Eletrônica Industrial

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Centro Federal de Educação

Tecnológica de Santa Catarina Gerência Educacional de Eletrotécnica

Florianópolis, 2003

Gerência Educacional de Eletrotécnica

1. ELETRÔNICA: BREVE HISTÓRICO

No início do século, com o surgimento da válvula eletrônica, houve um grande avanço na produção de equipamentos e dispositivos fabricados com a finalidade de executar muitas tarefas úteis para a época. Rádios, telégrafos, telefonia e até mesmo a televisão tiveram seu desenvolvimento por causa das válvulas. Você deve estar se perguntando: O que é uma válvula eletrônica? Observe a figura abaixo.

catodo anodo filamento

Uma válvula é um dispositivo composto por duas placas metálicas encapsuladas em vidro evacuado.

Dentro desse bulbo de vidro, também há um filamento que, conectado a uma bateria, aquece uma das placas, o catodo, gerando um fluxo de elétrons que tende a se deslocar em direção à segunda placa, polarizada positivamente, chamada anodo. Quando invertemos a polarização da placa, cessa o fluxo de elétrons, ou seja, cessa a corrente elétrica dentro do tubo. Podemos concluir, a partir disso, que é possível fazer circular a corrente em um único sentido dentro de uma válvula diodo.

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2. SEMICONDUTORES

Semicondutores são materiais sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa “facilidade” de sua condição de isolante para a de condutor, isto é, podem sofrer grandes alterações em sua condutividade.

2.1. Condutividade elétrica

É a capacidade de conduzir corrente elétrica sob aplicação de uma tensão, tem uma das mais amplas faixas de valores que qualquer outra propriedade física da matéria. Metais como cobre, prata e alumínio são excelentes condutores, mas isolantes como diamante e vidro são condutores muito pobres. Em baixas temperaturas, semicondutores puros se comportam como isolantes. Sob temperaturas mais altas ou luz ou com a adição de impurezas, porém, pode ser aumentada dramaticamente a condutividade de semicondutores podendo ser alcançados níveis que se aproximam dos metais. As propriedades físicas de semicondutores são estudadas em física do estado sólido.

2.2. Elétrons de condução e lacunas

Os semicondutores comuns são fabricados a partir de elementos químicos (semimetais) como silício, germânio e selênio; além de combinações como: arseneto de gálio, seleneto de zinco e telureto de chumbo. O aumento da condutividade com a temperatura, luminosidade ou impurezas surge de um aumento no número de elétrons de condução que são os portadores da corrente elétrica. Em um semicondutor puro, ou intrínseco (inerente), como o silício, os elétrons de valência, ou elétrons exteriores de um átomo (última camada), formam pares e são compartilhados entre átomos vizinhos formando ligações covalentes que mantêm coesa a estrutura do cristal. Estes elétrons de valência não são livres para produzir corrente elétrica. Para produzir elétrons de condução, temperatura ou luz é usada para excitar os elétrons de valência para fora de suas ligações, deixando-os livre para produzir corrente. A deficiência de elétrons, ou “lacunas”, surgem no lugar de onde saíram os elétrons excitados, o que faz com que outros elétrons livres ou de valência possam vir a completar aquele par na ligação covalente. Diz-se que as lacunas são os "portadores positivos" de eletricidade. Esta é a origem física do aumento na condutividade elétrica de semicondutores com a temperatura. Devido à dupla possibilidade de condução de corrente, por elétrons livres e por lacunas, a condutividade pode aumentar expressivamente nestes cristais.

2.3. Dopagem

Outro método para produzir portadores de carga elétrica livres é adicionar impurezas, ou “dopar”, ao semicondutor. A diferença no número de elétrons de valência entre o material dopante (doadores ou aceitadores de elétrons), e o cristal intrínseco, dá lugar a semicondutores extrínsecos (artificiais) dopados negativamente (tipo negativo ou n) ou positivamente (tipo positivo ou p). Cada átomo de silício possui quatro elétrons de

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Gerência Educacional de Eletrotécnica valência. São necessários dois elétrons de átomos distintos para formar uma ligação covalente. No semicondutor de silício tipo n, átomos como o fósforo (P) com cinco elétrons de valência, substituem átomos de silício e provêem elétrons extras. Como sobram elétrons (carga negativa), o semicondutor é do tipo n. No semicondutor de silício tipo p, átomos com três elétrons de valência, como o alumínio (Al), produzem uma deficiência de elétrons, ou uma lacuna que age como um portador de carga positiva. Os elétrons extras e as lacunas podem produzir corrente elétrica. Acrescente-se que quando um elétron ocupa a órbita de uma lacuna, devolve a energia cinética que possui, desaparecendo duas cargas livres (o elétron e a lacuna). A este processo chama-se recombinação.

2.4. Junção pn

Quando regiões de semicondutor do tipo p e tipo n são adjacentes dentro de um mesmo cristal, forma-se um diodo semicondutor. A região de contato é chamada “junção pn”. Um diodo é um dispositivo de dois terminais que tem uma condutância baixa à corrente elétrica em uma direção mas uma alta condutância elétrica na outra direção.

As propriedades de condutância da junção pn dependem da polaridade e valor da tensão sobre o dispositivo. Séries de junções pn são usadas para fazer transistores e outros dispositivos semicondutores como: células fotoelétricas, tiristores, laser, retificadores, e etc.

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3. DIODO SEMICONDUTOR

O Diodo semicondutor é um elemento que tem a função de deixar passar a corrente em um sentido (para um lado) e não deixar passar a corrente em sentido contrário. Esse componente é muito utilizado em circuitos que precisam transformar corrente alternada em corrente contínua, como se verá na tarefa que envolve retificadores de tensão.

Como exemplo, podemos analisar o funcionamento do circuito abaixo e que utiliza um diodo entre a lâmpada e a fonte de tensão.

1a Situação: Diodo polarizado diretamente

A lâmpada acende porque o diodo está diretamente polarizado (o circuito fecha e a corrente passa para a lâmpada)

2a Situação: Diodo polarizado reversamente circuito não é percorrido por corrente, pois o diodo está "bloqueado" (reversamente polarizado).

3.1. Como é construído um diodo?

A função básica do diodo semicondutor é deixar passar a corrente elétrica em um sentido e não deixar passar no sentido inverso. A construção é feita usando um material semicondutor, o qual permite que sua capacidade de condução seja alterada pela adição de impurezas (negativas ou positivas). Em um dos lados são adicionadas cargas positivas e no outro, negativas, separadas por uma barreira que não permite que elas se recombinem. Para que haja a circulação de corrente, é necessário que se aplique a ele uma polarização adequada. Como você observou no experimento, a corrente só passa pelo diodo quando o terminal do ANODO está ligado ao pólo positivo da bateria e o CATODO ligado ao pólo negativo.

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BARREIRA DE POTENCIAL Região P Região N

AnodoCatodo

3.2. Principais especificações do diodo

Os diodos disponíveis no mercado possuem especificações que se referem à sua capacidade de corrente direta, tensão reversa, freqüência de operação, potência máxima e podem identificados nas folhas de dados dos componentes da seguinte forma:

GRANDEZA Simbologia / unidade Ex: Diodo 1N4001

Corrente Direta Máxima IDM (A) 1A Corrente de Fuga (inversa) IF (A) 10µA

Tensão de Pico inversa (reversa) VBr (V) 50V Potência Máxima PDM (W) 1W

3.3. A Curva do diodo e a Reta de Carga

ID – Corrente no diodo VD – Tensão no diodo

IS – Corrente de saturação (corrente máxima no diodo considerando-o como um “curto”).

Q – Ponto quiescente ou ponto de trabalho. Vc – Tensão de corte (tensão no diodo para corrente nula). Vcc – Tensão da fonte.

RL – Resistência da carga.

IF – Corrente de fuga (com o diodo na polarização reversa).

O gráfico acima mostra a curva característica de um diodo. Quando VD e ID são positivos temos o comportamento do diodo na polarização direta. Quando VD e ID são negativos temos o diodo na polarização reversa.

Na polarização reversa temos uma pequena corrente de fuga (IF - 10 µA para o diodo 1N4001) e o ponto de quebra (VBR – 50V para o diodo 1N4001) ou seja, a máxima tensão reversa que o diodo suporta. Na polarização direta observamos o Vγ (aproximadamente 0,7V para os diodos de silício e 0,3V para os diodos de germânio). A inclinação desta curva significa uma resistência que o diodo apresenta quando polarizado diretamente, isto é: aumenta a tensão VD com o aumento da corrente que passa por ele.

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Este gráfico apresenta também o traçado de uma reta de carga. Qual a sua utilidade? De posse da curva de um determinado diodo podemos determinar o seu ponto de trabalho (Q – ponto quiescente). Desta forma podemos determinar a reta de carga da seguinte forma:

Primeiro: Determina-se a tensão de corte VC = VCC e IS = Zero (na prática é a tensão da fonte).

Segundo: Determina-se a corrente de saturação considerando que o diodo é um curto Is = VCC/RL e VD = Zero.

Terceiro: Unindo-se os dois pontos acima, encontra-se o ponto quiescente (Q) no encontro com a curva característica do diodo.

Quarto: O ponto Q fornece a tensão e a corrente no diodo (VD e ID). Com estes dois pontos podemos determinar a potência dissipada pelo diodo (PD = VD x ID). De posse destes dados podemos escolher o diodo para o circuito comparando os valores calculados com as especificações técnicas do componente.

3.4. Modelos do Diodo 3.4.1. Diodo Ideal

Aqui ele é um circuito aberto.

Aqui ele é um curto circuito.

3.4.2. Diodo com Vγ ID

3.4.3. Exemplo - 1 Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:

Diodo ideal

Considerando o modelo 1

A potência no diodo é zero.

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Considerando o modelo 2 – Diodo com Vγ = 0,7V – diodo de silício

A potência no diodo é: PD = VD x ID = 67,6 mW

3.4.4. Exemplo - 2 Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:

Considerando o modelo 2 Diodo com Vγ = 0,7V – diodo de silício

A potência no diodo é: PD=VD*ID = 53,7 mW

OBSERVAÇÕES: Há uma diferença entre as considerações feitas para o cálculo da potência dissipada no diodo. Isto está relacionado com as tensões aplicadas no diodo.

modelo. Normalmente para tensões muito baixas, o 0,7V do diodo faz diferençacomo no cálculo de uma

Logo, quando não for especificado, fica por conta do “bom senso” adotar o primeiro ou o segundo fonte de 3V, por exemplo, onde VD representa mais de 20%.

Considerando o modelo 1 Diodo ideal.

A potência no diodo é zero.

1) Qual é a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta, se a tensão do diodo for de 0,7 V e a corrente de 100 mA? 2) Determinar a reta de carga, o ponto quiescente (Q) e a potência dissipada pelo diodo no circuito a seguir, dada a sua curva característica.

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3) Para os circuitos a seguir, utilizando-se os três modelos de diodos, calcular o valor das correntes nos diodos (ΙD) e analisar os resultados obtidos. Circuito 1:

Especificações do diodo: Vγ = 0,7 V e RD = 10 Ω Circuito 2:

Especificações do diodo: Vγ = 0,7 V e RD = 10 Ω 4) O circuito abaixo apresenta um problema. Identificá-lo e propor uma solução.

5) Identificar a condição das lâmpadas no circuito abaixo, de acordo com a seguinte convenção:

Ι - lâmpada acende; ΙΙ - lâmpada não acende; ΙΙΙ - lâmpada acende com sobrecarga de tensão, podendo danificar-se.

Especificações das lâmpadas: VL = 6 V e PL = 120 mW

6) Esboçar a curva característica de um diodo de silício com Vγ = 0,7 V e VBR = 50 V. Explicar com suas palavras cada parte do gráfico.

7) Para o circuito da Figura 1, calcular a corrente e a potência dissipada pelo diodo. Considerar o modelo do diodo com Vγ.

FIGURA 1 Pág. 9/38

Gerência Educacional de Eletrotécnica 8) Qual o valor da tensão reversa sobre o diodo, no circuito da Figura 2?

FIGURA 2

9) Aqui estão alguns diodos e suas especificações de tensão de ruptura (VBR) e corrente máxima (ΙDM):

10) Qual desses diodos rompe-se, quando utilizado no circuito da Figura 3?

FIGURA 3

1) Quais os diodos relacionados no exercício anterior, que podem ser utilizados no circuito da Figura 4?

FIGURA 4 12) No circuito da Figura 5, VD = 5 V. O diodo está aberto ou em curto ?

FIGURA 5

13) No circuito da Figura 6, a resistência R está em curto. Qual será a tensão sobre o diodo? O que acontecerá ao diodo?

FIGURA 6 Pág. 10/38

Gerência Educacional de Eletrotécnica 14) O que há de errado com o circuito da Figura 7?

FIGURA 7

15) Para o circuito da Figura 10, calcular a corrente de saturação, a tensão de corte e o ponto Q, dado a curva característica do diodo. Qual o valor da potência dissipada pelo diodo?

FIGURA 10

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4. DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)

O diodo emissor de luz (LED) é um tipo de diodo que funciona da mesma forma que os diodos comuns, com a diferença de que o LED, quando polarizado diretamente, emite luz. Os LED's são muito utilizados em circuito de sinalização, e podem ter sua luminosidade controlada pela corrente que circula por ele. Sua tensão de funcionamento varia entre 1,2 e 2,5 V. Existem LED's que trabalham emitindo radiação infravermelha (invisível) e são muito utilizados em circuitos de alarme contra roubo ou leitores de código de barras em cartões de plástico. O circuito abaixo mostra como podemos montar um circuito adequado para polarizar um diodo. Podemos testar um LED simplesmente usando um multímetro analógico na escala de menor resistência e aplicando as ponteiras do instrumento ao componente para verificar se o mesmo acende. Existem aparelhos que possuem uma função específica para teste de diodos.

A figura abaixo mostra como podemos ligar um LED a uma bateria através de um resistor de 390 Ω para que este apresente uma luminosidade adequada.

12 V I

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5. CIRCUITOS RETIFICADORES

A finalidade dos circuitos retificadores é converter tensão alternada em tensão contínua (num único sentido). Para isso utilizamos também os transformadores que podem abaixar ou elevar a tensão alternada (transformadores abaixadores e transformadores elevadores).

5.1. Tipos de transformadores

O primário ou o secundário pode ser constituído de enrolamento único ou múltiplo. Para o nosso estudo vamos considerar alguns exemplos de transformadores:

5.1.1. Especificações resumidas de um transformador

Exemplo 1. 110+110 V / 16+16V - 8VA. É um transformador com dois enrolamentos no primário (tipo 4); o secundário também com dois enrolamentos (tipo 2 ou tipo 3) com derivação central ou Center-Tap que fornece 16V eficazes em cada enrolamento e uma corrente de 250mA em cada enrolamento (total de 500mA - 8VA). Os valores fornecidos são todos valores eficazes. A forma de onda é senoidal.

Exemplo 2. 0 – 110 - 220V / 15V - 15 VA. É um transformador que possui o primário com derivação central (tipo 3) e o secundário com enrolamento único (tipo 1 ou tipo 4) e fornece 1A.

perdasum transformador ideal):

O primário e o secundário do transformador estão assim relacionados (isto sem levar em conta as

N=e 2112NNI
I=onde: 2211IVIV×=×

onde: N1 = número de espiras do primário N2 = número de espiras do secundário I1 = corrente no primário I2 = corrente no secundário

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