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UNIDADE I: CORRENTE E TENSÃO EFICAZES – POTÊNCIA MÉDIA 1. (Fácil) O analisador de redes elétricas é um equipamento capaz de realizar o diagnóstico de uma instalação elétrica de baixa, média e alta tensão, com base nos valores de tensão elétrica, corrente elétrica e potência elétrica. O analisador de redes elétricas é capaz de apresentar graficamente o formato de onda, conforme gráfico a seguir. Sabemos que o comprimento de onda do sinal (Período) é inversamente proporcional à frequência e a tensão eficaz (aquela que efetivamente realiza trabalho) é aproximadamente 71% do valor da tensão de pico. Após uma análise pormenorizada realizada (sistema monofásico energizado, alimentando uma carga puramente resistiva) por um profissional do segmento de qualidade de energia elétrica, com o uso de um analisador de redes elétricas, ele detectou as seguintes informações de função senoidal: Tensão de Pico (Vp): 622 (V) Período (T): 20m (s) Corrente de Pico (Ip): 62,2 (A) Com base nestas informações, determine: Tensão Eficaz (Vrms), frequência (f) e resistência elétrica da carga acoplada ao mesmo (R). Resposta: Vrms = 440 (V), f = 50 (Hz), R = 10 (Ω) 2. (Médio) A matemática é a ciência que estuda quantidades, medidas, espaços, estruturas e variações, cujo objetivo é busca um padrão e reproduzir ao máximo. Quando estudamos um sistema elétrico, sabemos que ele é subdividido de acordo com a frequência do sinal elétrico (corrente alternada ou corrente contínua). O cálculo infinitesimal nos oferece uma ferramenta matemática capaz de calcular a área abaixo de uma curva, com muita exatidão (Integral), conforme a figura a seguir. Com auxílio desta fabulosa ferramenta matemática, somos capazes de determinar o valor médio (Vcc) de um sinal elétrico retificado (meia onda e/ou onda completa). Em uma consultoria em uma residência, a cerca da qualidade da energia elétrica, após medição da tensão elétrica em uma tomada de uso geral (TUG) em uma residência, com uso de um multímetro, constatou-se um valor de tensão (CA): 127 (V). Lembrando que o multímetro operando na função CA mede valor eficaz (Vrms), desta forma, caso desejemos ligar esta tomada em um retificador de onda completa em ponte (considerando os diodos ideais) em uma carga puramente resistiva, cujo valor são 100 Ω, determine a potência média de dissipação do resistor. Resposta: P = 131 (W) 3. (Difícil) A tensão elétrica eficaz, também denominada de tensão rms (root mean square) é o valor de tensão que realiza o mesmo trabalho elétrico que a tensão elétrica média. Equipamentos de medição de tensão rms baseiam-se simplesmente na aplicação da expressão matemática a seguir: A Empresa Minipa© desenvolveu um multímetro, capaz de realizar o cálculo de valor eficaz para tensões elétricas não senoidais (ET-1507B), cujo método de cálculo utiliza a expressão a seguir: Considerando a tensão elétrica abaixo descrita, determine o valor eficaz (Vrms) da mesma. V(t) t(s) 6 8 1 0 2 4 6 8 10 Resposta: Vrms = 7,75 (V) UNIDADE II: CONCEITOS BÁSICOS DE JUNÇÃO PN 4. (Fácil) Os inícios das pesquisas com válvulas eletrônicas se deram no século 19, os primeiros manuscritos e pesquisas sobre as válvulas datam de 1873 e foram realizados pelo cientista Frederick Guthrie. Podemos dizer que as primeiras foram às válvulas Geissler e os tubos de Crookes Um tubo de Crookes é um experimento elétrico num tubo de descarga, parcialmente no vácuo, inventado pelo físico inglês William Crookes e outros por volta de 1869-1875, através do qual os raios catódicos foram descobertos). O princípio básico de funcionamento da válvula eletrônica baseia-se no ajuste de corrente elétrica com base na temperatura da grade de blindagem ( supressão e/ou controle). Com base nessa informação histórica e de forma clara e concisa, construa uma tabela comparando a relação entre a grade de blindagem da válvula eletrônica e do diodo de junção PN. Resposta: Mencionar comportamento da zona de depleção do diodo. https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Tubo_de_descarga&action=edit&redlink=1 https://pt.wikipedia.org/wiki/William_Crookes https://pt.wikipedia.org/wiki/Raios_cat%C3%B3dicos https://pt.wikipedia.org/wiki/Raios_cat%C3%B3dicos 5. (Média) O diodo de junção PN é o primeiro da linha de componentes semicondutores, capazes de controlar o fluxo de elétrons (corrente elétrica), ou seja, o instante que um material deixa de assumir o comportamento de um material isolante e passa a assumir o comportamento de um material condutor. O diodo de junção PN gerou outras categorias de diodos: diodo retificador, diodo emissor de luz (LED), diodo de comutação rápida (Schottky), diodo Zener e diodo Varicap (capacitância variável). Sabemos que o diodo de junção PN apresenta uma curva característica bem definida, conforme a figura abaixo: Considerando o diodo Schottky (diodo de comutação rápida), apresente um gráfico de forma resumida e sucinta, a principal diferença entre o diodo retificador e o diodo de comutação rápida. Resposta: Mencionar curva de polarização direta. 6. (Difícil) Segundo o Ministério da Saúde, aproximadamente 32% das mortes são ocasionadas por doenças cardíacas. A fibrilação ventricular (FV) é uma arritmia cardíaca, considerada potencialmente perigosa, o qual acomete o sistema bioelétrico do coração, desta forma, impedindo que o mesmo bombeie sangue rico em oxigênio (circulação arterial), consequentemente, provoca o processo de morte cerebral por falta de oxigênio. O desfibrilador cardíaco externo (DEA) é um equipamento capaz de descarregar um sinal elétrico de alta intensidade de tensão, de forma a “resetar” a atividade bioelétrica do coração e cessar a arritmia, cujo princípio de carga e descarga elétrica tem como fundamento elétrico um circuito RC. Ao analisar o circuito elétrico deste DEA, verificamos que ele é composto por um capacitor de 45 (µF) e a resistência média do corpo humano varia em torno de 400 (Ω). Considerando uma carga inicial de 3 (kV), determine a tensão final no capacitor após o tempo de descarga de 12ms. Resposta: VC = 1,46 (kV). UNIDADE III: DIODOS – TIPOS E APLICAÇÕES 7. (Fácil) O processo de dopagem de semicondutores refere-se à adição, ao cristal intrínseco, de pequena quantidade de impureza, com propriedades adequadas, de forma a afetar o comportamento elétrico do semicondutor da maneira desejada. Cristais semicondutores dopados do tipo P apresentam lacunas como portadores majoritários de carga elétrica (elétrons sendo minoritários). Já o contrário ocorre com os cristais semicondutores dopados do tipo N, que apresentam elétrons como portadores majoritários de carga elétrica (sendo as lacunas os minoritários). Na dopagem, mistura-se uma pequena quantidade de impurezas a um cristal de silício. Existem dois tipos de impurezas: Tipo N - Na dopagem tipo N, o fósforo ou o arsênico é adicionado ao silício em pequenas quantidades. Considerando a figura a anterior, explique de forma sucinta o motivo pelo qual a lacuna assume o comportamento de uma carga positiva. Resposta: Mencionar condução elétrica do elétron na estrutura atômica. 8. (Médio) Diodo Zener é um dispositivo ou componente eletrônico semelhante a um diodo semicondutor, especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução inversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN, neste caso há dois fenômenos envolvidos: o efeito Zener e o efeito avalanche. O diodo Zener possui uma curva característica muito similar à dos outros modelos de diodo, porémeles são fabricados para trabalhar especificamente em sua zona de ruptura. Quando polarizados inversamente, esses diodos são capazes de manter a tensão sobre seus terminais praticamente constante (denominada tensão Zener), conforme figura a seguir. O diodo Zener apresenta uma gama de parâmetros, necessários para implementação e construção de circuitos reguladores de tensão elétrica, conforme a tabela a seguir. Com base na tabela a anterior, determine o modelo diodo Zener mais adequado para controlar uma carga resistiva, cujos parâmetros estão abaixo descritos: Tensão na Carga (VL): 6 (V) Potência Máxima de Dissipação do Zener (PZ): 60m (W) Resposta: BZX79 C6V2. 9. (Difícil) Se polarizarmos o diodo reversamente, esses elétrons e lacunas irão conduzir corrente elétrica. Quanto maior a energia térmica, mais pares elétrons-lacunas são formados, consequentemente, maior será a corrente associada a essas cargas. Essa corrente recebe o nome de corrente de saturação reversa (IS). Essa é uma característica de um diodo real, cujo valor médio varia em torno de (IS = 10 -15 A), cuja mesma duplica a cada aumento de 10°C. A tensão térmica (VT) é um parâmetro importante utilizado como elemento sensor (NTC e/ou PTC), pois o diodo real é extremamente sensível à temperatura, conforme equação a seguir. Onde: VT: tensão térmica do diodo. k: constante de Boltzmann (1,38.10-23 Joule/Kelvin) T: temperatura (Kelvin) q: carga elétrica elementar (1,6.10-19 Coulomb) Conversão de Temperatura (°C = K – 273) Com base nestas informações, determine a tensão térmica (VT) de um elemento sensor de temperatura (diodo) quando submetido a uma temperatura de 20°C. Resposta: 25,2 (mV). UNIDADE IV: RETIFICADORES MONOFÁSICOS A DIODO 10. (Fácil) Distrito Federal (Brasília) é nossa querida capital do Brasil, lá o fornecimento de energia elétrica trabalha com tensão elétrica média de 220 (V). Você foi designado para realizar um atendimento técnico na região e ficará hospedado por um período de 01(um) mês, porém como você vem de São Paulo, alguns de seus equipamentos elétricos e/ou eletrônicos não são bivolt, desta forma, você é obrigado a utilizar uma máquina elétrica denominada transformador e/ou autotransformador (figura a seguir). A máquina acima apresenta uma relação de tensão elétrica 220/127 (V) e uma potência de 3000 (VA). Ao “ancorar” seus equipamentos, como são equipamentos eletrônicos, podemos considerar 3000 (VA) aproximadamente 3000 (W), desta forma, devem-se tomar os seguintes cuidados: (1) não exceder a corrente de secundário do transformador; (2) não inverter primário com secundário. Sabendo esta informação, determine a corrente máxima (IS) que seu autotransformador poderá suportar (limites físicos) e o valor da tensão elétrica no secundário (VS), caso haja uma inversão acidental. Resposta: IS = 24 (A), VS = 380 (V) 11. (Médio) Em uma análise de uma fonte CC, com o uso de um osciloscópio, você verificou o seguinte formato de onda: Considerando que essa tensão apresenta o comportamento de um retificador de onda completa (diodos ideais) e alimenta uma carga de 100 (Ω), determine a potência máxima que o mesmo é capaz de fornecer. Resposta: P = 1(W) 12. (Difícil) O processo de retificação elétrica de um sinal alternado envolve o estudo dos valores eficazes (VRMS) e dos valores médios (VCC). Em um sinal alternado, o valor eficaz apresenta uma eficiência de aproximadamente 71% em torno do valor de pico (VP). Ao determinar a capacidade máxima de um retificador, o parâmetro que utilizamos é o valor eficaz (aquele que efetivamente realiza trabalho). Considerando a tensão eficaz (VRMS) como referência, determine a eficiência de um retificador de meia onda e onda completa. Sugestão: Utilize as expressões a seguir: Resposta: Eficiência de 45% (meia onda) e Eficiência de 90% (onda completa). UNIDADE V: RETIFICADORES COM FILTROS CAPACITIVOS 13. (Fácil) O inversor de frequência é um equipamento capaz de controlar a rotação mecânica de um motor, a partir da frequência do sinal elétrico injetado nele (PWM). O inversor de frequência constrói um sinal alternado de frequência variável (pseudo senóide), a partir de um sinal CC (retificado). Inversores de frequência trifásicos necessitam de retificadores trifásicos, conforme o diagrama elétrico a seguir. O diagrama apresentado anteriormente é denominado de retificador trifásico de onda completa em ponte não controlada, ou seja, é capaz de aumentar a área de trabalho de um sinal CC, conforme descrito na figura a seguir. Em um sistema trifásico, cujo valor eficaz (VRMS) é 127 (V), determine o valor da tensão retificada (VCC), com base nas expressões a seguir. (AHMED, 2014 – Eletrônica de Potência) Resposta: VCC = 148 (V) 14. (Médio) Em um circuito RC (descarga), no período (t = RC), a tensão média no capacitor sempre será aproximadamente 37% da tensão nominal, conforme gráfico a seguir. Em dispositivos de carga e descarga, o tempo depende da relação ( = RC) e do tipo de aplicação (descarga lenta para retificadores ou descarga rápida para desfibriladores e dispositivos de proteção “teaser”). Considerando a expressão a seguir, o qual apresenta o comportamento de carga de um circuito RC, determine a porcentagem de carga do capacitor para (t = RC). Resposta: VC = 63% da tensão nominal 15. (Difícil) O medidor de bioimpedância mede o comportamento resistivo do organismo humano, cujo modelo elétrico se baseia no circuito RC, conforme imagem a seguir. DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2018-0271 Medidores de bioimpedância injetam um sinal (carga e descarga elétrica) e medem a tensão inicial e a tensão final, de forma a determinar o valor da resistência elétrica do organismo, com base em um valor conhecido da capacitância do equipamento. Com base na curva a seguir, a tensão inicial aplicada no equipamento foi 10 (mV) e a tensão medida depois de decorridos 18 (ms) foi 3,68 (mV). Considerando que o capacitor do equipamento vale 45 (µF), determine o valor da resistência elétrica medida. Resposta: R = 400 (Ω) http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2018-0271 UNIDADE VI: CIRCUITOS COM DIODOS 16. (Fácil) Os circuitos limitadores de tensão, também denominados clippers são circuitos eletrônicos que possuem a capacidade de limitar a tensão de entrada, consequentemente, proteger os demais componentes, conforme figura seguir. A principal aplicação destes limitadores é na área de telecomunicações, uma vez que a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) limita a capacidade máxima do sinal (potência), tendo em vista que o sinal transmitido pertence a um comprimento de onda e/ou radiação ionizante, desta forma, o ganho na transmissão se dá por meio de um sistema de captação otimizada (antenas). Segundo a Resolução Normativa n. 506/2008 da ANATEL, a intensidade máxima do sinal não pode ultrapassar 50 (mV). Com base nessa Resolução Normativa, explique como os diodos nesta topologia são capazes de limitar o sinal. Resposta: Falar da tensão de operação do diodo 17. (Médio) A eletrônica digital é um segmento da eletrônica analógica, o qual opera somente com valores discretos (+VCC e/ou 0(V)), ou seja, assume somente 02(dois) estados lógicos (1 e/ou 0). A base da eletrônica digital são as portas lógicas (circuitos que realizam operações lógicas), cuja base eletrônica é o diodo de junção PN. Os diagramasa seguir demonstram sua construção elétrica elementar (portas lógicas elementares). A porta lógica AND, também denominada de porta lógica E tem a função de obrigatoriedade, ou seja, sua saída lógica assume estado lógico “1”, se e somente se, as duas entradas (Input A e Input B) assumem valores lógicos “1”. Considerando “1” lógico um sinal de 5V e “0” lógico um sinal aterrado (0V), explique o funcionamento, através de uma análise de condução direta e reversa do diodo de junção PN (Considerar diodos ideais). Resposta: Tabela Verdade da Porta Lógica AND (Explicar com Base na Polarização Direta) Input A Input B Output 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 18. (Difícil) Segundo a ABRATE (Associação Brasileira das Empresas de Transmissão de Energia Elétrica), cerca de 12% da receita anual permitida pelo SIN (Sistema Integrado Nacional) para geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A primeira linha de transmissão CC surgiu em 1986 (Itaipu, Foz do Iguaçu e Ibiúna). A topologia a seguir demonstra o processo de conversão CA/CC e CC/CA. O sistema HVDC (High-Voltage Direct Current) é a sigla utilizada para transmissão de energia elétrica em corrente contínua, ele basicamente é um retificador, circuito multiplicador e inversor. O princípio básico necessária para aumento da tensão de transmissão, consequentemente, redução da corrente elétrica das linhas de transmissão se baseia no circuito multiplicador de tensão, conforme figura a seguir. O circuito conversor de nível utiliza a direção da corrente elétrica (polarizada por diodo), desta forma, carregando o banco de capacitores (Mutilevel Converter). O circuito a seguir apresente o princípio básico de dobra da tensão, aliado a retificação do sinal elétrico, com base nesse circuito, explique de forma sucinta como ele é aplicado na saída AC de uma usina geradora. Resposta: Reproduza o caminho da corrente elétrica e a polarização dos diodos, em função da carga e descarga dos capacitores. UNIDADE VII: TRANSISTORES BIPOLARES – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 19. (Fácil) O transistor de junção bipolar (TJB), ou do inglês transistor bipolar junction (TBJ) foi desenvolvido a partir de 1904 e implementado constantemente, até hoje, com o advento dos materiais biomédicos (biotransistores), conforme linha do tempo a seguir. Considerando o processo de dopagem de materiais semicondutores (trivalente e/ou pentavalente), construiu-se o conjunto PNP e/ou NPN, o qual é apresentado a seguir. Com base nessas informações e conceito de polarização direta e reversa do diodo de junção PN, explique a principal diferente entre os transistores PNP e/ou NPN. Resposta: Falar sobre a orientação das correntes (Base, Coletor e Emissor). 20. (Médio) Circuitos que manobram grandes intensidades de correntes elétricas requerem dispositivos semicondutores de alta potência, ou seja, é o caso do transistor de potência da séria TIP 35 é amplamente utilizado pela sua grande capacidade de manobra de corrente elétrica, conforme a tabela a seguir. IC (A) 25 hFE (mínimo) 15 hFE (máximo) 75 Utilizando uma fonte CC (valor a ser definido em seu projeto), construa a reta de carga (utilize RC e RE), de forma que a corrente máxima de coletor (IC) não ultrapasse o valor nominal do datasheet (25 A) Resposta: 21. (Difícil) Trabalhando com o mesmo transistor de potência (TIP 35C) e considerando os parâmetros a seguir: IC (A) 25 hFE (mínimo) 15 hFE (máximo) 75 PC (W) 125 Determine a corrente de base (IB) e o resistor de base (RB) necessário para que o ponto quiescente (ponto de operação) na reta de carga não ultrapasse o valor máximo (VCE), considerando a potência máxima de dissipação no coletor (125 W). Utilize o gráfico a seguir (VBE x IC) para determinar a queda de tensão (VBE). Também leve em consideração a corrente máxima de coletor (IC = 25 A), adote hFE = 50, VCC = 100 V, utilize RC = RE. Utilize a expressão a seguir para determinar o valor de VCE. Com auxílio da reta de carga (VCORTE = 100 V e ISAT = 25 A), determine o valor de IC (utilize teorema do triângulo retângulo), com base no valor de VCE escolhido (fórmula da potência no coletor). Resposta: VBE = 2V (gráfico), VCE = 5V (fórmula da potência), IC = 23,75A (reta de carga), IB = 475mA (hFE), RB = 106Ω (fórmula) UNIDADE VIII: TRANSISTORES BIPOLARES – MODOS DE OPERAÇÃO 22. (Fácil) O transistor de alto ganho, também denominado Darlington é amplamente utilizando quando queremos uma resposta rápida no processo de corte e/ou saturação. Esse transistor de alto ganha tem como base o ganho em cascata, conforme figura a seguir. O TIP 122 é um transistor de alto ganho (1000) e opera com uma potência máxima no coletor (PC =65W). Considerando a corrente máxima de coletor (IC = 5A) e com base na expressão a seguir, determine a tensão VCE máxima para que não queime o transistor. Resposta:VCE = 13 (V) 23. (Médio) Circuitos que aumentam a potência de um sinal são denominados de amplificadores de potenciais elétricos. O transistor de junção bipolar (TJB) é um componente elétrico capaz de realizar esse tipo de procedimento elétrico. Microcontroladores e/ou amplificadores operacionais utilizam o TJB como drive de corrente para acionamento de motores elétricos e dispositivos relés. A corrente elétrica da porta de saída de um microcontrolador não ultrapassa 30 (mA), porém o motor de passo da marca NEMA, cujo torque nominal é 20 (kgf.cm) necessita de uma corrente de 3 (A). Na impossibilidade de utilizar drives de potência para motores de passos, utilizamos ponte “H” transistorizada e um motor CC convencional. Projete uma ponte “H” transistorizada (resistores de base), utilizando transistores NPN e/ou PNP, utilizando os seguintes parâmetros a seguir: Corrente do Motor: 3 (A) Tensão do Motor: 12 (V) Corrente de acionamento (saída do microcontrolador): 30 (mA) Tensão de Base (saído do microcontrolador): 3 (V) Hfe e/ou β: 50 Adotar VBE = 0,75 (V) Resposta: 01(um) dos modelos possíveis 24. Utilizando os conceitos adquiridos em sala de aula, aliado ao uso de um emulador/simulador de circuitos eletrônicos (MultiSim Live©) ou qualquer outro emulador/simulador, construa um circuito polarizador de transistor, de forma que a reta de carga a seguir assumam os seguintes valores. Determine o valor da corrente de coletor (IC) para uma tensão coletor emissor (VCE = 50V). Assuma RC = RE, hFE = 50 e determine a corrente de base (IB) e a resistência de base (RB). Considere nula a tensão base emissor (VBE = 0V). Resposta: IC = 12,5 (A), IB = 250m (A), RB = 300 (Ω)