eletronica basica apostila senai

eletronica basica apostila senai

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CPM – Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção

Eletrônica Geral Instrumentação

REVISÃO AGOSTO/9

Eletrotécnica Básica – Instrumentação

SENAI – ES, 1999

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação GeralEvandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI)

SupervisãoRosalvo Marcos Trazzi (CST)

Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

ElaboraçãoJader de Oliveira (SENAI)

AprovaçãoAlexandre Kalil Hanna (CST) Carlos Athico Prates (CST)

Wenceslau de Oliveira (CST)

SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP 29052 - 121 Telefone: (027) 334 - 5200 Telefax: (027) 334 - 5212

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077

AssuntoPágina
Física dos Semicondutores e Diodos4
Transistor Bipolar19
Transistor de Efeito de Campo - FET40
Circuitos Básicos de Amplificadores52
Fontes de Alimentação57
Amplificadores Operacionais74
Tiristores86

1 - FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 1.1 - Estrutura atômica Já sabemos que podemos dividir uma substância em porções cada vez menores até chegar a menor das porções, que denominamos molécula. A molécula é a menor porção que um material pode ser dividido sem que com isso venha sofrer alterações em suas propriedades. Se dividirmos a molécula em partes, chegaremos ao átomo, sendo que este não mais conservará as propriedades do material subdividido. O átomo é composto de outras partículas que são elétrons, prótons e nêutrons, conforme a figura abaixo:

Os prótons (p) possuem cargas elétricas positivas. Os elétrons (e) possuem cargas elétricas negativas. Como vemos, o átomo é formado por camadas concêntricas ande fica núcleo. As camadas são níveis de energia. Chamamos de elétrons de valência os elétrons que pertencem a última camada (camada externa) do átomo.

Um átomo possui no máximo 7 (sete) camadas, assim denominadas: k, l, m, n, o, p, conforme abaixo:

As camadas inferiores, uma vez completas, não cedem nem recebem elétrons, logo os elétrons de valência (elétrons da última camada externa) são os únicos em condição de participarem de fenômenos químicos ou mesmo elétricos.

1.2 - Classificação do Materiais quanto à condutividade Os materiais podem ser classificados em 03 (três) tipos: condutores isolantes semicondutores

Condutores:

Dizemos que um material é condutor, quando os elétrons são fracamente ligados ao núcleo e ao serem submetidos a uma diferença de potencial passam a se locomover no interior do material. Podemos citar como exemplo o ouro, a prata, o cobre e outros.

Isolantes:

Dizemos que um material é isolante, quando os elétrons se encontram fortemente presos em suas ligações, evitando a circulação desses elétrons. Podemos citar como exemplo, a borracha, a mica, a porcelana, etc.

Semicondutores:

Dizemos que um material é semicondutor se sua resistência se encontra entre a dos condutores e a dos isolantes. Os principais semicondutores utilizados são:

Silício (Si) Germânio (Ge)

A principal característica dos semicondutores é a de possuir 04 (quatro) elétrons em sua última camada, camada de valência. Isto permite aos átomos do material semicondutor a formação entre si de ligações covalentes.

1.3 - Cristais semicondutores Dizemos que uma substância é cristalina se ela possui uma estrutura cúbica, tendo seus átomos ocupando os vértices desse cubo. O silício (Si) e o germânio (Ge) apresentam-se sob a forma cristalina, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração periódica.

Ligação covalente: É a ligação por meio de pares de elétrons que participam simultaneamente dos dois átomos, mantendo a estabilidade.

1.4 - Classificação dos átomos quanto ao número de elétrons na camada de valência

Elemento trivalente:

É todo elemento que possua em sua última camada (camada de valência) um total de 03 (três) elétrons Exemplo: Alumínio, índio, boro, gálio.

Elemento tetravalente:

É todo elemento que possua em sua última camada (camada de valência) um total de 04 (quatro) elétrons Exemplo: Silício, germânio, carbono, estanho.

Elemento pentavalente:

É todo elemento que possua em sua última camada(camada de valência) um total de 05 (cinco) elétrons. Exemplo: Antimônio, nitrogênio, fósforo, arsênio.

1.5 - Dopagem do semicondutor

Chama-se dopagem de um semicondutor, o processo utilizado para construir elementos P e N, através da mistura ao silício (Si) ou germânio (Ge) de quantidades reduzidas de impurezas de elementos trivalentes ou pentavalentes.

1.6 - Semicondutor tipo N

Se introduzirmos na estrutura cristalina de um semicondutor uma pequena quantidade de um material pentavalente, por exemplo, antimônio (Sb), tendo este 05 (cinco) elétrons na camada de valência, haverá a sobra de 01 (um) elétron do antimônio (Sb) que não formará ligação covalente. O átomo do antimônio (Sb) que deu esse elétron chamamos de doador. O silício (Si) ou germânio (Ge) dopados com elementos pentavalentes são chamados de tipo N, sendo um material negativo. Os portadores de carga no material tipo N, são os elétrons.

1.7 - Semicondutor tipo P Se introduzirmos na estrutura cristalina de um semicondutor uma pequena quantidade de um material trivalente, por exemplo índio (ln), tendo este 03 (três) elétrons na camada de valência, faltará um elétron. Essa falta de elétron comporta-se como uma carga positiva que chamamos de lacuna. Os semicondutores dopados com elementos trivalentes são chamados do tipo P, e ao elemento trivalente da dopagem chamamos de aceitador. Os portadores de carga no material tipo P são as lacunas.

1.8 - Portadores de cargas A condutividade de um semicondutor depende do número de portadores de carga, elétrons ou lacunas, dependendo da dopagem. Outro fator que influi na condutividade é a temperatura. Este fator contribui para o rompimento da ligação covalente, dando origem a elétrons e lacunas à medida que a temperatura aumenta. No material tipo N os elétrons da dopagem mais os surgidos pelo rompimento das ligações são chamados de portadores majoritários, pois existem em maior quantidade no material. E as lacunas surgidas no material tipo N, devido ao rompimento das ligações, chamadas de portadores minoritários. No material tipo P os portadores majoritários são as lacunas e os portadores minoritários são os elétrons:

2 - DIODO

2.1 - Junção PN Se unirmos um material do tipo P a um material do tipo N, de maneira a construirmos um único cristal, esta junção será denominada de junção PN ou diodo de junção. Sua grande utilidade reside em deixar passar uma dada corrente em apenas um sentido. Sendo esta corrente alternada, que flui em dois sentidos, passa a fluir em um só sentido. A esta operação chamamos de retificação. Na figura abaixo, representamos uma junção PN não polarizada.

O material N apresenta um grande número de elétrons (portadores majoritários) e o material P um grande número de lacunas (portadores majoritários). Haverá difusão através da junção, ou seja, alguns elétrons começam a aparecer nas proximidades do material P e algumas lacunas, nas proximidades do material N, causando a recombinação (ocupação de uma lacuna por um elétron ) entre esses portadores e uma neutralização de cargas (um elétron se anula com uma lacuna).

Quando um elétron e uma lacuna se encontram, suas cargas individuais neutralizam-se e isto deixa o átomo da impureza carregado. Os átomos das impurezas são fixos. O átomo que produzir o elétron tem agora uma lacuna e se carrega positivamente, e o átomo que produziu a lacuna tem um elétron e se carrega negativamente, e são chamados de íons. Com isto aparecerá um campo elétrico entre o material P e o material N e uma diferença de potencial chamada de barreira de potencial ou região de carga espacial ( camada de depleção ). Depleção significa diminuição ou ausência e, neste caso, esta palavra corresponde à ausência de portadores majoritários na região próxima à junção PN .

2.2 - Polarização Inversa da Junção PN

Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento N junção PN e o terminal negativo da bateria no lado P.

Neste caso, os portadores majoritários do lado P (lacunas) são atraídos pelo pólo negativo da bateria e do lado N (elétrons) pelo pólo positivo da bateria. Os portadores majoritários se afastam da junção, aumentando a barreira de potencial, não permitindo a passagem de corrente através da junção. Na realidade existirá uma pequena corrente, devido aos portadores minoritários. Esta corrente é chamada corrente de fuga, e varia com a temperatura.

2.3 - Polarização direta da Junção PN Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento P da junção PN e o terminal negativo da bateria ao lado N.

Neste caso, os portadores majoritários são repelidos em direção à junção, havendo uma barreira de potencial muito pequena e facilidade para passagem da corrente elétrica. O diodo apresenta uma resistência muito baixa para esta polarização.

NOTA: Conforme os estudos anteriores, podemos concluir que o elemento PN conduz quando diretamente polarizado, apresentando, na junção, uma pequena resistência, um pouco maior que uma ou duas dezenas de ohms, e não conduz quando polarizado inversamente, apresentando uma resistência da ordem de mega-ohms.

2.4 - Símbolo e forma física do diodo de junção

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