoidal, tendo a mesmaforma de onda e freqüência que a tensão no secundário.

EXERCÍCIOS




Capítulo 4: Transformador Wagner da Silva Zanco10

1) Qual a tensão eficaz que aparecerá no enrolamento secundário de umtransformador que possui uma relação de espiras de 20:4 e uma tensão de250Vef em seu enrolamento primário?

2) Qual a tensão de pico no secundário do trafo a seguir?

3) Se a tensão medida no secundário de um transformador é 30Vef e a suarelação de espiras é 15:3, Qual a tensão aplicada no seu enrolamentoprimário?

4) Se um transformador tem 2000 espiras no seu enrolamento primário e asua relação de espiras é 5:2, quantas espiras possui seu enrolamentosecundário?

5) O que define se o transformador é elevador ou abaixador de tensão?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 5: Fontes de Tensão 11

GRÁFICO DO DIODO

FONTES DE TENSÃO

5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA

A polaridade da tensão nos terminais de fonte de tensão contínua nãose altera nunca, o terminal positivo é sempre positivo e o negativo é semprenegativo. A fonte de tensão contínua mantém constante a DDP entre osseus terminais. Como exemplos de fontes de tensão contínua podemos citar a pilha de controle remoto, bateria de automóvel, bateria de celular etc.Vemos a seguir o gráfico da tensão versus tempo de uma fonte de tensãocontínua. Observe que a tensão se mantém constante ao longo do tempo.

5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA

A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora umterminal é positivo, ora negativo. A DDP entre os terminais da fonte detensão alternada varia a todo instante. Uma tensão alternada pode ter várias formas, a que nos interessa no momento é a tensão alternadasenoidal. Veja a seguir como a tensão alternada senoidal varia com otempo.

O termo senoidal deriva do fato do gráfico da tensão alternadasenoidal ser idêntico ao gráfico da função seno. As tomadas de luz, ondenós ligamos a televisão, geladeira e eletrodomésticos em nossa casa, sãoexemplos de fontes de tensão alternada senoidal.

5.3 CICLO

Ciclo de uma tensão alternada senoidal é a seqüência de valoresonde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo é compostopor dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a

tensão sai de zero, sobe até o valor máximo (VP), onde a partir do qualcomeça a diminuir até chegar novamente a zero. Quando a tensão entra nosemiciclo negativo (começa aumentar negativamente), ocorre uma mudançade polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora énegativo. A tensão aumenta até chegar ao máximo negativo (-VP), quando

começa, então, a diminuir até chegar a zero, a partir do qual começa umnovo ciclo.

5.4 PERÍODO (T)

É o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade é o segundo.

5.5 FREQUÊNCIA ( ƒ )

É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. É o inverso do período,e sua unidade é o Hertz (Hz).

A tensão na tomada de luz de nossa casa tem uma freqüência de 60Hz,ou seja, são gerados sessenta ciclos de tensão a cada segundo.

5.6 VALORES DA TENSÃO AL TERNADA SENOIDAL

Existem várias formas de se representar numericamente uma tensãoalternada senoidal. Estes são:

- Valor de pico- Valor de pico a pico- Valor eficaz

Valor de pico (VP) → É o valor máximo atingido pela senoide A tensãoatinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo.

Valor de pico a pico (VPP) → É o dobro do valor de pico. É a faixa de

tensão entre o pico positivo e o pico negativo.

VPP = 2 . VP

Valor eficaz (Vef) → É o valor que a tensão alternada deveria ter se fossecontínua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamosuma fonte de tensão alternada aos terminais de um resistor durante umminuto, levando o mesmo se aquecer a 100ºC. O valor de tensão contínuaaplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que omesmo se aqueça com a mesma temperatura, é o valor eficaz desta tensãoalternada.

EXEMPLOS

A) Qual o período de uma tensão alternada senoidal com uma freqüênciade 60Hz?

B) Quais os valores de pico a pico e eficaz de uma tensão alternadasenoidal que tem um valor de pico de 180V?




Capítulo 5: Fontes de Tensão Wagner da Silva Zanco12

EXERCÍCIOS

1) Se uma tensão 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 tensão alternada senoidal um valor de pico a pico de 250V,calcule:a)Vef?b)Vp?

4) Qual a freqüência da tensão alternada abaixo?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 6: Fonte de Alimentação 13

GRÁFICO DO DIODO

FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)

A maioria dos equipamentos eletrônicos são alimentados com tensãocontínua, normalmente de 3V a 30V. Ocorre que a tensão disponível nastomadas de luz de nossas casas são 110V ou 220V alternada, dependendoda localidade. Para transformar a tensão alternada disponível na tomada deluz em tensão contínua, temos que utilizar um circuito normalmente

conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte dealimentação. Veja a seguir o diagrama em blocos de um conversor CA-CC.

1 - Transformador : Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nastomadas de luz (110V/220V) para níveis compatíveis com os equipamentoseletrônicos.

2 - Retificador : Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC)pulsante.

3 - Filtro: Converte a tensão CC pulsante vinda do retificador em contínuaCC com ondulação.

4 - Estabilizador : Tem a função de transformar a tensão CC comondulação em Tensão CC pura, que é a tensão utilizada pelosequipamentos eletrônicos.

6.1 TRANSFORMADOR

Na maior parte das fontes de alimentação, o transformador abaixa onível da tensão de entrada para valores eficazes na faixa de 5Vef a 30Vef.Pode ser que você veja transformadores em fontes com tensão no

secundário diferente da faixa citada aqui, só o tempo vai dizer.

6.2 RETIFICADOR

Como já foi dito, o retificador converte tensão alternada em tensãocontínua pulsante. Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ouem ponte. O dispositivo utilizado nos retificadores é o diodo devido a suacaracterística de conduzir a corrente elétrica em um sentido apenas.

6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA

O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclosda tensão de entrada é aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou onegativo, dependendo da posição do diodo. veja a seguir um circuitoretificador de meia onda.

Nós sabemos que a fonte de tensão alternada não tem polaridadedefinida, ou seja, um terminal ora é positivo ora é negativo. Vamosconvencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonteseja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura aseguir.

Observe que, com esta polaridade da fonte de tensão, o diodo ficapolarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte está mais próximodo anodo. Neste caso o diodo se comportando como uma chave fechada(diodo ideal). Com o diodo em condução, os terminais da fonte ficam ligadosdiretamente aos terminais do resistor de carga (RL). Isto significa que atensão nos terminais do resistor será a mesma da fonte, isto é, o semiciclopositivo da tensão da fonte aparecerá nos terminais do resistor de carga,como mostra a figura a seguir.

Quando o semiciclo positivo termina, a tensão da fonte entra nosemiciclo negativo. Isto provoca uma inversão na polaridade da fonte, isto é,o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo, comomostra a figura a seguir.

Esta inversão na polaridade da fonte faz com que o diodo sejapolarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como umachave aberta. Como o diodo está aberto, não tem corrente circulando peloresistor. Isto faz com que a tensão em seus terminais seja nula durante todoo semiciclo negativo. O que o diodo fez na verdade foi deixar passar para oresistor de carga apenas o semiciclo positivo da tensão da fonte,bloqueando o semiciclo negativo.

Resumindo:

Quando a tensão da fonte entra no semiciclo positivo o diodo conduz(chave fechada) fazendo com que todo o semiciclo positivo da tensão deentrada apareça nos terminais do resistor de carga. Durante o semiciclonegativo o diodo não conduz (chave aberta) impedindo que o semiciclo




Capítulo 6: Fonte de Alimentação Wagner da Silva Zanco14

negativo chegue aos terminais do resistor de carga. A tensão nos terminaisdo resistor de carga é chamada de contínua pulsante. Contínua porquemantém sempre a mesma polaridade, e pulsante porque só aparece noresistor de carga os semiciclos positivos da tensão da fonte. Vemos a seguir os gráficos das tensões da fonte, resistor e diodo respectivamente. Observeque o semiciclo positivo da tensão de entrada aparece no resistor de cargae o semiciclo negativo da tensão aparece em cima do diodo.

6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc)

Os gráficos acima podem ser visualizados com um osciloscópio, mascomo nem sempre temos um osciloscópio à mão, temos que usar outrorecurso para medir a tensão nos terminais do resistor de carga. Se umvoltímetro CC for ligado nos terminais do resistor de carga , ele vai medir atensão média, que nada mais é do que a média dos valores instantâneos detensão em cada ciclo. A fórmula a seguir pode ser usada para medir atensão média na carga.

Vcc = Vp / π

Vcc = Tensão médiaVp = Tensão de pico

π = pi

6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA

Como o resistor de carga é um componente ôhmico (que obedece alei de Ohm), o gráfico da corrente será idêntico ao da tensão. Em outraspalavras, isto significa que a corrente no resistor de carga está em fase coma tensão em cima dele.

6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc)

Se for ligado um amperímetro CC em série com o resistor de carga,ele vai medir a corrente média na carga. Icc pode ser calculada dividindo atensão média no resistor de carga pela sua resistência. Como o diodo estáem série com o resistor de carga, a corrente que passa pelo resistor decarga passa também pelo diodo. Caso este circuito seja montado naprática, Icc servirá como referência para especificação do diodo, ou seja, acorrente que o diodo suporta deverá ser maior que Icc. Normalmente Iccaparece nas folhas de dados como Io.

EXEMPLOS




6.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)

Quando a tensão de entrada está no semiciclo negativo o diodo estábloqueado, e isso faz com que todo o semiciclo negativo da tensão deentrada apareça em cima do diodo, como mostra o exemplo acima. Quandoa tensão da fonte atinge o valor de pico negativo (-Vp), o mesmo acontece

com a tensão em cima do diodo. Esta tensão é chamada de tensão de picoinversa, que pode ser definida como a máxima tensão reversa no diodo emfuncionamento. Nós sabemos que todo diodo suporta um valor máximo detensão reversa, chamada de tensão de ruptura. A tensão de rupturasuportada pelo diodo tem que ser maior que a tensão de pico inversa. Odiodo 1N914 pode ser usado no circuito acima, pois o mesmo tem umatensão de ruptura de 75V, muito maior que os 20V de tensão de picoinversa que ele terá sobre ele no circuito em funcionamento.

O diodo 1N914 poderia ser usado neste circuito, pois a correntemédia que irá passar por ele no circuito em funcionamento é de 5,4mA,sendo que ele suporta 200mA. Uma boa regra para dimensionamento dodiodo é usar uma margem de 30%, ou seja, faça com que o valor Icc emfuncionamento seja 70% do valor nominal de corrente do doido. Neste caso:

O diodo a ser escolhido deve suportar uma corrente de no mínimo7,71mA. Deste modo, qualquer diodo que suporte uma corrente direta maior que 7,71mA pode ser usado, como o 1N914 suporta 200mA, ele vaifuncionar perfeitamente.

Esta regra dos 30% de margem de segurança é apenas umaorientação, uma vez que existem projetistas que utilizam uma margem de50%, outros até de 100%. Uma ciosa é certa, quanto maior a margemsegurança utilizada menor a probabilidade do componente apresentar defeito. Não esqueça, porém de que margens maiores resultam emcomponentes mais caros. Quem trabalha com projetos sabe que emprimeiro lugar temos de zelar pela eficácia do projeto, depois pelo custo.Talvez R$0,10 possa não fazer diferença na compra de um componente,mas imagine uma produção de 10.000 peças. Neste caso a diferença é de

R$1.000,00. Ao longo do nosso curso nós usaremos a margem de 30%,por se mostrar uma boa opção na relação eficácia versus custo. Vamos usar a mesma margem de 30% de segurança para o

dimensionamento do diodo quanto a tensão de ruptura, ou seja, uma vezcalculada a tensão de pico inversa, faça com este valor (Vpi) seja 70% dovalor da tensão de ruptura do diodo. No exemplo acima, a tensão de picoinversa no diodo será igual a tensão de pico no secundário dotransformador

Vpi = Vp(sec) = 16,97V

16,97 = 70%X = 100%

X = 24,24V

Qualquer diodo com uma tensão de ruptura maior que 24,24V podeser usado no circuito acima. Como o diodo 1N914 tem uma tensão deruptura de 75V, o mesmo pode ser usado sem problemas.

EXERCÍCIOS

1) dado o circuito abaixo, calcule:- considere o diodo ideala) Vcc = ?b) Icc = ?c) Vef (sec) = ?d) Vp(sec) = ?e) Gráficos Vr, Vd e I = ?

2) Faça o gráfico de tensão no resistor de carga?

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




4) Dado o circuito abaixo, calcule as especificações de corrente direta (Io) etensão de ruptura (Vr) para o diodo?- Considere o diodo real- Use a margem de segurança de 30%

5) Se no circuito acima o diodo entrar em curto permanente, como ficará ográfico de tensão no resistor de carga?




GRÁFICO DO DIODO

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL

O transformador com derivação central possui uma derivação nametade do enrolamento secundário fazendo com que o enrolamento

secundário seja divido em dois: enrolamento secundário superior eenrolamento secundário inferior.

Quando aplicamos uma tensão alternada no enrolamento primáriodo transformador (trafo), e a tensão no enrolamento secundário está emfase, as polaridades das tensões no primário e no secundário serão comomostradas na figura 1A quando a tensão de entrada estiver no semiciclopositivo.

Observe a derivação central. Para o enrolamento secundáriosuperior sua polaridade é negativa, mas para o enrolamento secundárioinferior sua polaridade é positiva durante o semiciclo positivo de tensão deentrada, como mostra a figura 1B.

No semiciclo negativo da tensão de entrada a polaridade da tensãose inverterá, ou seja, quem é positivo passa a ser negativo e vice-versa,como mostra a figura 1C.

Se medirmos a tensão em cada enrolamento secundário com umosciloscópio tomando como referência a derivação central, veremos a figura2A no semiciclo positivo, e a figura 2B no semiciclo negativo da tensão deentrada.

Vemos a seguir o diagrama de tempo completo das tensões nosenrolamentos secundário, secundário superior e secundário inferior.

V1 = tensão no enrolamento secundário superior

V2 = tensão no enrolamento secundário inferior

7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Vemos a seguir um retificador de onda completa. Observe que ocircuito aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada. Durante osemiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tensão doenrolamento superior apareça em cima do resistor de carga RL. Durante osemiciclo negativo da tensão de entrada D2 conduz fazendo com queapareça no resistor de carga toda a tensão do enrolamento inferior.





7.3 SEMICICLO POSITIVO

Observe na figura 3A as polaridades da tensão nos enrolamentossuperior e inferior. Como a polaridade positiva da tensão está mais próximado anodo de D1, ele fica polarizado diretamente durante todo o semiciclopositivo, comportando-se como uma chave fechada, como mostra a figura3B. Como D1 é um curto, a tensão do enrolamento superior é aplicadodiretamente aos terminais de RL com a polaridade mostrada. Isto significaque durante o semiciclo positivo de tensão de entrada aparece nosterminais da carga um semiciclo positivo.

Durante o semiciclo positivo D2 fica polarizado reversamente, demodo que não circula corrente no enrolamento inferior durante estesemiciclo de tensão de entrada.

7.4 SEMICICLO NEGATIVO

No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades dastensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo comque D1 fique polarizado reversamente e D2 diretamente, como mostra afigura 4A. Com D2 em condução, a tensão no enrolamento inferior aparecenos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igualà polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece umnovo semiciclo positivo em RL. Como D1 está polarizado reversamente,

não circula corrente no enrolamento superior durante o semiciclo negativode tensão de entrada.

A seguir vemos os gráficos das tensões no enrolamento secundário,nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos datensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamadode retificador de onda completa.

7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA

Uma observação importante a fazer sobre a tensão no resistor decarga é com relação a sua freqüência, que é o dobro da freqüência datensão de entrada. Observe na figura 5 que para cada ciclo de tensão deentrada aparece dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cadasemiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída.Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão nacarga será 120Hz.


Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Istosignifica que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor decarga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico datensão.

7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA

A figura 5 mostra a forma da tensão que veremos se colocarmos umosciloscópio em cima do resistor de carga, que é uma tensão contínuapulsante. Se ao invés de um osciloscópio, colocarmos um voltímetro CC emparalelo com o resistor de carga, como mostra a figura a seguir, mediremosa tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, massem alteração, ou seja, funciona da mesma forma.




A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no

retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão médiano retificador de onda completa é o dobro da tensão média noretificador de meia onda. É simples chegar a esta conclusão visto que oretificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão deentrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.

7.8 CORRENTE MÉDIA

Se um amperímetro CC for colocado em série com a carga ele irámedir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.

A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média nacarga (Icc).

Como cada diodo fornece corrente para a carga durante umsemiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que acorrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga,como mostra a fórmula a seguir.

Ao projetar um retificador de onda completa, a corrente direta quecada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30%de tolerância poder ser usada como referência, embora possamos usar umvalor de tolerância maior, nunca menor.

7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA

Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador deonda completa durante o semiciclo positivo da tensão de entrada. Observeque D1 está polarizado diretamente e D2 polarizado reversamente. Ocircuito foi redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é umachave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamentosecundário aparece nos terminais de D2.

Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou depico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja,VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversaem D2 é o valor de pico da tensão no secundário.

VPI = Vp(sec)

VPI = tensão de pico inversaVp(sec)= tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário

O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo datensão de entrada. Veja agora que D1 está polarizado reversamente e D2polarizado diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge ovalor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodo D1. Portanto, afórmula acima é válida para os dois diodos.

Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideraçãoo diodo como sendo ideal. Veja a seguir as mesmas fórmulas levando emconsideração o diodo como sendo real.

VP(res) = (Vp(sec) /2) – 0,7

Vcc = (2 . VP(res) ) / π

Icc = Vcc / RL

Ip(res) = VP(res) / RL

VPI = Vp(sec) - 0,7

No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diododeve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância podeser usada sem problemas.




EXERCÍCIOS

1) Dado o circuito abaixo, calcule:Obs – diodo ideal

a) Tesão média na carga (Vcc)?b) Corrente média na carga (Icc)?c) Tensão de pico inverso (VPI) ?d) Gráfico da tensão no resistor de carga?

2) Repita os calculas da questão nº 1 considerando o diodo real.

3) Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de ondacompleta com relação ao retificador de meia onda?

4) Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador?

5) Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser colocado no primário do transformador, usando a correntecalculada na questão anterior como base de cálculo?

6) Qual a forma de onda de tensão e da corrente na carga nocircuito a seguir?

7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 300mA eo trafo tem uma tensão no secundário de 12V, especifique os valoresnominais mínimos de corrente direta e de tensão de pico inversa para cadadiodo, utilizando a regra dos 30% de tolerância?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte 21

GRÁFICO DO DIODO

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM

PONTE

O retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e nãonecessita de transformador com derivação central. Como o circuito é umretificador de onda completa, os dois ciclos de tensão de entrada sãoaproveitados. Uma vantagem do retificador em ponte com relação ao

retificador de onda completa com dois diodos é que no primeiro toda atensão do enrolamento secundário é aproveitada, enquanto que, no outro,apenas a metade da tensão no secundário chega aos terminais da carga. Afigura a seguir mostra um retificador em ponte.

8.1 SEMICICLO POSITIVO

Observe na figura 2a a polaridade da tensão no enrolamentosecundário. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima doanodo de D1 e a polaridade negativa mais próxima do catodo de D3, ambosestão polarizados diretamente. Observe ainda na fig 2a que a polaridadepositiva da tensão no enrolamento secundário está mais próxima do catodode D4 e a polaridade negativa está mais próxima do anodo de D2, fazendocom que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. A fig 2bmostra o circuito com os diodos representados como chaves(diodo ideal).Veja que D1 e D3 estão fechados(polarização direta) e D2 e D4 estãoabertos(polarização reversa). A condução de D1 e D3 faz com que osterminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais doenrolamento secundário, fazendo com que todo o semiciclo positivo detensão no secundário seja aplicado aos terminais do resistor de carga coma polaridade mostrada.

8.2 SEMICICLO NEGATIVO

No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades dastensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo comque D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente,como mostra a figura 3a. Com D2 e D4 em condução, toda a tensão doenrolamento secundário aparece nos terminais da carga. Observe que apolaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante osemiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL.

A seguir vemos os gráficos das tensões no nrolamento secundário,nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da

tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamadode retificador de onda completa.

8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA

Observe na figura 4 que para cada ciclo de tensão de entradaaparecem dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cadasemiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída.Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão nacarga será 120Hz, ou seja, a freqüência no resistor de carga é o dobro dafreqüência da tensão de entrada.


Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Istosignifica que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor decarga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico datensão.

8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA

Se um voltímetro CC for ligado em paralelo com o resistor de cargacomo mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc).Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração no circuito, ouseja, funciona da mesma forma.




Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte Wagner da Silva Zanco22

A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no

retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão médiano retificador de onda completa é o dobro da tensão média noretificador de meia onda. É simples chegar a esta conclusão, visto que oretificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão deentrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.

8.6 CORRENTE MÉDIA

Se um amperímetro CC for ligado em série com a carga ele irá medir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.

A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média nacarga (Icc).

Como cada diodo fornece corrente para a carga durante umsemiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que acorrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga,como mostra a fórmula a seguir.

Se você for projetar um retificador de onda completa, a correntedireta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). Aregra dos 30% de tolerância poder ser usada como referência, embora vocêpossa usar um valor de tolerância maior, nunca menor.


Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador emponte durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, D1e D3 estãopolarizados diretamente e D2 e D4 polarizados reversamente. O circuito foi

redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechadae D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparecenos terminais de D2. O mesmo raciocínio podemos usar para D3 e D4.

Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou depico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja,VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversaem D2 é o valor de pico da tensão no secundário. O mesmo ocorre com D4,ou seja, VD4 = Vp(sec) quando a tensão no secundário chega ao valor máximo.

VPI = Vp(sec)

VPI = tensão de pico inversa

Vp(sec)= tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundárioO mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da

tensão de entrada. Veja que agora D1e D3 estão polarizados reversamentee D2 e D4 polarizados diretamente. Quando a tensão no secundário do trafoatinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodos D1 e D3.Portanto, a fórmula acima é válida para os quatro diodos.

Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideraçãoo diodo como sendo ideal, veja a seguir as mesmas fórmulas levando emconsideração o diodo como sendo real.

VP(res) = Vp(sec) – 1,4V

Vcc = (2 . VP(res) ) / π

Icc = Vcc / RL

Ip(res) = VP(res) / RL

VPI = Vp(sec) - 0,7

No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diododeve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância podeser usada sem problemas.

8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS

Os retificadores em ponte São tão comuns que os fabricanteslançaram vários modelos de retificadores em ponte montados em umencapsulamento de plástico selado. Veja a seguir algumas formas depontes retificadoras encontradas no mercado. Cada diodo que compõe aponte possui uma corrente direta máxima e uma tensão que pico inversamáxima que é especificado pelo fabricante quando a ponte é fabricada. Por exemplo, a ponte retificadora 3N246, fabricada pela Fairchild, suporta umacorrente direta máxima de 1,5A e uma tensão de pico inversa de 50V. Estes

parâmetros são válidos para cada diodo que faz parte da ponte.



Wagner da Silva Zanco Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte 23

EXERCÍCIOS

1) Dado o circuito abaixo, calcule:Obs – diodo ideal

a) Tesão média na carga (Vcc)?b) Corrente média na carga (Icc)?c) Tensão de pico inverso (VPI) ?d) Gráfico da tensão no resistor de carga?

2) Repita os cálculos da questão nº 1 considerando o diodo real.

3) Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de ondacompleta em ponte com relação ao retificador de ondacompleta com trafo com derivação central ?

4) Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador no circuito da questão 1?

5) Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser

colocado no primário do transformador, usando a correntecalculada na questão anterior como base de cálculo?

6) Qual a forma de onda de tensão e corrente na carga no circuitoa seguir?

7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 200mAe se o trafo tem uma tensão no secundário de 15Vrms,especifique os valores nominais mínimos de corrente direta ede tensão de pico inversa para cada diodo, utilizando a regrados 30% de tolerância?

8) Qual a freqüência da tensão na carga ligada na saída de umretificador em ponte se a freqüência da tensão de entrada é de100Hz?



Capítulo 9: Filtro Capacitivo Wagner da Silva Zanco24

GRÁFICO DO DIODO

FILTRO CAPACITIVO

9.1 CAPACITOR

O capacitor é um dispositivo elétrico constituído de duas placascondutoras separadas por um material isolante, normalmente chamado dedielétrico. A principal característica de um capacitor é a de armazenar

cargas elétricas. Esta característica está associada a sua capacitância,que é a capacidade que tem o capacitor em armazenar cargas elétricas.Quanto maior a capacitância do capacitor, maior a sua capacidade emarmazenar cargas elétricas. A unidade de cacitância é o Farad (F).

9.2 SÍMBOLOS

9.3 TIPOS DE CAPACITORES

Os capacitores comerciais são denominados de acordo com o seudielétrico. Os capacitores mais comuns são os de ar, mica, papel, cerâmica,poliester e eletrolítico. O capacitor utilizado em fontes de alimentação comofiltro capacitivo é o eletrolítico. O capacitor eletrolítico possui polaridade, ouseja, ele só pode se carregar num único sentido. A polaridade vem impressaem seu corpo. Na figura a seguir vemos o símbolo de um capacitor eletrolítico de 220µF. Observe as polaridades. Isto significa que o capacitor só pode se carregar com a polaridade mostrada, ou seja, a placa superior só pode se carregar com cargas positivas e a placa inferior com cargasnegativas.

9.4 CARGA E DESCARGA

Na figura a seguir temos um circuito que podemos usar parademonstrar o funcionamento do capacitor. Suponha que o capacitor estejacompletamente descarregado e a chave esteja posicionada na posição 0.Como o capacitor está descarregado, a DDP em seus terminais é zero.

Quando a chave é colocada na posição A, os terminais do capacitor ficarão ligados diretamente aos terminais da fonte, fazendo com que omesmo se carregue com a tensão da fonte e com a mesma polaridade,como mostra a fig 2.

O tempo que o capacitor leva para atingir a tensão da fonte durantea carga pode ser aumentado se um resistor for colocado em série com ocapacitor. Como não tem resistor em série com o capacitor durante a carga,o mesmo se carrega com a tensão da fonte imediatamente após chave ser colocada na posição A.

Se após o capacitor estar carregado com a tensão da fonte a chavefor colocada novamente na posição 0, o capacitor irá manter-se carregadopor tempo indeterminado, como mostra a fig 3.

Se a chave agora for colocada na posição B, como mostra a Fig 4, ocapacitor ira se descarregar em cima do resistor. No instante em que ocircuito de descarga for fechado, os elétrons em excesso na placa inferior irão fluir para a placa superior com o objetivo de restabelecer o equilíbrio, ouseja, as duas placas voltarem a estar neutras. Este fluxo de elétrons échamado de corrente de descarga(ID). Quando todos os elétrons emexcesso na placa inferior voltarem para a placa de origem(superior) a

corrente de descarga cessará, o que significa que o capacitor estarádescarregado, ou seja, não haverá mais DDP entres as placas do capacitor.

Observe que enquanto o capacitor está se descarregando elefunciona como se fosse uma fonte de tensão temporária, fornecendocorrente ao resistor. Esta é uma idéia importante de se fixar porque ela seráusada quando formos estudar fonte de tensão com filtro capacitivo.

Assim como na carga, o tempo de descarga pode ser alterado se oresistor for substituído por outro de valor diferente. Quanto maior o valor doresistor de descarga, maior o tempo que o capacitor leva para sedescarregar.




Wagner da Silva Zanco Capítulo 9: Filtro Capacitivo 25

Veja a seguir o gráfico de tempo de descarga do capacitor. Este éum gráfico da tensão nos terminais do capacitor em função do tempo. Apóscinco constantes de tempo (T = 5.R.C), o capacitor estará com 0,7% datensão inicial que é 10V. Este valor de tensão é tão próximo de zero quenormalmente, para efeito prático, nós consideramos o capacitor descarregado após cinco constantes de tempo.

9.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA

Quando um capacitor é projetado o fabricante especifica um valor máximo de tensão que o mesmo pode ter em seus terminais. Esta tensão échamada de rigidez dielétrica. Se o capacitor se carrega com uma tensãoacima do valor especificado pelo fabricante, o capacitor se danifica. Por

exemplo, um capacitor de 220µF/25V não pode ter em seus terminais umatensão maior que 25V. Caso você vá usar este capacitor em algum circuito,certifique-se de que sob quaisquer condições de funcionamento, ele não iráse carregar com uma tensão maior que 25V.

9.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE

Toda vez que tivermos duas fontes de tensão ligadas em série naforma como está mostrado na Fig 6a, ou seja, o pólo positivo ligado aonegativo e vice versa, a tensão equivalente entre os pontos A e B será asoma das tensões de cada fonte. Neste caso dizemos que as fontes tem amesma polaridade. Por outro lado, se as fontes estiverem ligadas em sériee com polaridades opostas, ou seja, pólo positivo ligado com o pólo positivoou vice-versa, como mostra a Fig 6b, a tensão equivalente entre os pontosA e B será a diferença entre as tensões de cada fonte, prevalecendo apolaridade da fonte maior.

9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO

Nos podemos transformar a tensão contínua pulsante presente nasaída de um retificador numa tensão contínua com ondulação secolocarmos um capacitor em paralelo com a carga, como mostram asfiguras a seguir.

Sem o capacitor

Com o capacitor

9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR

A ondulação que observamos na tensão de saída com o capacitor no circuito existe porque o capacitor fica se carregando e descarregando

durante cada ciclo de tensão de entrada. Vamos analisar nesta seção comoisto acontece.

No primeiro semiciclo positivo de tensão no secundário, o diodoconduz e liga os terminais do capacitor diretamente aos extremos doenrolamento secundário. Durante a primeira metade do semiciclo positivo, atensão no secundário vai aumentando até atingir o pico positivo,acontecendo o mesmo com a tensão no capacitor. A figura a seguir mostrao capacitor carregado. Observe que a tensão no capacitor tem a mesmapolaridade da tensão no secundário. Se o diodo for considerado ideal,quando a tensão no secundário atingir o pico positivo, a tensão no capacitor também será igual à Vp.

Logo depois que a tensão no secundário atinge o valor de pico elacomeça a diminuir, e o diodo então para de conduzir. Porque?

Observe que a tensão que chega nos terminais do diodo é adiferença entre as tensões no secundário do transformador e no capacitor,devidos as suas polaridades. Quando a tensão no secundário começa adiminuir após o pico positivo, a tensão no capacitor se torna ligeiramentemaior que a tensão no secundário porque a tensão no mesmo não diminuina mesma velocidade. Isto que faz com que prevaleça a polaridade datensão no capacitor, o que polariza o diodo reversamente, como mostra afigura a seguir.

Com o diodo polarizado reversamente, o capacitor começa a sedescarregar em cima do resistor de carga, o que faz com que a tensão emseus terminais comece a diminuir, como mostra a figura a seguir.




Quando a tensão de entrada entra no semiciclo negativo, apolaridade da tensão no secundário se inverte, fazendo com que o diodofique mais reversamente polarizado, visto que a tensão em seus terminaisagora é a soma das tensões do secundário e no capacitor. Quando atensão no secundário atinge o pico negativo, o diodo terá em seusterminais aproximadamente 2.Vp(sec)(duas vezes a tensão de pico nosecundário). Esta é a máxima tensão que o diodo terá em seusterminais quando polarizado reversamente.

No próximo semiciclo positivo, a polaridade da tensão no secundáriodo transformador volta a inverter. Agora temos a tensão no secundário dotransformador aumentando, e a tensão no capacitor diminuindo devido àdescarga. Chegará um momento que a tensão no secundário dotransformador irá ultrapassar a tensão no capacitor. Isso fará com que odiodo volte a conduzir, ligando os terminais do capacitor aos extremos doenrolamento secundário, fazendo com que o capacitor torne a se carregar até atingir o valor de pico. Quando a tensão no secundário do transformador ultrapassa o pico positivo, o diodo abre novamente e o capacitor volta a sedescarregar em cima do resistor de carga, dando início a um ciclo de cargae descarga até que o circuito seja desligado.

Para que o circuito funcione corretamente da forma como foidescrita, a constante de tempo(T= RL.C) deve ser pelo menos dezvezes maior que o período da tensão de entrada. Isto garante que otempo de descarga seja muito maior que o tempo de carga, condiçãoque deve ser satisfeita para que o diodo pare de conduzir logo após opico positivo.

É importante observar que o diodo só conduz durante uma parte dosemiciclo positivo, período em que o capacitor recupera sua carga. Quantomaior o resistor de carga menor a ondulação da tensão na carga. Uma outraforma de reduzir a ondulação é usarmos um retificador de onda completa aoinvés de um retificador de meia onda, como mostra a figura a seguir.

Observe que no retificador de onda completa a ondulação é bem

menor. Os dois semiciclos são aproveitados e, em conseqüência disto, ocapacitor se descarrega durante um intervalo de tempo duas vezes menor,o que significa que a ondulação é duas vezes menor. A seguir vemos afórmula para calcular a tensão de ondulação de pico a pico( Vpp(ond)) nocapacitor de filtro.

A freqüência de ondulação é igual à freqüência de entrada se oretificador for de meia onda, e o dobro da freqüência de entrada se for deonda completa. O gráfico a seguir mostra a tensão ondulada na carga comtodas as indicações importantes.

O tempo de carga(TC) é o tempo durante o qual o diodo se mantémem condução, fazendo com que o capacitor recupere sua carga. O tempode descarga(TD) é o tempo em que o diodo se mantém aberto, fazendocom que o capacitor se descarregue em cima do resistor de carga. Aondulação de pico a pico é a diferença entre a tensão máxima(Vp(res)) e atensão mínima(Vmin) na carga. Num projeto prático esta ondulação deveficar abaixo dos 10% do valor máximo de tensão na carga(Vp(res)). Por exemplo, se VP=15V, Vpp(ond) não deve ser maior que 1,5V.



Wagner da Silva Zanco Capítulo 9: Filtro Capacitivo 27

Exemplo:

Dado o circuito a seguir, calcule a ondulação de pico a pico nacarga?

Observe que a tensão de ondulação de pico a pico está abaixo de10% da tensão máxima na carga, isto significa que o capacitor foiespecificado corretamente. Veja a seguir o gráfico da tensão na carga.

9.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc )

O capacitor de filtro eleva o nível CC da tensão na carga. Quantomaior o resistor de carga menor a ondulação. As vezes nós consideramos atensão média na carga (Vcc) aproximadamente igual ao valor máximo detensão na carga(Vp(res)) quando o resistor de carga tem um valor muito alto.Porém, se desejarmos obter um valor mais preciso de Vcc podemos usar afórmula a seguir.

Vcc = Vp(res) – (Vpp(ond) / 2)

9.10 CORRENTE MÉDIA

Se um amperímetro CC for ligado em série com o resistor de cargaele irá medir a corrente média na carga (Icc). Para calcularmos Icc bastadividirmos Vcc por RL, como mostra a fórmula abaixo.

Icc = Vcc / RL

Icc = corrente média na cargaVcc = tensão média na cargaRL = resistor de carga

Se o retificador for de meia onda, a especificação de corrente dodiodo tem de ser maior que a corrente média na carga.

Icc(diodo) > Icc

Se o retificador for de onda completa, cada diodo só conduz duranteum semiciclo da tensão de entrada, isto significa que a especificação dodiodo tem que ser maior que a metade de Icc.

Icc(diodo) > Icc / 2

Para projeto, uma tolerância de no mínimo 30% deve ser utilizadapara a escolha do diodo, ou seja, o diodo deve suportar uma corrente diretade no mínimo 30% acima do valor de Icc se o retificador for de meia onda, ede no mínimo 30% acima de Icc/2 se o retificador for de onda completa.


Como já visto anteriormente, o diodo do retificador de meia ondacom filtro capacitivo tem uma tensão máxima reversa de 2Vp em seusterminais quando a tensão no secundário atinge o pico negativo. A figura aseguir ilustra o evento. Observe que o capacitor também tem em seusterminais Vp. A tensão que chega nos terminais do diodo é dada pelasomas das tensões no capacitor e no enrolamento secundário devido assuas polaridades, por isso aparece nos terminais do diodo 2Vp. Noretificador de meia onda o diodo deve suportar uma tensão reversa maior que 2Vp no secundário.

VPI = 2Vp(sec)

Nos retificadores de onda completa e em ponte a tensão reversamáxima que cada diodo tem em seus terminais ocorre quando a tensão nosecundário atinge os picos e é igual a Vp(sec). Nestes casos o capacitor nãoinfluencia na tensão de pico inversa como no retificador de meia onda.Neste caso:

VPI = Vp(sec)

EXERCÍCIOS

1) No circuito a seguir, após S1 ser fechada, quanto tempo ocapacitor leva para se descarregar?

2) Como é chamada a forma da tensão na carga de um retificador com filtro capacitivo?

3) O que é tensão de ondulação de pico a pico?




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

5) Se no circuito da fig 21 o retificador for substituído por um de meiaonda, calcule o novo valor da capacitância do capacitor?

6) Faça o gráfico da tensão de carga para o circuito da figura aseguir, incluindo os valores máximos e mínimos, e calcule o valor médio da tensão na carga?

7) O que é rigidez dielétrica?

8) Calcule as especificações de corrente direta e tensão de picoinversa para os diodos dos circuitos das questões nos4, 5 e 6?



Wagner da Silva Zanco Capítulo 10: Estabilização da Tensão 29

GRÁFICO DO DIODO

ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO

O diodo zener é um diodo de silício cuja estrutura interna foi alteradapara permitir que ele possa trabalhar na região de ruptura. Se um diodocomum atingir a região de ruptura ele se queima por excesso de dissipaçãode potência. O mesmo não acontece com um diodo zener. Vemos a seguir o símbolo de um diodo zener.

A figura a seguir mostra a curva característica de um típico diodozener. Veja que polarizado diretamente o diodo zener se comportaexatamente como um diodo comum.

Quando o diodo zener é polarizado reversamente ele funciona comouma chave aberta até que a tensão em seus terminais alcance o valor deruptura (Vz). Uma vez atingida a região de ruptura o zener conduznormalmente, e só se danifica se for ultrapassada a sua especificação depotência.

Num diodo zener a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguidode um aumento da corrente praticamente constante. Esta característica fazdo diodo zener um dispositivo fundamental para a estabilização da tensão.

Porém, para que o zener funcione como estabilizador de tensão énecessário que, além de operar na ruptura, a intensidade da corrente queestiver passando por ele (Iz) deva estar compreendida entre os valoresmáximo (Iz max) e mínimo (Iz min). Se a corrente no zener for menor que Izmin ele perde a capacidade de estabilizar a tensão. Por outro lado, se acorrente que passa por ele for maior que Iz max o zener irá se danificar por excesso de dissipação de calor.

10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA

A potência dissipada por um diodo zener é igual ao produto da tensãoem seus terminais pela corrente que estiver passando por ele. Em símbolos:

Pz = Vz x Iz

PZ = Potência dissipadaVz = Tensão zener Iz = Corrente zener

Desde que Pz seja menor que a sua especificação máxima depotência, o zener pode funcionar na região de ruptura sem ser destruído.

Existe no mercado zeners com tensões de ruptura que pode variar de2V a mais de 200V, com especificação de potência de 1/4 W a mais de50W. A tabela a seguir mostra alguns modelos de zeners encontrados nomercado, com as suas respectivas tensões de funcionamento e corrente

máxima reversa.

Zener Vz IzBZX79C5V1 5mA 5,1VBZV6DC12 50mA 12VBZW03C15 75mA 15V

O diodo zener é comumente chamado de regulador de tensão porquemantém a tensão em seus terminais constante mesmo que a corrente quepasse por ele varie, estando o mesmo funcionando na região de ruptura.

Como já dito anteriormente, o zener precisa que a corrente que passepor ele seja maior que Iz min para ele estabilizar a tensão em seusterminais. Caso Iz seja menor que Iz min o zener perde a capacidade deestabilização.

O circuito a seguir mostra como utilizar o zener como estabilizador detensão. Desde que VT seja maior que Vz e a corrente no zener seja maior que Iz min, o Zener manterá estabilizada a tensão em seus terminais.

Vo = Tensão estabilizada

Quando o zener entra na região de ruptura a sua impedância internaé quase zero. Por isso é que sempre veremos em série com o zener umresistor Rs que serve para limitar a corrente zener em níveis abaixo da suaespecificação máxima de corrente (Iz max). Além disso, para que o zener estabilize a tensão de saída, a tensão de entrada deve ser maior que Vz. Adiferença entre a tensão de entrada e a tensão Vz é absorvida por Rs. Afigura a seguir ilustra a idéia.

Se a tensão de entrada subir para 40V, a tensão nos terminais dozener permanece praticamente constante em 12V, enquanto a tensão emcima de Rs sobe para 28V, como mostra a figura a seguir.

Veja que a tensão em Rs é a diferença entre a tensão de entrada e atensão no zener.


Iz min → É a corrente mínima que deve passar pelo diodo zener,estando ele na região de ruptura, para manter o funcionamento comoestabilizador de tensão. Iz min é fornecida elo fabricante.



Capítulo 10: Estabilização da Tensão Wagner da Silva Zanco30

EXERCÍCIO:

1) Dado o circuito a seguir, e sabendo que a tensão de entrada varia entre20V e 40V, determine as correntes mínima e máxima que irão passar pelodiodo zener.

Colocando os valores calculados no gráfico do zener nós teremos:

Veja que a corrente no zener aumentou de 8mA para 28mA, porém, atensão em seus terminais permaneceu constante. Este é um dos motivospelo qual o diodo zener é amplamente utilizado como estabilizador detensão.

Um resistor de carga pode ser conectado aos terminais do zener dispondo da tensão constante fornecida pelo zener. A figura a seguir ilustraa idéia. Embora o circuito tenha duas malhas, a idéia permanece a mesma.

2) Calcule as correntes máxima e mínima no zener colocando um resistor

de carga de 2K nos terminais de saída no circuito do exercício nº 1.

10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER

A figura a seguir mostra um circuito que foi muito utilizado no passadopara fornecer tensão estabilizada. Veja que a tensão com ondulação

presente nos terminais do capacitor é estabilizada pelo conjunto Zener e Rs.

Para que circuito funcione corretamente é preciso que sejamobservadas todas as questões abordadas anteriormente neste capítulo.Principalmente com relação a tensão de ruptura e a corrente zener.

Com o tempo o zener foi substituído nas fontes de alimentaçãolineares por um circuito integrado chamado CI regulador . Uma dasvantagens da utilização de um CI regulador no lugar do zener é a potênciamáxima de saída, que pode ser muito maior com a utilização de um CIregulador do que com um diodo zener.

10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR

Existe no mercado uma série de CIs reguladores de tensão quepodem ser utilizados em conversores CA-CC como elemento deestabilização da tensão de saída. A figura a seguir mostra o CI regulador 7805 utilizado para fornecer uma tensão de saída estabilizada na saída dafonte de tensão de 5V. O capacitor de 100nF na saída do CI regulador épara eliminar pequenas variações de tensão na saída que por ventura não oCI regulador não consiga eliminar.

Os CIs reguladores mais utilizados são os das famílias 78XX e 79XX.Estes CIs reguladores são estabilizadores de tensão com limitação internade corrente e compensação de temperatura, e podem fornecer vários níveisde tensão de saída. A diferença entre eles é que os da família 78XXfornecem tensão de saída positiva, e os da família 79XX fornecem tensãode saída negativa. A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores dafamília 78XX, suas respectivas tensões de saída e corrente máxima detrabalho.

CI Tensão de Saída Corrente de Saída7805 5V 1A7806 6V 1A7808 8V 1A7809 9V 1A7812 12V 1A7815 15V 1A7818 18V 1A7824 24V 1A

A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da família 79XX,suas respectivas tensões de saída e corrente máxima de trabalho.

CI Tensão de Saída Corrente de Saída7905 -5V 1A

7906 -6V 1A7908 -8V 1A7909 -9V 1A7912 -12V 1A7915 -15V 1A7918 -18V 1A7924 -24V 1A

Um cuidado deve ser tomado no uso de CIs reguladores. A tensão deentrada dever ser de pelo menos 3V maior que a tensão de saída fornecidapelo componente. Por exemplo, se você for utilizar o CI 7805 na sua fontede alimentação, certifique-se de que na entrada dele não tenha menos de8V sob quaisquer condições de funcionamento. Ao especificar o valor docapacitor de filtro e os parâmetros do transformador, mantenha a tensãomínima de ondulação 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.




Vemos a seguir uma tabela com a função dos pinos dos CIsreguladores das famílias 78XX e 79XX.

78XX 79XXPino Função Pino Função

1 Entrada 1 Comum2 Comum 2 Entrada3 Saída 3 Saída

Exemplo 1:

Projeto de uma fonte estabilizada de 5 V/200mA com CI regulador 7805, para uma tensão de entrada de 127/220Vef.

Trafo:

A tensão no secundário do trafo deve ser escolhida de forma que atensão em cima do capacitor de filtro não caia abaixo de 8V sob quaisquer condições de funcionamento. 8V é a tensão mínima a ser aplicada no CIregulador 7805 para que ele não perca a capacidade de regulação datensão de saída.

Os valores de tensão eficaz no secundário dos transformadorescomerciais mais facilmente encontrados no mercado são: 3V, 6V, 9V, 12V,15V, 18V, 24V, e 30V. Na maioria das vezes os transformadores comerciaissão projetados para operar com tensões eficazes no primário de 127V e220V.

Vamos escolher, para este projeto, o trafo 127Vef/12Vef e 500mA decapacidade de corrente no secundário, uma vez que a corrente máxima que

esta fonte deverá fornecer é de 200mA, como especificação inicial. Nestecaso, a tensão de pico no secundário será 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 nãoprecisa de um trafo com derivação central. Neste caso, as tensões máximae mínima no capacitor de filtro serão de:

Vp(cap) = Vp(sec) – 1,4

Vp(cap) = 16,9 – 1,4 = 15,5V

Adotando uma ondulação de 10% de Vp(cap) para a tensão na entradado CI regulador, nós teremos:

Vond(pp) = 15,5 / 10

Vond(pp) = 1,55V

A tensão mínima nos terminais do capacitor e, conseqüentemente, doCI 7805, será de:

Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)

Vmin(cap) = 15,57 – 1,55 = 14,02V

Veja que a tensão mínima no capacitor é de 14,02V. Esta é a tensão

mínima que será aplicada na entrada do CI regulador. Muito maior do queos 8V mínimos necessários. O valor do capacitor será de:

C = Icc / (F(saída) x Vond(pp) )

C = 200m / (120 x 1,55)

C = 1075µF

O valor comercial mais próximo é 1000µF. Observe que este valor éum pouco menor que o calculado. Isto fará com que a ondulação sejalevemente superior a 10%, o que não provocará nenhum prejuízo para obom funcionamento do circuito.

O capacitor terá em seus terminais uma tensão máxima de 15,5V,quando a tensão no enrolamento secundário atingir os picos. Neste caso, a

rigidez dielétrica (RD(cap)) dele, utilizando uma tolerância de 30%, deverá ser de:

RD(cap) = (15,5 x 100) / 70

RD(cap) = 22,1V

Para que o capacitor funcione corretamente ele deve suportar umatensão de trabalho maior que 22,1V. O valor mais próximo é 25V. Sendoassim, o capacitor especificado para este projeto será de 1000µF/25V. Afigura a seguir mostra o diagrama esquemático de parte da fonte.

A figura a seguir mostra o gráfico da tensão no capacitor com osvalores máximo e mínimo da tensão de ondulação.

Diodos:

Como o retificador em ponte foi o escolhido para o projeto, a correntemédia que passará em cada diodo será a metade da corrente média nacarga. Neste caso:

Icc(diodo) = Icc / 2

Icc(diodo) = 200m / 2 = 100mA.Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima que

cada diodo deverá suportar será de:

Icc(diodo) = (100m x100) / 70

Icc(diodo) = 142,85mA

A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais nosemiciclo em que ele não estiver conduzindo será de:

VPI = Vp(sec) - 0,7V

VPI = 16,9 – 0,7 = 16,2V

Utilizando a tolerância de 30% teremos:

VPI = (16,2 x 100) / 70

VPI = 23,1V




O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponteretificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e umatensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC émostrado na figura a seguir.

Exemplo 2:

Vamos redimensionar a fonte de alimentação projetada no exemplo 1de forma a ampliar a sua capacidade de fornecimento de corrente para500mA, mantendo os 5V de tensão de saída.

Em primeiro lugar temos de olhar para o transformador e ver se elese adapta ao novo valor de corrente de saída. É recomendado quedeixemos uma margem de segurança de pelo menos 30%. Neste caso, acorrente máxima no secundário passa a ser de:

IMAX(sec) = (500m x 100) / 70

IMAX(sec) = 714,28mA

O valor comercial mais próximo é de 1A. Vamos então optar por umtransformador de 127V/220V / 12V – 1A.

Vamos, no entanto, manter os 12Vef de tensão no secundário e ver se este valor se adapta aos novos parâmetros da fonte.

Capacitor:

O novo valor do capacitor de filtro será:

C = 500m / (120 x 1,55)

C = 2688µF

Temos um problema aqui. Não é recomendada a utilização decapacitores acima de 2200µF neste tipo de fonte de tensão. Capacitores

com capacitância muito elevada levam mais tempo para se carregar.Dependendo do valor instantâneo da tensão de entrada na hora em que afonte é ligada, a corrente nos diodos retificadores pode atingir valores acimada sua capacidade máxima, uma vez que um capacitor descarregado secomporta como um curto. Neste caso, a única resistência que irá limitar acorrente de carga do capacitor é a resistência interna do enrolamentosecundário somada a resistência interna dos diodos que estiverem emcondução no momento. O pior caso acontece quando a fonte for ligada nomomento em que o valor instantâneo da tensão de entrada estiver no valor de pico. A corrente mencionada neste parágrafo é identificada nosdatasheets como corrente de surto (IFSM). O diodo 1N4001 possui umacorrente de surto de 30A. Isto significa que ele pode suportar, no momentoem que a fonte é ligada, uma corrente de 30A durante um ciclo de tensãode entrada sem ser danificado.

Nos casos em que a corrente de surto ultrapassa a corrente I FSM do

diodo utilizado como retificador, é recomendada a utilização de um resistor em série com o diodo, chamado Resistor Surto. A sua finalidade é limitar acorrente de carga inicial do capacitor de filtro. A figura a seguir ilustra aidéia.

O Rsurto tem valor baixo, normalmente menor que 10Ω, e dissipa umapotência considerável. A potência dissipada pelo Rsurto é convertida emcalor, não sendo, portanto aproveitada pela carga. Para evitar a utilizaçãode resistor shunt, vamos manter o capacitor de filtro com valor abaixo de

2200µF.

Como vamos então resolver o problema do capacitor de filtro cujovalor calculado foi de 2688µF? Temos duas saídas:

1º - Manter a tensão no secundário do transformador em 12Vef eaumentar a tensão de ondulação de pico a pico para uma taxa acima de10% de Vp(cap). Esta, porém, não é uma opção recomendada.

2º - Aumentar a tensão no secundário do transformador. Com issonós podemos aumentar Vond(pp) sem ultrapassar os 10% de Vp(cap). Esta é aopção recomendada.

Vamos redimensionar o transformador para uma tensão nosecundário de 15Vef, ao invés de 12Vef e ver se o problema será resolvido.

Neste caso, o novo valor do capacitor de filtro será:


Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V-----------------------------------------


Vp(cap) = 21,21 – 1,4 = 19,8V-----------------------------------------

Vond(pp) = 19,8 / 10

Vond(pp) = 1,98V---------------------------------------Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)

Vmin(cap) = 19,8 – 1,98 = 17,82V----------------------------------------

C = 500m / (120 x 1,98)

C = 2104µF

Veja que o problema foi resolvido. O capacitor agora tem umacapacitância de 2104µF, menos que os 2200µF máximo recomendado. Arigidez dielétrica do capacitor agora será:

RD(cap) = (Vp(cap) x 100) / 70

RD(cap) = (19,8 x 100) / 70 = 28,28V

O valor comercial mais próximo é de 35V. Sendo assim, o capacitor utilizado como filtro será de 2200µF/35V.

Diodos:

Icc(diodo) = Icc / 2

Icc(diodo) = 500m / 2 = 250mA.

Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima quecada diodo deverá suportar será de:

Icc(diodo) = (250m x100) / 70

Icc(diodo) = 357,14mA

A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais nosemiciclo em que ele não estiver conduzindo será de:

VPI = Vp(sec) - 0,7V

VPI = 21,21 – 0,7 = 20,51V

Utilizando a tolerância de 30% teremos:

VPI = (20,51 x 100) / 70

VPI = 29,3V

O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponteretificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e umatensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC émostrado na figura a seguir.




10.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA

Como já foi dito, o CI regulador 79XX fornece tensão negativa na suasaída. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentação de

–12V/200mA. As fórmulas utilizadas para o dimensionamento do capacitor de filtro, dos diodos retificadores e do transformador são as mesmasutilizadas para o CI 78XX.

10.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA

Muitas aplicações, como aquelas que utilizam amplificadoresoperacionais, necessitam de uma fonte de alimentação simétrica. Uma fontesimétrica fornece duas tensões de alimentação, uma positiva e outranegativa. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentaçãosimétrica utilizando Cis reguladores.

Observe que o transformador utilizado tem um enrolamentosecundário com derivação central. No semiciclo positivo da tensão deentrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CIregulador 7812 através do diodo D1, enquanto que neste semiciclo oenrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através do diodo D3.

No semiciclo negativo da tensão de entrada o enrolamentosecundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através dodiodo D4, enquanto que neste semiciclo o enrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D2.

É importante observar que a corrente circulará pelos doisenrolamentos secundários, superior e inferior, tanto no semiciclo positivoquanto no semiciclo negativo da tensão de entrada. As fórmulas utilizadaspara o dimensionamento do capacitor de filtro, dos diodos retificadores e dotransformador para uma fonte de tensão simétrica são as mesmas utilizadasanteriormente para a fonte de tensão simples. Com a exceção de que ocálculo da tensão no capacitor deve ser efetuado tomando como base atensão em um dos enrolamentos secundários, ou seja, VP(sec) / 2.

Capacitores C1 e C2:


Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V-----------------------------------------


Vp(cap) = 21,21 – 0,7 = 20,51V-----------------------------------------

Vond(pp) = 20,51 / 10

Vond(pp) = 2,05V---------------------------------------

Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)

Vmin(cap) = 20,51 – 2,05 = 18,46V----------------------------------------

C = 500m / (120 x 2,05)

C = 2032,5µF

10.6 DISSIPADOR DE CALOR

A maioria dos CIs reguladores possuem uma proteção contraaumentos excessivos de temperatura. Se a temperatura interna atingir umdeterminado valor o CI regulador é desligado.

Para que o CI regulador não se aqueça demasiadamente, muitasvezes é necessária a utilização de um dissipador de calor. O dissipador decalor ajuda o CI regulador a liberar o calor na mesma velocidade com queele é produzido. Isto impedirá que ele se aqueça demasiadamente.

Um dissipador de calor pode ser improvisado aparafusando umabarra de alumínio na parte metálica do CI regulador. Á área da barra dealumínio deverá ter uma relação com a potência de saída (Vo x Icc) geradapela fonte. Existem no mercado dissipadores fabricados para determinadaspotências dissipadas. Os fabricantes de dissipadores inclusive

disponibilizam tabelas onde podem ser encontrados diversos modelos dedissipadores nos mais diferentes tamanhos e formas. Veja a seguir algunsdissipadores encontrados no mercado.

10.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL

Existem no mercado vários CIs reguladores que fornecem uma

tensão de saída que pode ser ajustada dentro uma faixa de tensão. A figuraa seguir mostra um exemplo de uma aplicação com o CI LM317, fabricadopela National Semiconductor, que pode fornecer na sua saída, tensões nafaixa de 1,25V – 25V. A tensão de saída é ajustada por meio dopotenciômetro de 5KΩ conectado entre o pino de ajuste e o terra. Paramaiores informações, consultar o datasheet.

a tensão de saída pode ser obtida por meio da fórmula mostrada aseguir.

10.8 FUSÍVEL

É altamente recomendável a utilização de fusíveis em fonte de

alimentação. O fusível é um dispositivo fabricado proteger o circuito contrasobrecorrente . Uma vez que a intensidade de corrente elétrica que passapelo fusível ultrapassa o seu valor nominal ele se abre, interrompe apassagem da corrente e, conseqüentemente, desliga o circuito. Vemos aseguir os símbolos mais utilizados para representar um fusível.




Todo fusível possui uma corrente nominal, que é a intensidadecorrente máxima que ele suporta sem se romper. Enquanto a intensidadeda corrente que passa pelo fusível não ultrapassa o valor nominal, ele secomporta como um curto, não oferecendo nenhuma oposição a passagemda corrente elétrica.

O fusível normalmente é ligado em série com o enrolamento primário.A idéia é calcular a intensidade da corrente que passa pelo enrolamentoprimário a partir da intensidade da corrente que passa pelo enrolamentosecundário.

Sabemos que o transformador não gera potência, ele apenastransfere para o secundário a potência recebida no enrolamento primário.Sendo assim:

P(RIM) = P(SEC)

V(PRI) x I(PRI) = V(SEC) x I(SEC)

Deduzindo I(PRI) teremos:

I(PRI) = (V(SEC) x I(SEC)) / V(PRI)

Uma boa aproximação para o cálculo de I(PRI) é utilizarmos os

valores eficazes para as tensões V(PRI) e V(SEC) e o valor de Icc para acorrente do secundário.

Se, por exemplo, V(PRI) = 127Vef, V(SEC) = 15Vef e Icc =500mA, I(PRI) será:

I(PRI) = (15 x 500m) / 127 = 59,05mA.

Veja que a intensidade de corrente no enrolamento primário é quasedez vezes menor que no enrolamento secundário. Isto justifica o fato dofusível ser ligado no enrolamento primário. Utilizando uma tolerância de

30%, o valor da corrente nominal do fusível I(FUS) será:

I(FUS) = (59,05m x 100) / 70 = 84,36mA

O valor comercial superior mais próximo é de 100mA.

10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)

Em um diodo com polarização direta os elétrons atravessam N comoelétrons livres, atravessam a junção e se recombinam com as lacunas paraatravessar a região P como elétrons de valência. A medida que os elétronscaem da banda de condução para a camada de valência eles irradiamenergia.

Nos diodos comuns essa energia é irradiada na forma de calor, masnos leds a energia é irradiada na forma de luz.

Os leds vêm substituindo as lâmpadas incandescentes em váriasaplicações devido a baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento.

Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco quebloqueia a passagem da luz. Os leds utilizam elementos como Gálio,Arsênio e Fósforo. Dependendo do material utilizado um led pode emitir luzda cor verde, laranja, azul, ou até mesmo emitir luz infravermelho, (luzinvisível).

10.10 TENSÃO E CORRENTE NO LEDO led tem uma quede de tensão típica de 1,5V a 2,5V para correntes

que variam de 10mA a 50mA. A queda de tensão exata no led depende da

intensidade da corrente que estiver passado por ele. Para efeito de cálculonós utilizaremos uma queda de 2V para uma corrente de 10mA.

Quando vamos excitar um led com uma fonte de tensão temos deespecificar o valor para o resistor que deverá ficar ligado em série com elepara manter a corrente que passa pelo led nos níveis normais. Como já foidito no parágrafo anterior, vamos especificar o valor do resistor para umatensão no led de 2V e para uma corrente no led de 10mA.

Vejamos o circuito a seguir. O led está sendo acionado por uma fontede tensão de 5V. O resistor R deverá manter a corrente em 10mA. Neste

caso, o valor de R será:

VT = VR + Vled

VT = (I x R) + Vled

Deduzindo R na fórmula teremos:

R = (VT – V led) / I

Sendo assim,

R = (5 – 2) / 10m = 300Ω

O valor comercial mais próximo é 270Ω.

Um resistor de 270Ω manterá a corrente ligeiramente acima de10mA. Intensidade de corrente suficiente para que o led brilhe com umaintensidade perfeitamente visível. Entretanto, se for necessário aumentar o

brilho do led, basta aumentar a corrente que passa por ele. Isto pode feitodiminuindo o valor do resistor R.

O led é freqüentemente utilizado em fontes de alimentação parasinalizar que a fonte está ligada. Neste caso, o led pode ser colocado nasaída do CI regulador. O valor do resistor R dependerá, obviamente, datensão de saída do CI regulador. A figura a seguir mostra o diagramaesquemático de uma fonte de tensão com, fusível, led de sinalização echave geral liga/desliga (Sg).

Exercícios:

1) Qual a principal diferença entre um diodo comum e um diodo zener?2) Quais as condições necessárias para que o diodo zener funcione

como estabilizador de tensão?3) Qual a função dos CIs reguladores?4) Quais as duas famílias de CIs reguladores mais utilizadas?5) Projete uma fonte de tensão estabilizada de 9V-300mA com chave

liga/desliga, fusível e led indicador.6) Redimensione a fonte da questão anterior para uma corrente de

saída de 600mA.7) Qual a função do Resistor Surto?8) Qual a função do dissipador de calor?9) Como é produzida a luz em um led?

10) Projete uma fonte simétrica estabilizada de +5V /-5V – 400mA comchave liga/desliga, fusível e led indicador.



Wagner da Silva Zanco Bibliografia 35

BIBLIOGRAFIA

MALVINO, ALBERT PAUL. Eletrônica Vol I e II, 4ª Edição. São Paulo: Graw-Hill, 1997.

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OMALLEY, JHON. Análise de Circuitos. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1983.

EDMINISTER, JOSEP A. Circuitos Elétricos, 2ª edição. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1985.

CAVALCANTI, PAULO JOÃO MENDES. Eletrotécnica - para Técinos em Eletrônica, 12ª edição. Rio de Janeiro: FreitasBastos,1980.

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