Aula 2. - Eletronica e Instrumentacao - 1 Sem 2015

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Eletrônica

e Instrumentação

AULA 02

Eletrônica e instrumentação

3Eletrônica e instrumentação

MATERIAIS:

• CONDUTORES• SEMICONDUTORES• ISOLANTES

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Responda para classificar o material:(C) Condutores, (S) Semicondutores e (I) Isolantes,

( ) Borracha;

( ) Silicio;

( ) Alumínio ;

( ) Porcelana;

( ) Náilon;

( ) Germânio;

( ) Vidro;


( ) Ouro;

( ) Mercúrio;

( ) Madeira ;

( ) Cobre;

( ) Teflon;

( ) Carbono;

( ) Titânio;

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Responda para classificar o material:(C) Condutores, (S) Semicondutores e (I) Isolantes,

( I ) Borracha;

( S ) Silicio;

(C) Alumínio ;

( I ) Porcelana;

( I ) Náilon;

( S) Germânio;

( I ) Vidro;


(C) Ouro;

(C) Mercúrio;

( I ) Madeira ;

(C) Cobre;

( I ) Teflon;

( S) Carbono;

(C) Titânio;

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Isolantes, Semicondutores e Metais

Condutor – é um excelente condutorde eletricidade (Metal);

Semicondutor – possui condutividadeentre os dois extremos acima.

Isolante – é um condutor deeletricidade muito pobre;


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Eletrônica e instrumentação8

Introdução

Materiais quanto à condutividade elétrica:

Metais (condutores)

Semicondutores

Isolantes

Faixa de condutividade:

10-18 Ω-1m-1 (quartzo, poliestireno) a 108 Ω-1m-1

(prata, cobre).


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Material Condutor

Um material é caracterizado condutor pelofato de os elétrons de valência (ultimacamada) estarem fracamente ligados emseus átomos, podendo ser facilmentedeslocados do mesmo, ao ser aplicada umaDDP, produzindo assim o que chamamos decorrente elétrica no material.


Exemplos de aplicações:

Condutores: transmissão de energia, instalação predial, motores, transformadores, polarização de circuitos, transmissão de sinais (dentro de um circuito, entre circuitos e sistemas, longas distâncias, etc).



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Material Isolante

Já um material Isolante por sua vez,apresentam os elétrons de valênciafortemente ligados em seus átomos, sendotambém conhecidos como dielétricos epossuem altos valores de resistência elétrica,não permitindo o fluxo das cargas elétricasde um ponto ao outro.



Isolantes: isolação entre condutores, capacitores, fibras ópticas, proteção de superfícies de dispositivos, mostradores tipo cristal líquido, etc



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Material Semicondutor

Os materiais semicondutoresrepresentam um meio termo entre oscondutores e isolantes, possuindo umnível de condutividade entre osextremos destes.



Semicondutores: dispositivos eletrônicos, optoeletrônicos, sensores e atuadores, etc.




MATERIAIS

SEMICONDUTORES

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Semicondutores

O material básico utilizado na construçãode dispositivos eletrônicos semicondutores,em estado natural, não é um bom condutor,nem um bom isolante.


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Silício e o Germânio

O silício e o germânio sãomuito utilizados na construçãode dispositivos eletrônicos.

O silício e o mais utilizado,devido as suas característicasserem melhores emcomparação ao germânio etambém por ser maisabundante na face da terra.


Temperatura, Luz e Impurezas

Em comparação com os metais e osisolantes, as propriedades elétricas dossemicondutores são afetadas porvariação de temperatura, exposição aluz e acréscimos de impurezas.


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MATERIAIS SEMICONDUTORES

MODELOS ATÔMICOS DE BOHR

O átomo - é constituído por partículaselementares, as mais importantes para onosso estudo são os elétrons, os prótons eos nêutrons.

Camada de Valência - A últimacamada eletrônica (nível energético) échamada camada de valência. O silícioe o germânio são átomos tetravalentes,pois possuem quatro elétrons na camadade valência.



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Camada de Valência

O silício e o germânio são átomos tetravalentes,pois possuem quatro elétrons na camada devalência. O potencial necessário para tornar livre qualquerum dos elétrons de valência é menor que onecessário para remover qualquer outro daestrutura. Os elétrons de valência podem absorver energiaexterna suficiente para se tornarem elétrons livres.



Semicondutor Intrínseco Puro

Tanto o silício (Si) quanto o germânio (Ge) seestabilizam quando passam a ter 8 elétrons nacamada de valência.

Como tudo na natureza tende a estabilidade eequilíbrio, quando vários átomos de silício ougermânio são colocados juntos, eles formam umaestrutura cristalina onde compartilham seus elétronsda camada de valência com os átomos vizinhos,através de uma “ligação covalente”, onde formaum Cristal Semicondutor.



“ligação covalente”

Cristal Semicondutor de Silício.

Dessa forma, cada átomo passaa ter 8 elétrons na ultima camada.Nenhum elétron sobra ou falta, poistodos se pertencem emcompartilhamento de dois a dois.



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Corrente em Semicondutores

Elétrons na banda de valência:movem-se ocupando posiçõesdisponíveis no reticulado,preenchendo os vazios deixadospelos elétrons livres - Conduçãode lacunas migrando ao longodo material no sentido oposto aomovimento do elétron livre.

Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quantolacunas contribuem para o fluxo de corrente.

Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado:movem-se na banda de condução.


Material extrínseco - Um material semicondutorque tenha sido submetido a um processo dedopagem por impurezas e chamado de materialextrínseco.

Dopagem - A adição de certos átomos estranhosaos átomos de silício ou germânio, chamados deátomos de impurezas, pode alterar a estrutura decamadas (bandas) de energia de formasuficiente mudar as propriedades elétricas dosmateriais intrínsecos.


Semicondutor Extrínseco

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Impurezas são materiais com átomos trivalentesou pentavalentes, isto é: com 3 ou 5 elétrons nacamada de valência.

Esses materiais ficam caracterizados como:tipo N e tipo P.


Semicondutor Extrínseco (Dopado – Impuro)

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Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico,fósforo à produzem semicondutores do tipo N,por contribuírem com elétrons extras (impurezasdoadoras).

Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, índio, gálioà produzem semicondutores do tipo P, porproduzirem lacunas ou deficiência de elétrons(impurezas aceitadoras).

N P


Semicondutor Extrínseco (Dopado – Impuro)

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Nesse tipo de dopagem que consiste nautilização de elementos contendo 5 elétrons nacamada de valência, o quinto elétron, ficadesassociado de qualquer ligação. Esse elétronpode tornar-se livre mais facilmente quequalquer outro, podendo nessas condiçõesvagar pelo cristal.

Como temos 1 elétron a mais, diz-se que essesemicondutor está DOPADO NEGATIVAMENTE.

O material tipo N resultante, é eletricamenteneutro.


MATERIAL DOPADO TIPO N

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A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam elétrons livres no seu interior.

Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas doadoras ou átomos doadores.

Electrão livre do Arsénio

MATERIAL DOPADO TIPO N


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O material tipo P é formado pela dopagem dosemicondutor intrínseco por átomos trivalentescomo o boro, gálio e índio.

Há agora um número insuficiente de elétronspara completar as ligações covalentes. A faltadessa ligação é chamada de lacuna ou(buraco).

Como falta 1 elétron, diz-se que essesemicondutor está DOPADO POSITIVAMENTE.

O material tipo P resultante é eletricamenteneutro.


MATERIAL DOPADO TIPO P

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A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam elétrons) são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores.


MATERIAL DOPADO TIPO P

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Num semicondutor extrínseco do tipo N

•Os elétrons estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente elétrica.

•As lacunas (que são a ausência de elétrons), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica.

Num semicondutor extrínseco do tipo P

•As lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente elétrica.

•Os elétrons, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente elétrica.

Portadores minoritários e maioritários emMATERIAIS DOPADOS: TIPO P e TIPO N


Estrutura de bandas de energia

Banda decondução

isolante semicondutor condutor

Banda proibida

Banda deValência

Elétronslivres

Lacunas

Banda decondução

Banda deValência


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Uma junção P-N é formada pela união de dois semicondutores, um tipo P e outro N.

Temos assim, do lado P muitas Lacunas, ou falta de elétrons, enquanto que no lado N nós temos sobras de elétrons, muitos elétrons livres.


Junção P – N e Recombinação



Uma junção P-N é formada pela união de dois semicondutores, um tipo P e outro N.

Temos assim, do lado P muitas Lacunas, ou falta de elétrons, enquanto que no lado N nós temos sobras de elétrons, muitos elétrons livres.

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As cargas livres movimentam-se próximo à junção.

As lacunas do lado P irão atrair assim os elétrons livres que estão no lado N

Dessa forma ocorre um “Recombinação”, mas somente na região próxima das duas camadas



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É formado um campo elétrico que impede este movimento.

Tipo N Tipo P

E



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Dessa Recombinação, não teremos nem lacunas e nem elétrons livres, só o campo elétrico.

Tipo N Tipo P

E

xn xp



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Formará uma área chamada Camada de Depleção ou Barreira de Potencial, pois todos os átomos estarão estáveis:

Dessa forma temos a Formação do diodo.

Tipo N Tipo P

E

xn xp



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Um potencial externo aplicado ao diodo irá somar-se ou subtrair-se ao potencial intrínseco da junção.

N P N P

Polarização reversa

Vbi + V

V V

Polarização direta

Vbi - V


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Largura da região de depleção:

N P

V

N P N P

V

Reversa Sem polarização Direta

W > W0 W = W0 W < W0



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Retificação de corrente pela junção P-N:

Polarização reversa ⇒ largura da depleção aumenta. Fluxo de corrente é zero.

Polarização direta ⇒ para um potencial V suficientemente alto, a largura da depleção é zero. Neste caso, elétrons no lado N são injetados no lado P, enquanto que buracos são injetados do lado P para o N ⇒ Fluxo de corrente diferente de zero. Ocorre recombinação em ambos os lados da junção.




DIODOS SEMICONDUTORES

• Retificadores

•Atenção: •Material da Aula 03•Leve impresso para a Sala

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RETIFICAÇÃO - PRINCÍPIOS BÁSICOS

O diodo semicondutor é um componente não linear que permite passagem de corrente num sentido e impede a passagem de corrente no sentido contrário.



Simbologia:

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Tipos de Diodos Semicondutores

Existem vários tipos de diodos, cada um construído para um tipo específico de aplicação:Diodos retificadores

Diodos retificadores de avalanche

Diodos de referência de tensão, ou Zener

Diodos de capacitância variável

Diodos tipo Schottky



Simbologia:

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Curva característica do diodo - Si e Ge


Curva característica do diodo - Silicio

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Circuitos com Diodos

O Diodo conduz a corrente elétrica a partir do momento que a tensão no diodo VD é superior a 0.7V, antes disso, ele se comporta como uma chave aberta, não conduzindo.



Portanto, se o Diodo receber uma tensão VD de 0V não conduzirá.

Se o Diodo receber uma tensão VD de 0,6V também não conduzirá.

E se o Diodo receber uma tensão VD de 0,8V, a partir daí ele conduzirá, pois VD é superior a 0.7V,


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Portanto, se o Diodo receber uma tensão VD de 0V não conduzirá.

Se o Diodo receber uma tensão VD de 0,6V também não conduzirá.

E se o Diodo receber uma tensão VD de 0,8V, a partir daí ele conduzirá, pois VD é superior a 0.7V,



Fazendo uma análise neste circuito, e atribuindo ao Diodo tensão VD de 0,6V também não conduzirá, a corrente em R será Zero 0A. Veja o porque: Sendo E=0.6V e VD = 0.7V

E = VD + VR

VR = E – VD

VR = 0.6V - 0.7V

VR = 0V (ele se comporta como uma chave aberta, não conduzindo).


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Fazendo outra análise neste circuito, e atribuindo à fonte Geradora Sendo E=24V e sendo a tensão VD de 0,7V, Qual será a corrente em R?

E = VD + VR



Fazendo outra análise neste circuito, e atribuindo à fonte Geradora Sendo E=24V e sendo a tensão VD de 0,7V, Qual será a corrente em R?

E = VD + VR

VR = E – VD

VR = 24 - 0.7

VR = 17V (Agora ele estará conduzindo uma tensão V de 17V em R).


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Exercício: 1) Para o circuito abaixo, determine VD, VR, ID e IR.

Considere uma fonte E de 8.0 volts.

VD =

E = VD + VR




VD = 0,7V E = VD + VR Para Calcular a Corrente do diodo

VR = E – VD ID = IR -> Circuito em Série

VR = 8 - 0.7 IR = VR . IR = 7.3 . . IR = 3.32 mA

VR = 7,3V R 2.2K


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VD = 0,7V E = VD + VR Para Calcular a Corrente do diodo

VR = E – VD ID = IR -> Circuito em Série

VR = 8 - 0.7 IR = VR . IR = 7.3 . . IR = 3.32 mA

VR = 7,3V R 2.2K



Considere uma fonte E de 0,5 volts.

VD =

E = VD + VR


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Considere uma fonte E de 0,5 volts.

VD =

E = VD + VR

Resposta: Analisando o Circuito, nota-se que a barreira de tensão do diodo é de 0.7V e como a fonte é de 0.5V, não haverá condução de corrente ou Tensão.


REVISÃO – LEI DE OHM

Visando facilitar futuros cálculos, vamos fazer uma rápida revisão sobre a tão importante Lei de Ohm, para a eletrônica e elétrica em geral.



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Exercícios - LEI DE OHM 1) Revisão: Preencha a tabela abaixo, realizando os cálculos

corretos de modo a preencher as lacunas


V I R P

80 V 2A

8mV 10 mA

220V 50 Ohm

110V 5 Ohm

4A 6 Ohm

15A 3 Ohm

360V 60 Ohm

150V 1 KOhm

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Retificar encerra a idéia de converter uma tensão alternada em tensão contínua.



No processo de retificação deve-se levar em conta as características de chaveamento eletrônico do diodo, ou seja, conduz corrente em apenas um sentido (quando diretamente polarizado).


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Senóide – em Corrente Alternada


Como sabemos a corrente alternada tem a propriedade de mudar de polaridade periodicamente, segundo uma determinada frequência.


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RETIFICAÇÃO DE ½ ONDATomemos como exemplo o circuito a

seguir, destinado a retificar uma tensão alternada.


RETIFICAÇÃO DE ½ ONDAA tensão a ser retificada é de 40Vrms, ou

40Vef.


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Deduz-se então que durante o semiciclo positivo o diodo estará polarizado diretamente, atuando como uma chave eletrônica fechada e durante o semiciclo negativo, por estar reversamente polarizado atuará como uma chave eletrônica aberta, conforme mostra os circuitos equivalentes a seguir.


Semiciclo Positivo


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Como o diodo comporta-se como uma chave eletrônica fechada, somente circulará corrente pela carga durante o semiciclo positivo.

Logo, aparecerá na carga a tensão correspondente ao semiciclo positivo.


Semiciclo Negativo


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Como o diodo comporta-se como uma chave eletrônica aberta, não circulará corrente pela carga.

Logo, não aparecerá nenhuma corrente na carga.


Desta forma, circulará corrente na carga somente durante os semiciclos positivos, caracterizando assim a retificação de ½ onda.


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Ao se ligar nos extremos da carga um osciloscópio, será visualizada uma tensão cuja forma de onda é mostrada na figura abaixo.


A tensão na carga é contínua pulsante e o valor medido dessa tensão é denominado valor retificado médio (Vm ou Vdc).


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Esse valor retificado médio (Vm ou Vdc), que pode ser calculado pela fórmula:


Esse valor retificado médio (Vm ou Vdc), que pode ser calculado pela fórmula:

onde:

Vp = valor de pico da tensão ou valor máximo da tensão (Vmax)

Vm = Vdc = valor retificado médio

VD = queda de tensão direta no diodo (0,55 a 0,7V)

0,318 = constante =

Pi π = 3,14


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Podemos calcular o valor médio retificado para o diodo ideal pela fórmula:

( para VD = 0, “p/ o diodo ideal”)(Neste caso não consideramos os 0,7V, pois

no diodo ideal não há queda de tensão)


Podemos calcular o valor de pico Vp

ou valor máximo Vmax da tensão pela fórmula:

Valor de pico Vp = valor máximo Vmax

assim como

valor rms Vrms = valor eficaz Vef


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TENSÃO DE TRABALHO DO DIODO

Na retificação de ½ onda a tensão de trabalho do diodo é a própria tensão de pico da tensão a ser retificada, na condição de polarização reversa,


TENSÃO DE TRABALHO DO DIODOA tensão de trabalho do diodo é normalmente

definida como tensão inversa de pico (TIP)


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TENSÃO DE TRABALHO DO DIODOConforme ilustra a figura abaixo.


Como o diodo está reversamente polarizado, comporta-se como uma chave aberta e nos seus extremos estará presente o valor de pico da tensão a ser retificada, que no caso é:

40 . 1,41 = 56,4V.

Como não circula corrente pelo circuito, a tensão nos extremos de R será zero.


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CAPACIDADE DE CORRENTE DIRETA

Deve ser pelo menos igual a corrente média através do mesmo.


CORRENTE DE PICO ATRAVÉS DO DIODO (Ip)

Deve ser menor do que a corrente de pico especificada pelo fabricante.


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E X E R C Í C I O


Um retificador de ½ onda deve retificar uma tensão de 40Vrms para alimentar uma carga de 500 Ohm.

Determine:

a) valor máximo da tensão (Vp ou Vmax)

b) valor retificado médio na carga;

c) corrente na carga;

d) valor máximo da tensão na carga.


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Solução:a)1.º devemos calcular o valor

máximo da tensão (Vp ou Vmax):

Vp = Vrms . 1,41


Solução:b) Calculando o valor retificado

médio na carga: (escolha o método)


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Solução:c) a corrente na carga será a

corrente média:


Solução:d) o valor máximo da tensão na

carga:

VMax. = Vp - VD


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Continua...


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