Apostila - Eletronica Industrial

Apostila - Eletronica 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.

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