Eletricidade e Eletronica

Prévia do material em texto

AULA 6 
ELETRICIDADE E 
ELETRÔNICA BÁSICA 
Prof. Álvaro Crovador 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
Como vimos, a eletricidade é o movimento de elétrons. Assim, a eletrônica 
nada mais é do que aparatos que utilizamos para controlar essa corrente elétrica, 
seja para acender um LED, para ligar uma televisão ou enviarmos mensagens de 
nossos celulares. 
Já estudamos alguns componentes, como os resistores, os capacitores e 
os indutores. Nesta aula, estudaremos mais alguns componentes eletrônicos, 
como os diodos e transistores. Esses componentes podem ser utilizados para 
formar um circuito eletrônico que podemos montar conforme a necessidade. Em 
geral, um circuito contém uma fonte, condutores e finalmente a carga. 
Por fim, vamos aprender a montar uma fonte retificadora utilizando os 
conhecimentos de transformador e os adquiridos na aula de hoje. 
TEMA 1 – DIODOS 
A história do diodo começa com Thomas Edison, o inventor da lâmpada 
elétrica. Enquanto fazia os experimentos para testes da lâmpada, ele colocou um 
fio metálico no topo da lâmpada ligado a um potencial positivo. Quanto mais 
quente a lâmpada, maior o fluxo de corrente na lâmpada. Ao colocar um potencial 
negativo nesse fio, a corrente cessava. 
Edison não deu importância a esse fato, mas John Ambrose Fleming notou 
que essas lâmpadas funcionavam bem como retificadores de radiofrequência. O 
alto consumo e a baixa durabilidade eram um empecilho, mas foi um início. Foi 
então que nasceu a ideia do diodo. 
O diodo é um componente eletrônico semicondutor, feito de silício ou 
germânio, que permite a passagem da corrente elétrica somente num sentido. 
Seus terminais são chamados de anodo e cátodo. Uma das principais aplicações 
dos diodos é ajudar a transformar a corrente alternada em corrente contínua. 
Basicamente, é formado de dois materiais semicondutores dopados, para 
que unidos permitam a passagem ou não da corrente elétrica. O material usado 
na fabricação dos diodos é o silício, que inicialmente é purificado para formar 
estruturas cristalinas nos átomos. Como ele é um semicondutor, depois é dopado 
com outros materiais a fim de formar o que são chamados de cristal P ou N. O 
cristal N é formado quando se dopa o silício com átomos de Fósforo ou Arsênio e 
Boro e Gálio para o cristal P. 
 
 
3 
Quando se dopa com Fósforo, que possui cinco elétrons na camada de 
valência, temos um elétron livre, o que torna o material dotado de carga negativa 
e condutor (cristal N). Ao fazer-se a dopagem com o Boro, que tem três elétrons 
na camada de valência, o material se torna positivo (cristal P) e também pode 
conduzir corrente elétrica. 
A união desses dois cristais é a formação de um diodo, que é o mais 
simples dos semicondutores. O cristal P (positivo) leva o nome de anodo e o cristal 
N (negativo) leva o nome de catodo. 
O anodo é a polaridade positiva e o catodo, a polaridade negativa. Quando 
dizemos que o diodo tem polaridade, significa que ele só permite a passagem da 
corrente no sentido anodo para catodo. No sentido contrário, não conseguimos 
fazer passar corrente elétrica. O símbolo do diodo está desenhado na Figura 1. À 
esquerda está o anodo e à direita, o catodo. A seta nos dá a indicação do sentido 
da corrente elétrica. 
Figura 1 – Símbolo do diodo 
 
Na Figura 2, o lado que possui a faixa cinza é o catodo; o outro lado é o 
anodo. Seus valores estão descritos no próprio corpo do componente. A parte 
cinza representa a ponta da seta. 
Figura 2 – Dispositivo semicondutor de diodo com dois contatos 
 
Fonte: Serorion/Shutterstock. 
 
 
4 
Para entendermos como o diodo permite a passagem de corrente em um 
só sentido, vamos observar a Figura 3. 
 
 Figura 3 – Diagrama de fiação com diodo 
 
Fonte: Serorion/Shutterstock. 
No desenho, o lado positivo da bateria está ligado ao anodo (positivo do 
diodo), e o lado negativo da bateria ao catodo (negativo do diodo). Dessa forma, 
os elétrons do cristal N serão repelidos pelo negativo da bateria, e os buracos 
(falta de elétron do cristal P) serão repelidos pelo positivo da bateria. Assim, os 
elétrons encontram os buracos que deixam de existir, mas deixam novos buracos 
para trás, e assim sucessivamente, fazendo com que haja corrente pela junção. 
Lembrando que, para isso, a diferença de potencial aplicada deve ser de pelo 
menos 0,7 V para os cristais de silício. 
Caso se inverta e ligue o polo positivo da bateria no catodo, irá atrair os 
elétrons do cristal, bem como o polo negativo irá atrair os buracos. Dessa forma, 
não haverá circulação de corrente no diodo. 
Na Figura 4, temos a aplicação de um diodo retificador na saída de uma 
fonte de alimentação. Como a tensão de entrada é alternada (temos um ciclo 
positivo e um negativo), o diodo só permite a passagem do ciclo positivo. A parte 
negativa (tracejada) é barrada pelo diodo. 
 
 
 
5 
Figura 4 – Aplicação de diodo retificador na saída de fonte de alimentação 
 
Fonte: Serorion/Shutterstock. 
TEMA 2 – OUTROS TIPOS DE DIODOS 
Temos outros tipos de diodos, dos quais citaremos alguns. 
2.1 Diodo Zener 
Também conhecido como diodo de tensão contínua, diodo de ruptura ou 
diodo de tensão constante. Quando um Diodo Zener é polarizado inversamente, 
ele mantém uma tensão constante em seus terminais, daí as suas denominações. 
Atua na regulação de tensão de circuitos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
Figura 5 – Circuito eletrônico de Diodo Zener 
 
Fonte: Red sun design/Shutterstock. 
Quando dizemos que um Diodo Zener é polarizado, significa que sua 
ligação ao circuito é inversa a um diodo comum. Em um diodo comum, ligamos o 
anodo no positivo da fonte e o catodo no negativo. No Diodo Zener, no anodo 
ligamos o negativo e no catodo o positivo. Isso porque se ligarmos com a mesma 
polarização de um diodo comum ele irá se comportar como tal (a partir de 0,7 V 
irá se comportar como um retificador, e não como um regulador). Na polarização 
inversa, ele funciona como controlador após os 0,7 V. 
A tensão Vz (tensão do zener) é a tensão a partir da qual o zener entra em 
condução. No corpo do diodo, vem a especificação que pode ser verificada em 
tabelas padrão. Também temos um Iz mínimo (menor corrente com que ele 
funciona e um Iz máximo (maior corrente que o zener suporta) a partir da qual ele 
irá queimar. 
Supomos que precisemos de uma tensão de saída de 12 V e que a fonte 
de alimentação produz mais de 12 V (18 V, por exemplo). Na saída dessa fonte, 
é colocado um diodo de 12 V, de forma que quando a fonte produzir mais de 12 
V, o excesso é retido pelo diodo. Lembrando que a saída da fonte de alimentação 
sempre deve ser maior do que a necessária, ou seja, da tensão do zener. 
 O excesso de tensão é dissipado na forma de calor. Caso a tensão 
aumente demais e ele não suporte, o diodo entra em curto. Nesse caso, é 
necessária uma outra forma de proteção do circuito. 
Sempre que ligamos um Diodo Zener, se faz necessário colocar um resistor 
limitador de corrente em série com o zener. Dessa forma, em nosso exemplo, a 
diferença de tensão de 6 V — entre os 18 V fornecido e os 12 V na saída — ficará 
no resistor imitador do zener. Sem esse resistor, a diferença de tensão ficaria no 
 
 
7 
fio, entre a saída e o zener (que seria somente um fio). Como a resistência do fio 
é muito baixa, pela lei de Ohm, a corrente seria muito alta, fazendo com que nosso 
Diodo Zener queime. Daí a importância de sempre termos um resistor limitador de 
corrente quando usamos um Diodo Zener. 
Outro ponto importante é que a corrente de saída de um zener é baixa 
(potência entre 0,5 a 5 W). Então, quando precisamos de correntes maiores, se 
faz uso de transistores para ganho de corrente, como veremos no próximo tópico. 
2.2 Diodo Túnel 
É de baixa potência e relativamente caro. Sua principal característica é a 
resistência negativa, ou seja, ao aumentarmos a tensão, a corrente diminui, se 
opondo a leide Ohm (𝑉 = 𝑅𝐼). Normalmente, é utilizado na construção de circuitos 
osciladores de altas frequências. 
2.3 Diodo Varicap 
São diodos que têm uma capacitância variável de acordo com a tensão 
aplicada, normalmente utilizados em sintonia de circuitos. Por exemplo, a sintonia 
de canais de TV ou de rádio é feita por meio de indutores ou capacitores, e 
calculada da seguinte forma: 
𝑓 = 
1
2 𝜋 √𝐿 𝐶
 
De modo que se possa alterar a frequência de recepção. Esta pode ser 
também uma das utilizações do Varicap. 
2.4 Diodo SCR 
O diodo retificador controlado de silício é um diodo com três terminais: o 
anodo, o catodo e um gatilho, que quando aplicado um pulso provoca o 
acionamento do dispositivo. 
Ele é um controlador elétrico de potência muito utilizado no controle de 
relés, fontes de potência regulada, controle de motores, carregamento de bateria, 
ou seja, em circuitos que exijam alta potência. 
 
 
 
 
8 
2.5 Fotodiodo 
Eles têm a principal propriedade de variar sua resistência com a incidência 
de luz. Dessa forma, podem ser utilizados como sensores de lâmpadas na 
iluminação pública, sensores de passagem de objetos (como entrada de 
garagens) e também como leitores de códigos de barras, por exemplo. 
Também é um exemplo de semicondutor que converte luz em eletricidade. 
O melhor exemplo que podemos utilizar de fotodiodo são os painéis solares que 
convertem luz em energia elétrica. 
TEMA 3 – LED 
Também conhecido como diodo emissor de luz — do inglês, light-emitting 
diode —, é um semicondutor que quando energizado emite luz. Enquanto diodos 
normalmente utilizam o silício ou o germânio, os LEDs são feitos com arsenieto 
de gálio (GaAs). Isso porque quando elétrons “saltam” de uma lacuna para outra 
dentro dos diodos, eles emitem uma parte de calor e outra de luz. No silício e o 
no germânio, a maior produção é de calor, mas quando se utiliza o arsenieto de 
gálio, a quantidade de luz é muito mais eficiente. 
O primeiro LED foi construído por Nick Holonyac em 1963 e era da cor 
vermelha. O LED amarelo surgiu no final dos anos 60 e o verde em 1975. 
Normalmente, são utilizados em sinalização de circuitos, semáforos, TVs e 
celulares. Hoje, eles são amplamente utilizados na iluminação, em substituição às 
lâmpadas fluorescentes (que sucederam as incandescentes), em virtude de sua 
alta eficiência energética e maior vida útil. Comparativamente, uma lâmpada 
incandescente de 100 W pode ser substituída por uma de LED de 14 W, e termos 
o mesmo fluxo luminoso (medido em lúmens) e cerca de 32 W nas fluorescentes. 
Ainda sobre as lâmpadas fluorescentes, vale a pena lembrar que em seu interior 
temos mercúrio, que é altamente prejudicial ao ser vivo se inalado ou ingerido. 
Por isso, devemos prezar pelo correto descarte de lâmpadas fluorescentes. 
Os luminosos de néon também foram substituídos por LED, pois tinham 
baixa durabilidade, eram frágeis e trabalhavam com alta tensão, havendo riscos 
de choques elétricos perigosos. 
Na televisão, o LED substituiu o antigo tubo de imagem, que era formado 
por um canhão de elétrons, que precisa de milhares de volts para funcionar. Em 
seguida, aplica-se um campo magnético, que interage com a carga elétrica em 
 
 
9 
movimento (o elétron), fazendo-o mudar de direção e atingindo os diversos pontos 
da tela (pixels), que era feita por um material fluorescente que ao ser atingido pelo 
elétron ficava iluminado. Isso era feito varrendo-se todos os pontos da tela a fim 
de formar as imagens. No caso das televisões coloridas, o pixel era formado pelas 
cores azul, verde e vermelho (RGB), sendo necessário um feixe de elétrons para 
cada. Além de grande consumo, trabalhava com alta tensão internamente. 
Para identificar os terminais de ligação de um LED, verifica-se que o anodo 
tem sempre uma “perna” maior, e o catodo, menor. Outra forma de identificar é 
que dentro do LED, no catodo, temos uma parte maior. Isso é importante, pois o 
LED deve sempre ser ligado com polarização direta para funcionar. 
 
Figura 6 – Diodo luminescente conduzido inversamente 
 
 
Fonte: Designua/Shutterstock. 
TEMA 4 – TRANSISTORES 
A base dos circuitos integrados são os transistores, que funcionam como 
chaves sem partes móveis. Eles servem para amplificar sinais e várias outras 
aplicações. Na história, foram os sucessores das válvulas, e seu funcionamento 
mantém a mesma ideia: controlar o fluxo de elétrons, assim como uma válvula na 
tubulação de água, que controla o fluxo de água que por ali passa. 
O transistor foi desenvolvido pelos físicos John Bardeen, Walter Brattain e 
William Shockley em 1948, que receberam o prêmio Nobel de Física em 1956. 
 
 
10 
O transistor é feito de semicondutores, como o silício. O silício é um 
elemento da família 4A da tabela periódica. Antes de chegar ao modelo que 
conhecemos, a tabela periódica passou por diversas fases de construção, mas as 
principais contribuições foram do russo Dmitri Mendeleiev, que organizou os 
elementos por sua massa atômica. A atual foi organizada por Henry Moseley, que 
a organizou pelo número atômico. 
A característica da família na tabela periódica é a formação por elementos 
que possuem o mesmo número de elétrons na camada mais externa, também 
conhecida como camada de valência. São eles: carbono, silício, germânio, 
estanho, chumbo e fleróvio. 
No transistor, cada átomo de silício é ligado a quatro outros átomos. Como 
o silício tem quatro elétrons na última camada, cada elétron se liga a outro átomo, 
compartilhando o elétron entre si. A esta ligação, chamamos de ligação covalente. 
Isso é feito para satisfazer a Regra do Octeto. Segundo esta regra, a camada de 
valência precisa de oito elétrons para ser estável. Lembremos que a camada de 
valência deve seguir o diagrama de Linus Pauling (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 
4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6). Já para o silício: 1s2 
2s2 2p6 3s2 3p2. 
Quando os elétrons dos átomos de silício se unem, eles ficam estáveis. Os 
únicos elementos que possuem a última camada completa são os gases nobres, 
que compõem a família 8A da tabela periódica. 
Uma vez que os silícios estão ligados, eles não possuem elétrons livres 
para transmitir energia (corrente elétrica). Logo, possuem uma baixa 
condutividade elétrica. A técnica utilizada para aumentar essa condutividade é 
chamada de dopagem. A dopagem consiste em inserir um átomo com número de 
elétrons diferentes na camada de valência. Por exemplo, quando se coloca um 
átomo de fósforo, que tem cinco elétrons na camada de valência, um elétron fica 
livre para conduzir eletricidade. Essa dopagem é conhecida como dopagem tipo 
N. Da mesma forma, quando se coloca um átomo de Boro, que tem três elétrons 
na camada de valência, ficará uma posição vazia em uma possível ligação com o 
silício. Essa posição vazia é chamada de buraco, e o elétron do átomo vizinho 
pode preencher esse buraco. Essa dopagem é conhecida por dopagem tipo P. 
Pode-se dopar uma pastilha de silício das seguintes formas: 
 Figura 7 – Circuito eletrônico de Diodo Zener 
 
 
11 
 
Fonte: Berislav Kovacevic/Shutterstock. 
Com isso, temos um transistor. A forma da dopagem nos indica o tipo de 
transistor criado. No primeiro caso, um transistor PNP; no segundo, um transistor 
NPN. No Figura 8, temos a simbologia do transistor. A parte central da pastilha 
dopada é sempre o que chamamos de base do transistor. As demais extremidades 
são o coletor e o emissor. Note que a simbologia tem uma seta no emissor. Uma 
forma simples de identificar no desenho qual o tipo de transistor é pela direção da 
seta. Então, o macete é o seguinte: 
 quando a seta sai do emissor, o transistor é tipo NPN (Não Penetra Nela); 
 quando a seta entra no emissor, é tipo PNP (Penetra Na Peça). 
Figura 8 – Transistor de junção bipolar 
 
Fonte: Hand Robot/Shutterstock. 
 
 
12 
4.1 Funcionamento do transistor 
Incialmente,é necessário notar que a camada da base é mais fina e 
levemente dopada. Pensemos num transistor NPN, por exemplo. Podemos 
pensar no transistor como a junção de dois diodos ligados invertidos (NPN: NP e 
PN). Dessa forma, nenhuma corrente irá passar por ele. Então, dizemos que o 
estado do transistor é “desligado”. 
O emissor e o coletor são ligados em série com o circuito, podendo ou não 
estarem alimentados. Quando ligamos uma fonte entre o coletor e a base (com 
tensão superior à barreira de potencial), fazendo uma polarização direta do diodo, 
irá surgir uma corrente do cristal N para o P. Assim, o transistor passa para o 
estado “ligado” e permite a circulação de corrente entre o emissor e o coletor. 
Esse é o funcionamento mais básico de um transistor, servindo apenas de 
chave para o circuito. Outras aplicações podem ser como o de amplificação de 
sinal. Nesse caso, ligamos uma alimentação entre coletor e emissor, e a partir da 
injeção de corrente na base, a corrente entre emissor e coletor é amplificada. 
A evolução dos transistores foram os circuitos integrados, que são 
constituídos de milhares ou milhões de transistores. 
TEMA 5 – CONSTRUINDO UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO RETIFICADA 
Vamos utilizar uma aplicação prática do que vimos até agora. A potência 
que precisamos em cada equipamento pode variar. Com isso, temos diferentes 
valores de tensão e corrente, pois 𝑃 = 𝑉. 𝐼. 
Como a tensão fornecida pela concessionária é padrão 127/220 V, 
podemos ter circuitos que necessitem de tensões mais baixas, como é o caso do 
carregador do celular, cuja tensão geralmente é de 5 V. Além disso, a corrente 
fornecida é alternada, e a necessária para a carga do celular é contínua. 
Vamos seguir então um simples projeto para se construir uma fonte de 5 V 
em corrente contínua, pois esta é a tensão mais utilizada em circuitos eletrônicos. 
Para isso, precisaremos de alguns componentes: 
 1 transformador 127/220 Vac para 12 Vac 500 mA; 
 4 diodos 1N4007 ou similar; 
 1 Diodo Zener 1N752 5V6 500 mW ou similar; 
 1 resistor de 330 Ω; 
 1 capacitor de 1000 uF 25 V. 
 
 
13 
O transformador irá rebaixar a tensão da rede de 127/200 V para 12 V. 
Após a saída do transformador, ligamos os diodos 1n4007 em ponte, conforme a 
Figura 9. Isso fará com que a tensão alterna vire uma tensão contínua pulsante. 
 Figura 9 – Diodo retificador de onda completa de tensão de saída 
 
Fonte: Maikon Lucian Lenz/Shutterstock. 
Na saída dos diodos, colocamos o capacitor eletrolítico de 1000 uF/25 V, 
que serve para atenuar o ripple. Para entender melhor o que o ripple fez, vamos 
analisar a Figura 10, cujas imagens foram tiradas com um osciloscópio. 
Figura 10 – Circuito retificador de meia onda cheia 
 
 
Fonte: Fouad A. Saad/Shutterstock. 
 
 
14 
Na primeira imagem, temos apenas um transformador e o osciloscópio está 
ligado na saída deste. O transformador recebe corrente alternada na entrada e a 
transforma em outro valor em sua saída. Porém, essa saída ainda é alternada. 
Na segunda imagem, foi colocado um diodo na saída do transformador. 
Como o diodo só permite a passagem de corrente num sentido, ele deixa passar 
somente o ciclo positivo da corrente alternada. 
Na terceira imagem, foi colocado uma ponte retificadora. Os diodos 
colocados naquela disposição permitem que tanto o ciclo positivo quanto o 
negativo da senoide passem. Porém, eles invertem o ciclo negativo deixando 
positivo também. Essa oscilação é o ripple. 
Na imagem seguinte, inserimos o capacitor, no nosso caso de 1000 uF 25V. 
Como o capacitor é um dispositivo capaz de armazenar carga elétrica, ele se 
carrega no primeiro ciclo da senoide. Enquanto o ciclo da senoide rapidamente 
vai a zero, ele começa a descarregar sua energia. Porém, a curva de descarga já 
encontra outra senoide na subida e ele se recarrega novamente. Assim, nossa 
tensão já não chega a zero. 
Por fim, na saída colocamos o resistor de 330 Ω e o Diodo Zener. O resistor 
servirá para consumir a diferença de tensão, e o zener irá regular para que a 
tensão de saída fique em 5 V contínua. 
 
 
 
15 
REFERÊNCIAS 
BRAGA, N. C. Curso de Eletrônica: Eletrônica Básica. São Paulo: NCB, 2012. 
CAVALCANTI, P. J. M. Fundamentos de Eletrotécnica. 22. ed. Rio de Janeiro: 
Freitas de Bastos, 2015. 
GASPAR, A. Física: eletromagnetismo e física moderna. São Paulo: Ática, 2000. 
v. 20035. 
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física: 
eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 3. 
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade e 
magnetismo. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. 
SILVA, C. E. et al. Eletromagnetismo: fundamentos e simulações. São Paulo: 
Pearson, 2014.