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Análise de Circuitos Eletrônicos Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Esp. Elvis Luiz dos Santos Revisão Textual: Prof. Esp. Claudio Pereira do Nascimento Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica • Diodo Semicondutor; • Transistores; • Princípios de Funcionamento; • Amplificadores operacionais. • Estudar os principais fundamentos de eletrônica analógica. OBJETIVO DE APRENDIZADO Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica Diodo Semicondutor O Diodo semicondutor é formado juntando–se simplesmente o material Tipo n e o material Tipo p em uma mesma base Ge ou Si. Ânodo Ânodo Cátodo Cátodo Figura 1 - Diodo Físico e Simbologia Elétrica do Diodo Semicondutor A K A K On Figura 2 – Diodo representado como chave Fechada Fonte: Adaptado de DUARTE (2017) A K A K O� Figura 3– Diodo representado como chave aberta Fonte: Adaptado de DUARTE (2017) Modos de Polarização do Diodo Semicondutor • Polarização Direta: A condição de polarização Direta, ou “Ligada”, é esta- belecida aplicando-se o potencial positivo ao material Tipo p e o potencial negativo ao material Tipo n, figura 3a, neste momento o diodo se comporta como uma chave fechada, figura 6b. (a) (b) R R V V I D D ++ + _ + _ _ + _ + __ I Figura 4 – Diodo polarizado Diretamente 8 9 • Polarização Reversa: A condição de polarização Reversa, ou “Desligada”, é estabelecida aplicando-se o potencial positivo ao material Tipo n e o potencial negativo ao material Tipo p, figura 4a, neste momento o diodo se comporta como uma chave aberta, figura 4b; (a) (b) R R V V I D D ++ + _ + _ _ + _ + __ I Figura 5 – Diodo polarizado Reversamente • Tipos de Diodos: Diodo Schottky; Varicap ou Varactor; LED; Fotodiodo; • Diodo Zener: É um diodo utilizado como regulador de tensão, ele é feito para funcionar na região de ruptura, utilizado como regulador de tensão. Anode Cathode Figura 6 –Diodo Zener Transistores Princípio de Operação Figura 7 – Primeira versão do que veio a ser o transistor (Primeira versão do que veio a ser o transistor foi criada em 1945 por uma equipe do Bell Labs) Fonte: cs.cornell.edu 9 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica Figura 8 – Forma física dos transistores de potencia Fonte: Wikimedia Commons Tabela 1 – Cronologia da inovação dos transistores Principais inovações no campo dos Semicondutores Inovação Laboratório Ano Transistor Ponto de Contato Bell Labs-Western Electric 1947 Cultivo em Cristal Simples Western Electric 1950 Zona Refinada Western Electric 1950 Transistor de Junção Cultivada Western Electric 1951 Transistor de Silicio Texas Instruments 1954 Mascara de Óxido e Difusão Western Electric 1955 Transistor Planar Fairchild 1960 Circuito Integrado Texas Instruments, Fairchild 1961 Diodo Gunn IBM 1963 História do Transistor O transistor foi inventado nos Laboratórios da Beel Telephone, em dezembro de 1947, por Bardeen e Brattain, descoberto por acidente durante os estudos de superfícies em torno de um diodo de ponto de contato, visto que eles estavam pro- curando um dispositivo de estado sólido equivalente à válvula eletrônica. Os tran- sistores eram, portanto, do tipo “point-contact” e existe evidência que Shockley, o teorista que chefiava as pesquisas, estava chateado porque esse dispositivo não era o que estava procurando. Na época, ele estava procurando um amplificador semicondutor similar ao que hoje chamamos de “junção FET”. O nome transistor foi derivado de suas propriedades intrínsecas “resistor de transferência”, em inglês: (TRANsfer reSISTOR). Os Laboratórios Bell mantiveram essa descoberta em se- gredo até junho de 1948 (daí a confusão com as datas de descobrimento). 10 11 Transistor de Junção Bipolar 0 transistor bipolar de junção é um dos dispositivos eletrônicos mais empregados em circuitos amplificadores e em circuitos de chaveamento. Ele é um dispositivo de três terminais formado a partir de duas junções que possuem uma camada semi- condutora em comum. Existem dois tipos de transistores bipolares de junção, como apresentado na figura 8 tipo NPN e apresentado na figura 8a, o transistor PNP que constitui-se de uma camada de material tipo N colocada entre duas camadas de material tipo P. Já o transistor tipo NPN, apresentado na fig. 8b, constitui-se de uma camada de material tipo P colocada entre duas camadas de material tipo N. Essas três camadas dão origem aos três terminais do transistor bipolar: o emissor (emitter) (E), a base (base)(B) ao coletor (collector) (C) como apresentado nas figu- ras. 8a e 8b. P PN PN N Emissor Emissor Emissor Emissor Base Base Base Base Colecionador Colecionador Símbolo de transistor PNP Símbolo do transistor NPN Colecionador Colecionador Figura 9 – Tipos de polarização dos transistores Abaixo, simbologia e tipos de encapsulamentos dos transistores segundo nor- ma internacional. B B1 B2 B1 B2 B B BB L B B B C E C E C E C E EE C E C E C E C E D G G S D G S D G S D S Transitor NPN Transistor NPN com coletor preso à tampa UJT-n União Fototransistor NPN Multiemissor NPN Avalanche NPN Transistor Schottky NPN Canal N do transistor JFET Canal P do transistor JFET Transistor JFET Canal P Transistor JFET Canal N UJT-p União Túnel do transistor de NPN Transistor PNP Simbologia dos transistores 11 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica B B1 B2 B1 B2 B B BB L B B B C E C E C E C E EE C E C E C E C E D G G S D G S D G S D S Transitor NPN Transistor NPN com coletor preso à tampa UJT-n União Fototransistor NPN Multiemissor NPN Avalanche NPN Transistor Schottky NPN Canal N do transistor JFET Canal P do transistor JFET Transistor JFET Canal P Transistor JFET Canal N UJT-p União Túnel do transistor de NPN Transistor PNP Simbologia dos transistores Figura 10 – Simbologia e encapsulamentos dos transistores Encapsulamentos utilizados para cada modelo de Transistor: http://bit.ly/2NtPzqr Ex pl or Princípios de Funcionamento Métodos de Polarização Configurações que um Transistorpode assumir: • Base Comum (BC); • Emissor Comum (EC); • Coletor Comum (CC). Base Comum Simbologia dos transistores Con�guração básica comum B N NP B CE E C IE IE IB IB VBE VBE VCB VCB IC IC Simbologia dos transistores Con�guração básica comum B N NP B CE E C IE IE IB IB VBE VBE VCB VCB IC IC Figura 11 – Configuração Base Comum • Na configuração de base comum: 12 13 » Entrada do Sinal: entre emissor e base; » Saída do Sinal: entre coletor e base. • Características: » Ganho de corrente (Gi) menor que 1; » Ganho de tensão (Gv) elevado. Impedância de entrada (ZIN) baixa e Impedância de saída (ZOUT) alta. IE = IB + IC Emissor Comum Con�guração de emissor comum B B N N P C C IE IE IB IB VBE VBE VCE VCE IC IC E E + _ + _ + _ + _ Con�guração de emissor comum B B N N P C C IE IE IB IB VBE VBE VCE VCE IC IC E E + _ + _ + _ + _ Figura 12 –Confi guração emissor comum • Na configuração emissor comum: » Entrada do Sinal: entre base e emissor; 13 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica » Saída do Sinal: entre coletor e emissor. • Características: » Ganho de corrente (Gi) elevado; » Ganho de tensão (Gv) elevado. Impedância de entrada (ZIN) média e Impedância de saída (ZOUT) alta. Coletor Comum Con�guração de coletor comum B B C C IE IB IB VBC VBC VEC VEC IC IE RE IC E E + _ + _ + _ N N P RE Con�guração de coletor comum B B C C IE IB IB VBC VBC VEC VEC IC IE RE IC E E + _ + _ + _ N N P RE Figura 13 –Configuração coletor comum 14 15 • Na configuração coletor comum: » Entrada do Sinal: entre base e coletor; » Saída do Sinal: do circuito de emissor. • Características: » Ganho de corrente (Gi) elevado; » Ganho de tensão (Gv) menor que ou igual a 1. Impedância de entrada (ZIN) muito elevada e Impedncia de saída (RZOUT) muito baixa. Transistores de Efeito de Campo Como no caso do Transistor Bipolar de junção, a tensão entre dois terminais do FET (field-effect transistor) controla a corrente que circula pelo terceiro termi- nal. Correspondentemente, o FET pode ser usado tanto como amplificador quanto como uma chave. O nome do dispositivo origina-se de seu princípio de operação. O controle é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no termi- nal de controle. O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico) é, de longe, o tipo mais comum de transistores de efeito de campo em circuitos tanto digitais quanto analógicos. Figura 14 Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons 15 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica O transistor de efeito de campo, abreviado por JFET, é um dispositivo de três terminais, utilizado em várias aplicações, pré-amplificador de vídeo para câmeras de TV, estágios amplificadores de RF para receptores de comunicações, instrumen- tos de medição etc., e que realiza muitas das funções do transistor comum. A diferença fundamental entre os dois tipos de transistores é o fato de que o Transistor Bipolar de junção é um dispositivo controlado por corrente, enquanto o JFET é um dispositivo controlado por tensão. Existem transistores de efeito de campo de canal n e canal p. Devemos lembrar que o JFET é um dispositivo unipolar, dependendo somente da condução realizada por elétrons (canal n) ou lacunas (canal p). A alta impedância de entrada é uma das características mais importantes do FET com valores superiores a 1MΩ, esta característica é essencial para projetos de amplificadores. Amplificadores operacionais O amplificador operacional (Conhecido como AO) é um dispositivo eletrônico, na forma de circuito integrado (CI), com função de amplificar e comparar sinais elétricos, suas características de funcionamento se aproximam de um amplificador ideal. Este componente é bastante utilizado pela indústria eletrônica devido a sua ver- satilidade, o que o torna aplicável em uma gama considerável de equipamentos eletrônicos, na área industrial, áudio, vídeo entre outros. O AO teve sua primeira aplicação como um dispositivo para realização de ope- rações matemáticas, executadas eletronicamente nos antigos computadores da era analógica, dando a ele o nome de amplificador operacional . O Amplificador operacional é representado eletronicamente pelo símbolo abaixo. + Vss + _- input Output + input -Vss Figura 15 – Simbologia eletrônica do AO e componente LM741 16 17 Figura 16 - Componente LM741 O Amplificador operacional possui uma característica bastante específica quan- do o assunto é a alimentação. Para que ele possa fazer as comparações de sinais elétricos, necessita de uma alimentação simétrica, isto que dizer que precisamos alimentar o AO com tensão positiva e negativa de mesmo valor de tensão. Figura 17 - Amplifi cador alimentado com fonte simétrica Fonte: Acervo do conteudista Terminais de Entrada Como podemos notar na figura 16, além dos terminais de alimentação 4 e 7, o AO ainda possui outros terminais, como os terminais 2 e 3, que tem como finali- dade conectar os sinais de entrada ao para que ele cumpra sua finalidade básica de um amplificador operacional que é realizar a amplificação tanto de tensões contí- nuas como alternadas. O terminal de entrada 2(-) é conhecido como entrada inversora e o pino 3 de entrada não inversora (+). Figura 18 - AO com sinal na entrada não inversora Fonte: Acervo do conteudista 17 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica Figura 19 - AO com sinal na entrada inversora Fonte: Acervo do conteudista Características do Amplificador Operacional As características de um AO são fornecidos no data sheet do fabricante, é por este importante documentos que podemos determinar as possíveis aplicações do componente, assim como a forma de se calcular os componentes externos e saber suas limitações elétricas. Dentre as informações que podem ser obtidas neste documentos, estão: • Impedância de entrada: A impedância de entrada Zi de um AO é aquela te- oricamente medida entre os terminais de entrada do dispositivo, um AO deve apresentar uma impedância de entrada da ordem de MΩ, isso evita que o sinal injetado na entrada não seja consumido internamente; • Impedância de saída: A impedância de saída Zo de um AO é aquela teorica- mente medida nos pinos de saída, este valor deve estar na faixa 10 Ω< Zo < 1 kΩ; • Ganho de tensão em malha aberta: Este parâmetro define o ganho do am- plificador diferencial quando não há realimentação; • Tensão offset de saída: Quando aterramos as entradas de um AO, a tensão de saída deveria ser 0V, mas na realidade isso não ocorre e uma tensão apare- ce na saída. Para ajustar este problema existe o pino de off set do AO; • Banda passante: Este parâmetro determina a perda de ganho do AO com o aumento da frequência do sinal de entrada, ou seja, é a faixa de frequências de sinal em que o ganho diferencial do amplificador é superior a cerca de 70% do ganho máximo. 18 19 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Laboratório de Eletricidade e Eletrônica CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. Ed. São Paulo: Erica, 2007. Eletrônica Analógica Básica DUARTE, M. de A. Eletrônica analógica básica. Coordenação Nival Nunes de Almeida. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. Vídeos História do Transistor https://youtu.be/Xsv03w9YJqI Transistor como funciona https://youtu.be/0kgT66tE7N4 Coleção Técnica Interativa - Eletrônica - Semicondutores https://youtu.be/HmvppRT9nm4 Teoria sobre Semicondutores https://youtu.be/snLCgz7W22Y Leitura Transístor de Papel: a descoberta de Elvira Fortunato que já revoluciona o mundo http://bit.ly/323QmBD 19 UNIDADE Revisão de Conceitos sobre Eletrônica Analógica Referências CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M.Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. Ed. São Paulo: Erica, 2007. DUARTE, M. de A. Eletrônica analógica. Coordenação Nival Nunes de Almeida. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. 20