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Barreira de potencial
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P N
+-
{
VDVR
ID
IR
Polarização
direta
Polarização
reversa
Tensão de
ruptura
(breakdown)
Tensão de
barreira de
potencial
Anodo
(A)
Catodo
(K)
P N
A K
Prof. José Daniel S. Bernardo
profdaniel2019@gmail.com
N P N
B
E C
P N P
B
E C
B
E C
B
E C
APRESENTAÇÃO
O objetivo desta apostila é iniciar o aluno no estudo dos dispositivos
semicondutores, desde os diodos, com algumas de suas apresentações (retificador,
de sinal, led, Zener) até os transistores bipolares de junção, com a teoria básica de
funcionamento de cada um deles e algumas aplicações práticas.
Duas das famílias mais populares de reguladores integrados (78XX e LM317)
também são apresentadas, além de um capítulo dedicado a dispositivos ópticos como
fotoacopladores.
A interpretação das folhas de informações originais (Datasheets) dos
fabricantes e das curvas características dos dispositivos é também comentada e
utilizada no dimensionamento desses componentes.
Uma extensa lista de exercícios é apresentada, incluindo diversos de testes de
admissão em grandes empresas, de provas do ENADE e de outras apostilas, todos
devidamente identificados e com respostas.
A compreensão adequada deste material irá permitir o aprofundamento
posterior na vasta família dos chamados dispositivos de estado sólido, em
contraponto às antigas válvulas termoiônicas, substituídas pelos semicondutores a
partir do final da década de 1950.
Espero que o aluno tenha, ao ler este material, o mesmo prazer que tive em
prepará-lo.
Prof. José Daniel S. Bernardo
profdaniel2019@gmail.com
ORIENTAÇÕES AO ALUNO – ELETRÔNICA I
Prof. José Daniel S. Bernardo (profdaniel2019@gmail.com)
A SEGUIR SERÃO FORNECIDAS DIVERSAS INFORMAÇÕES SOBRE O CURSO DE ELETRÔNICA I. ESPERA-SE
QUE O ALUNO TOME CONHECIMENTO DELAS E, EM CASO DE DÚVIDA, PROCURE O PROFESSOR.
Objetivos
Fornecer aos alunos o conhecimento dos dispositivos eletrônicos básicos (diodos e transistores),
desde seus princípios de funcionamento até o dimensionamento para utilização em circuitos simples.
1- Será utilizada a apostila de Eletrônica I que está disponibilizada no site da faculdade. Ela contém toda
a teoria e os exercícios que serão vistos. A apostila também está disponível no D.A. de Engenharia,
onde poderá ser impressa e encadernada.
2- Também está sendo fornecida, apenas no site da Faculdade, uma apostila básica e um conjunto de
arquivos de simulação do aplicativo EWB – Electronics Workbench, um simulador de circuitos
eletrônicos, para auxiliar na compreensão dos conceitos de Eletricidade e Eletrônica.
3- Não é necessário entregar nenhum relatório de Laboratório. Os resultados obtidos nas experiências
devem auxiliar o aprendizado, confirmando os conceitos vistos na teoria. Muitos dos exercícios (da
apostila e das avaliações) podem ser mais facilmente compreendidos quando se tem uma visão prática
do assunto. Essa visão é obtida no Laboratório ou com o uso do EWB ou programas similares (e
superiores), como o Proteus, o PSpice e o Multisim.
4- A nota bimestral é função apenas da nota da avaliação teórica, que pode também conter questões
sobre as experiências de laboratório.
5- A verificação da presença dos alunos será feita sempre no final das aulas, e poderá ocorrer duas
vezes, antes e depois do intervalo.
6- É aconselhável que todos os alunos pesquisem provas anteriores do ENADE, bem como testes de
admissão em grandes empresas, que estão disponíveis na Internet. A resolução desses testes permite
ao aluno conhecer outras formas de questionamento diferente das vistas na faculdade. Diversas
dessas questões estão presentes nesta apostila.
7- É essencial que o material fornecido (apostilas de teoria e laboratório e simulações com o EWB)
seja ESTUDADO e COMPREENDIDO, para que seja obtido um aproveitamento adequado da
disciplina e consequente aprovação.
8- Sobre as avaliações (P1, P2, P3, P4 e TPs):
a. serão permitidas APENAS calculadoras científicas simples nas provas; estão proibidos
modelos como HP50 e outras similares que tenham capacidade de armazenamento de textos
e/ou de comunicação (via infravermelho, bluetooth etc); os alunos devem se adaptar à essa
exigência; não serão aceitas justificativas posteriores;
b. o uso de celulares de qualquer tipo é PROIBIDO durante a prova, mesmo que seja para uso
como calculadora ou simplesmente para consultar as horas;
c. o material básico para uso em prova (salvo orientações e necessidades específicas) será:
caneta, lápis/lapiseira, borracha, régua e calculadora científica simples; não será permitido o
empréstimo de material durante as provas;
d. é necessário portar o crachá da faculdade ou documento com fotografia para identificação;
e. a forma de apresentação das respostas numéricas deve se basear na Notação de Engenharia,
obrigatoriamente com as respectivas unidades de medida; respostas em formatos diferentes ou
sem unidade de medida estão sujeitas a perda de pontos; o tópico Formas de Representação
Numérica, no início da apostila, possui vários exemplos e orientações;
f. segundo ordem expressa da DIREÇÃO, divulgada na reunião de início de semestre
(30/01/2015), caso um aluno seja flagrado colando (de outro aluno, de fontes escritas ou
eletrônicas ou por qualquer outro meio), o professor deve encaminhar o fato diretamente à
direção, que aplicará punição (suspensão, que pode ocorrer durante o período de provas), além
disso será atribuída pelo professor nota zero ao(s) aluno(s) envolvido(s);
g. a primeira e a segunda avaliações bimestrais (P1 e P2) terão o valor de 7,0 (sete) pontos,
complementados com mais 3,0 (três) pontos de Trabalhos Práticos (TPs) a serem realizados
obrigatoriamente em classe; a prova substitutiva (P3) e a prova para formandos (P4) valerão
10,0 (dez) pontos, e nelas não entrarão os TPs.
9- Este documento (Orientações ao Aluno) está sendo disponibilizado no início do semestre, e
será comentado em classe nas primeiras semanas de aula. Subtende-se que TODOS os alunos
terão conhecimento dele.
Plano de Ensino
Noções de física dos semicondutores – junções PN
Diodos semicondutores – princípios de funcionamento e características
Retificação de ½ onda e onda completa sem e com filtragem capacitiva
Diodo Zener – princípios de funcionamento e características
Diodos Emissores de Luz – LED- princípios de funcionamento e características
Transistores bipolares de junção – princípios de funcionamento e características
Circuitos básicos com transistores
Projeto de fontes de alimentação estabilizadas
Reguladores integrados de tensão – séries 78XX E LM317
Outros dispositivos optoeletrônicos
Laboratório
Características básicas dos diodos semicondutores
Retificação de ½ onda e onda completa sem e com filtragem capacitiva
Características básicas dos diodos Zener – fontes estabilizadas simples
Circuitos com transistores
Bibliografia
Boylestad, Nashelsky – Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 2009, Pearson
Halkias, Millman – Eletrônica vol. 1 e 2, 1981; Ed. Mc Graw Hill
Prof. José Daniel S. Bernardo Formas de Representação Numérica
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FORMAS DE REPRESENTAÇÃO NUMÉRICA
Quando se deseja fornecer uma informação ou a resposta de um problema em formato
numérico, podem ser utilizadas várias maneiras. Vejamos os exemplos abaixo:
FÍSICA
O comprimento de onda da luz vermelha
a passagem da cor-
rente em apenas um sentido. No exemplo mostrado, ape-
nas o semiciclo positivo do sinal senoidal será transferido
para a carga (resistor RL). O semiciclo negativo será bar-
rado pelo diodo. Ao lado podem ser vistas as formas de
onda antes do diodo (Vsec) e após este (Vdc). A tensão,
que era alternada, transformou-se em uma tensão contínua pulsante. Ainda não é a tensão que a
maioria dos equipamentos necessita para funcionar, pois falta, pelo menos, a etapa de filtragem
que será vista mais adiante. Se essa tensão for medida por um voltímetro para sinais contínuos,
será encontrado o valor médio do sinal pulsante, obtido a partir do valor de pico do sinal do secun-
dário, do qual é subtraída a queda de tensão sobre o diodo (Vd=0,7V para o Silício):
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
𝑉𝑝 − 𝑉𝑑
𝜋
As correntes na carga (Idc) e no diodo (Id) serão:
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 = 𝐼𝑑𝑐
E a tensão reversa sobre o diodo, durante o semiciclo negativo, será:
𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 (𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜)
Esta forma de retificação (meia onda) não é muito usada por ser ineficiente, pois perde a energia
disponível em um dos semiciclos (no exemplo, o negativo),
que não é utilizado.
Invertendo o diodo, a tensão de saída da fonte (tensão
contínua retificada) será negativa, como mostrado ao
lado e abaixo.
t
Vdc
0 2p t
Vsec
3p 4pp
0 2p 3p 4pp
RL
Transformador
Primário Secundário
D
Vpri Vsec Vdc
Id
Idc
t
Vdc
0 2p t
Vsec
3p 4pp
0 2p 3p 4pp
RL
Transformador
Primário Secundário
D
Vpri Vsec Vdc
Id
Idc
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
33
2.4- Retificação de Onda Completa
Existem duas formas de se obter uma retificação de onda completa, onde os dois semiciclos
do sinal alternado serão utilizados: com transformadores especiais, que possuem uma deriva-
ção do enrolamento denominada Center Tap (CT), ou com pontes de diodos.
2.4.1- Retificação de Onda Completa com Transformadores de CT
O transformador de CT (Center Tap ou derivação central) apresenta dois enrolamentos
secundários idênticos, que fornecem tensões iguais, mas com fases opostas (defasadas de
180º), que podem ser vistas nos gráficos (Vsec1 e Vsec2).
No intervalo de 0 a p o diodo D1 conduz o semiciclo
positivo (vermelho) de Vsec1, enquanto D2 está cortado
(não conduz); no intervalo de p a 2p o diodo D2 conduz o
semiciclo positivo (azul) de Vsec2, enquanto D1 está cor-
tado. As correntes que passam por cada um dos diodos
retornam ao transformador pelo CT. Esta sequência pros-
segue nos ciclos seguintes. Agora, os dois semiciclos do
sinal alternado, um de cada secundário, aparecem na
carga e a retificação é de onda completa.
Se a tensão Vdc for medida por um voltímetro para si-
nais contínuos, será encontrado o valor médio do sinal pul-
sante:
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
2(𝑉𝑝 − 𝑉𝑑)
𝜋
As correntes na carga (Idc) e nos diodos (Id) serão:
A tensão reversa sobre o diodo será o dobro do valor de pico. Para entender por que, su-
ponhamos que o valor de pico das tensões do secundário seja de 10V. Quando D1 conduz, a
tensão de pico de Vsec1 (+10V) aparece no catodo de D2, que esta cortado (não conduzindo);
no anodo de D2 temos nesse instante o semiciclo negativo de Vsec2 (-10V). A tensão sobre D2
será a diferença de potencial entre seu anodo e catodo, ou seja: [(-10V) - (+10V)], que resulta
em -20V. Portanto:
𝑉𝑅 = 2𝑉𝑝
t
Vdc
t
Vsec1
t
Vsec2
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
RL
D1
Center Tap
CTVpri
Vsec1
Vsec2
Id1
Id2
D2
Vdc
Idc
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 =
𝐼𝑑𝑐
2
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2.4.2- Retificação de Onda Completa com Ponte de Diodos (Retificação em Ponte)
Uma ponte de diodos é um arranjo que utiliza quatro destes dispositivos montados como
no diagrama abaixo. Para entender seu funcionamento é preciso lembrar que uma tensão (di-
ferença de potencial) é sempre medida em relação a um determinado ponto (referência).
Se a referência for o lado B (considerado como zero), durante o semiciclo vermelho o lado
A do enrolamento será positivo em relação ao lado B. Durante o semiciclo azul, o lado A será
negativo em relação ao lado B. Essa é a situação representada pela onda em traço contínuo
(lado A do transformador).
Mas, se a referência for o lado A (considerado como zero), para o semiciclo azul, o lado B
será positivo em relação ao lado A (situação representada na onda tracejada do lado B do
transformador). Isso não muda em nada a polaridade e a amplitude da onda, mas auxilia na
análise do circuito.
As setas de corrente em vermelho são referentes ao
semiciclo positivo no lado A do transformador; as setas
em azul representam a corrente no momento em que o
semiciclo é negativo no lado A (ou positivo no B) do trans-
formador. Podemos notar que as setas de corrente antes
da ponte se apresentam nos dois sentidos (sinal alter-
nado), enquanto que após a ponte o sentido é único (sinal
contínuo). A corrente do semiciclo vermelho passa pelos
diodos D1 e D3, enquanto que a do semiciclo azul passa
por D2 e D4.
Neste circuito, a corrente passa sempre por dois diodos em série (D1 e D3 ou D2 e D4),
portanto a queda de tensão sobre os diodos será o dobro das situações anteriores (2Vd=1,4V).
A tensão contínua na saída da ponte será então:
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
2(𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑)
𝜋
As correntes na carga (Idc) e nos diodos (Id) serão:
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 =
𝐼𝑑𝑐
2
Analise o circuito e conclua porquê a tensão reversa sobre os diodos será a tensão de pico
do secundário:
𝑉𝑅 = 𝑉𝑝
t
Vsec
t
Vdc
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
Vpri Vsec D1
D3
D2
D4
RL Vdc
Idc
A
B
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35
2.5- Filtragem do Sinal Retificado
Como foi dito anteriormente, a maioria dos siste-
mas eletrônicos funciona com tensões contínuas. No
entanto, a rede de distribuição de energia é de tensão
alternada, que precisa ser convertida em contínua. Os
retificadores vistos até agora fazem exatamente isso,
mas ainda não obtivemos uma tensão contínua pura, e
sim uma contínua pulsante. As duas formas podem ser
vistas nos gráficos ao lado.
Para diminuir as ondulações do sinal retificado pul-
sante e tentar aproximá-lo de um sinal contínuo puro,
são utilizados filtros capacitivos, conectados em para-
lelo com a carga, como mostrado no circuito abaixo.
Como são necessárias capacitâncias elevadas, os ca-
pacitores utilizados são do tipo eletrolítico, com valores
da ordem de centenas ou milhares de micro Farads (µF
ou 10-6F).
Nesse circuito,
o capacitor de filtro
se carrega com o
valor de pico do
sinal pulsante e vai
se descarregando
lentamente no in-
tervalo entre dois
picos sequenciais de tensão, como pode ser visto nos gráficos abaixo. As oscilações do sinal
pulsante não são totalmente eliminadas, e a tensão de saída da fonte (linha preta sobre o sinal
pulsante) apresenta uma ondulação residual que é denominada ripple. Quanto menor for
o ripple, melhor será a filtragem do sinal e a qualidade da fonte.
Os valores do capacitor de filtro e do resistor de carga RL influem diretamente no ripple:
Valores altos de capacitância, que conseguem armazenar grande quantidade de
carga elétrica, resultam em ripple menor, pois conseguem suprir a carga de corrente
elétrica nos intervalos entre os semiciclos da tensão retificada. Por outro lado,
valores baixos de capacitância resultam
em ripple maior.
t
Vdc
Tensão contínua pulsante
0 2p 3p 4pp
t
Tensão contínua pura
0 2p 3p 4pp
Vdc
Vpri Vsec D1
D3
D2
D4
RL VdcC
+
t
Vdc
t
Vdc
Ripple baixo:
capacitância alta e/ou carga RL baixa
Ripple alto:
capacitância baixa e/ou carga RL alta
0 2p 3p 4pp 0 2p 3p 4pp
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
36
Quanto menor for o consumo de corrente da carga (ou seja, uma carga baixa, que
consome pouca energia, onde o resistor de carga RL tem valor ohmico alto), mais
lentamente o capacitor será descarregado e menor será o ripple. Cargas altas (o
que significa que o resistor RL terá valor ohmico baixo), consumirão correntes
elevadas descarregando mais rapidamente o capacitor e causando maior ripple.
Portanto:
Quanto maiores a capacitância e a resistência da carga RL, menor será o ripple.
Quanto menores a capacitância e a a resistência da carga RL, maior será o ripple.
É importante notar que a frequência do ripple depende do tipo de retificação: em redes
de 60Hz, como no Brasil, para meia onda será de 60Hz, enquanto que para onda completa
será o dobro, ou 120Hz.
2.6- Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua
No gráfico ao lado podem ser vistos o valor de
pico da tensão retificada (Vp’), o valor de pico a
pico do ripple (Vr(pp)) e o valor contínuo (Vdc),
sobre a carga RL, com o capacitor de filtro C ins-
talado.
O valor contínuo (Vdc) é o valor médio da
ondulação do ripple.
AS FÓRMULAS A SEGUIR SÃO VÁLIDAS PARA
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO.
O valor da tensão de ripple ou de ondulação é expresso por:
𝑉𝑟(𝑒𝑓) =
𝐼𝑑𝑐
4. 10−3√3𝑓𝐶
=
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
2,4. 103𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿𝐶
onde:
ATENÇÃO PARA OS SUBMÚLTIPLOS mA e µF DAS FÓRMULAS! *
O valor da tensão contínua na saída do filtro é dado por:
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ −
𝐼𝑑𝑐
4. 10−3𝑓𝐶
= 𝑉𝑝′ −
4,17𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
𝑉𝑝′
1 +
4,17. 103
𝑅𝐿𝐶
onde:
Vr é a tensão eficaz do ripple (em V eficazes)
Idc é a corrente contínua na carga (em mA)
f é a frequencia da rêde elétrica (60Hz)
C é o capacitor de filtro (em µF)
Vdc é a tensão continua na carga (em V)
RL é a resistência da carga (em Ω)
t
Vp’
Vr(pp)Vdc
0 2p 3p 4pp
Vp’ é a tensão de pico do sinal senoidal APÓS os retificadores* (em V)
para retificação com transformador de CT, Vp’ = Vp – Vd
para retificação em ponte, Vp’ = Vp – 2Vd
Vp é a tensão de pico no secundário do transformador
quando os diodos são considerados ideais (Vd = 0), Vp’ = Vp
* ver diagrama com detalhes sobre Vp’ na próxima página
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37
O fator de ripple será:
𝑟 =
𝑉𝑟(𝑒𝑓)
𝑉𝑑𝑐
. 100% =
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶𝑉𝑑𝑐
. 100% =
2,4. 103
𝑅𝐿𝐶
. 100%
onde:
A partir das equações acima e das mostradas nos itens anteriores, pode-se dimensionar
fontes lineares simples. Dois exemplos são mostrados a seguir.
*Obs.: No livro Dispositivos Eletrônicos (Boylestad), de onde foi extraído este método, os cálculos
são feitos com RL em Kilo Ohms. Nesta apostila utilizamos RL em Ohms. Os fatores 103 e 10-3 nas
fórmulas são para efetuar a conversão de Kilo Ohms para Ohms.
ATENÇÃO: As fórmula mostradas neste item são exclusivamente para quando existe
um capacitor de filtro no circuito (item 2.5). Quando esse capacitor não está presente,
as fórmulas para determinação da tensão de saída da fonte são as apresentadas nos
itens 2.3, para ½ onda, e 2.4 para onda completa.
r é o fator de ripple (em %)
Vpri Vsec D1
D3
D2
D4
RL C
+
Vp
Vp’
RL
D1
Center Tap
CTVpri
Vsec1
Vsec2
D2
+
Vp’
C
Vp
Vp
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Exemplo 1:
O transformador do circuito ao lado tem uma relação de
transformação de 11:4 para cada secundário, e é alimen-
tado com 220V. O capacitor é de 2200µF e a carga é de
120Ω. Determinar:
a- a tensão contínua na carga e o seu ripple %;
b- as características dos diodos (indicar o diodo mais
adequado) e a tensão de trabalho para o capacitor
(VC).
cálculo da tensão em cada secundário do transformador:
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
⟹
220V
𝑉2
=
11
4
⟹ 𝑽𝟐 = 𝑽𝒔𝒆𝒄𝟏 = 𝑽𝒔𝒆𝒄𝟐 = 𝟖𝟎𝑽
cálculo da tensão de pico na entrada do retificador:
𝑉𝑝 = 𝑉𝑒𝑓√2 = 80√2 ⟹ 𝑽𝒑 = 𝟏𝟏𝟑, 𝟏𝟒𝑽
cálculo da tensão de pico retificada:
𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑 = 113,14 − 0,7 ⟹ 𝑽𝒑′ = 𝟏𝟏𝟐, 𝟒𝟒𝑽
cálculo da tensão contínua na carga:
𝑉𝑑𝑐 =
𝑉𝑝′
1 +
4,17. 103
𝑅𝐿𝐶
=
112,44
1 +
4,17. 103
120 . 2200
⟹ 𝑽𝒅𝒄 = 𝟏𝟏𝟎, 𝟕𝑽
cálculo da tensão de ripple:
𝑉𝑟(𝑒𝑓) =
2400𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿𝐶
=
2400 . 110,7
120 . 2200
⟹ 𝑽𝒓(𝒆𝒇) = 𝟏, 𝟎𝑽
cálculo do fator de ripple:
𝑟 =
𝑉𝑟(𝑒𝑓)
𝑉𝑑𝑐
. 100% =
1,0
110,7
. 100% ⟹ 𝒓 = 𝟎, 𝟗%
dimensionamento dos diodos:
𝐼𝑑𝑐 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
=
110,7
120
⟹ 𝑰𝒅𝒄 = 𝟎, 𝟗𝟐𝑨
𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) ≥
𝐼𝑑𝑐
2
. 𝟏, 𝟓 =
0,92
2
. 𝟏, 𝟓 ⟹ 𝑰𝒅(𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐) ≥ 𝟔𝟗𝟎𝒎𝑨
𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) ≥ 2 . 𝑉𝑝 . 𝟏, 𝟓 ≥ 2 . 113,14 . 𝟏, 𝟓 ⟹ 𝑽𝑹(𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐) ≥ 𝟑𝟑𝟗, 𝟒𝑽
Pode ser utilizado o diodo 1N4004 cujas características
são: VRmáx = 400V e Idmáx = 1A
dimensionamento da tensão do capacitor:
𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 𝟏, 𝟓 = 110,7 . 𝟏, 𝟓 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 166,1𝑉
Pelo critério adotado (VC ≥ Vdc.1,5 Vdc ≥166,1V), o valor de tensão de trabalho deveria
ser de 250V (obtido da tabela de capacitores comerciais da pág. 40). Neste caso, como o
valor inferior de tensão na tabela (160V) é muito próximo do calculado (166,1V) um capacitor
com tensão de trabalho de 160V também poderia ser utilizado (quanto maior a tensão de
trabalho de um capacitor, maior é seu tamanho físico).
RL
D1
Vpri
Vsec1
Vsec2
D2
+
C
O Fator de Segurança (FS) de 50%
aparece sob a forma da constante 1,5
nas fórmulas ao lado. Esse fator se
aplica no dimensionamento de compo-
nentes, geralmente para tensão, cor-
rente e potência, e NUNCA para resis-
tência, capacitância e indutância. A fun-
ção do FS é escolher um componente
que suporte pelo menos 50% a mais de
tensão e/ou corrente e/ou potência do
que aparecerá sobre esse componente
no circuito em estudo. Outros FS, como
100% (2,0) ou 200% (3,0) podem ser
necessários em outros tipos de projeto.
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39
Exemplo 2:
Para o circuito ao lado, determine:
a tensão contínua na carga
a tensão de ripple;
o fator de ripple;
as características dos diodos (VRmáx e
Idmáx), do capacitor (tensão) e do resistor
(resistência e potência).
Considerar o fator de segurança para dimensionamento dos componentes igual a 50%.
Considerar a queda de tensão sobre cada diodo, na polarização direta, igual a 0,7V.
Verificar quais os diodos mais adequados para serem utilizados nesta fonte.
cálculo da tensão de pico na entrada do retificador:
𝑉𝑝 = 𝑉𝑒𝑓 √2 = 220√2 ⟹ 𝑉𝑝 = 311,13𝑉
cálculo da tensão de pico retificada:
𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑 = 311,13 − 2.0,7 ⟹ 𝑉𝑝′ = 309,73𝑉
cálculo da tensão contínua na carga:
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ −
4,17𝐼𝑑𝑐
𝐶
= 309,73 −
4,17.1500
1000
⟹ 𝑽𝒅𝒄 = 𝟑𝟎𝟑, 𝟒𝟕𝑽
cálculo da tensão de ripple:
𝑉𝑟(𝑒𝑓) =
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
2,4.1500
1000
⟹ 𝑽𝒓(𝒆𝒇) = 𝟑, 𝟔𝑽
cálculo do fator de ripple:
𝑟 =
𝑉𝑟(𝑒𝑓)
𝑉𝑑𝑐
. 100% =
3,6
303,47
. 100% ⟹ 𝒓 = 𝟏, 𝟏𝟗%
dimensionamento dos diodos:
𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜)
≥
𝐼𝑑𝑐
2
. 1,5 =
1,5
2
.1,5 ⟹ 𝑰𝒅(𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐) ≥ 𝟏, 𝟏𝟑𝑨
𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) ≥ 𝑉𝑝 .1,5 = 311,13.1,5 ⟹ 𝑽𝑹(𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐) ≥ 𝟒𝟔𝟔, 𝟕𝑽
Pode ser utilizado o diodo 1N5406 cujas características são: VRmáx = 600V e Idmáx = 3A
dimensionamento do capacitor:
𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 = 303,47.1,5 ⟹ 𝑽𝑪 ≥ 𝟒𝟓𝟓, 𝟐𝟏𝑽
Da tabela de capacitores da pág. 40, a maior tensão disponível é de 450V, que seria
aceitável para este projeto, por sem bem próxima do valor calculado (455V). Poderiam ser
ligados dois capacitores de 250V cada em série, para obter uma tensão de 500V no conjunto.
Neste caso, é preciso lembrar que a capacitância equivalente diminui em capacitores em
série: seriam necessários dois capacitores de 2200µF e 250V ligados em série para obter
um equivalente de 1100µF e 500V.
dimensionamento do resistor:
𝑅 =
𝑉𝑑𝑐
𝐼𝑑𝑐
=
303,47
1,5
⟹ 𝑹 = 𝟐𝟎𝟐, 𝟑𝟏𝛀
𝑃𝑅 ≥ 1,5
(𝑉𝑑𝑐)2
𝑅
= 1,5.
(303,47)2
202,31
⟹ 𝑷𝑹 ≥ 𝟒𝟓𝟓, 𝟐𝟏𝑾
220V
1,5A 1000mF
+
RL
Neste caso, e também
no anterior (Exemplo
1), os diodos poderiam
ser considerados ideais
(Vd = 0), pois o valor de
Vp é muito superior ao
de Vd (0,7V).
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40
FORMULÁRIO E TABELAS
Valores comerciais típicos de capacitância (em mF) e tensão de capacitores eletrolíticos
1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 10 15 22 33 47 68
100 150 220 330 470 680 1000 1500 2200 3300 4700 6800 10000
10V 16V 25V 35V 50V 63V 100V 160V 250V 350V 450V
Diodos
½ onda
onda completa com CT
onda completa em ponte
filtragem
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
𝑉𝑝 − 𝑉𝑑
𝜋
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 = 𝐼𝑑𝑐 𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
2(𝑉𝑝 − 𝑉𝑑)
𝜋
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 =
𝐼𝑑𝑐
2
𝑉𝑅 = 2𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =
2(𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑)
𝜋
𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =
𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿
𝐼𝑑 =
𝐼𝑑𝑐
2
𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑
4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007
Id 1,0 A
VR 50 100 200 400 600 800 1000 V
𝑉𝑟(𝑒𝑓) =
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
2,4. 103𝑉𝑑𝑐
𝑅𝐿𝐶
𝑟 =
𝑉𝑟(𝑒𝑓)
𝑉𝑑𝑐
. 100% =
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶𝑉𝑑𝑐
. 100% =
2,4. 103
𝑅𝐿𝐶
. 100%
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ −
4,17𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
𝑉𝑝′
1 +
4,17. 103
𝑅𝐿𝐶
(C em µF Idc em mA RL em Ω)
𝑉𝑒𝑓 =
𝑉𝑝
√2
1N5400 1N5401 1N5402 1N5404 1N5406 1N5407 1N5408
Id 3,0 A
VR 50 100 200 400 600 800 1000 V
VÁLVULA DE
SEGURANÇA
POLO
NEGATIVO
POLO
POSITIVO
ATENÇÃO: Capacitores eletrolíticos têm
polaridade definida. Caso seja aplicada ao
capacitor uma tensão com polaridade in-
vertida, ele será danificado!
Alguns, como o mostrado ao lado têm vál-
vula de segurança, que liberará o vapor
aquecido do eletrólito (isolante) a alta tem-
peratura.
Outros (geralmente os menores) que não
possuem essa válvula, EXPLODIRÃO!
DIODO 1N540X
DIODO 1N400X
PONTE RETIFICADORA
2W10 (2A/1000V)
Comparação física entre os diodos
utilizados neste capítulo e uma
ponte retificadora
𝑛 =
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
=
𝐼2
𝐼1
P1 = P2
(sem perdas)
Transformadores Retificação e filtragem
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41
Exercícios
2.1- Qual a tensão de saída de um transformador monofásico alimentado com 440V, sa-
bendo que o primário possui 150 espiras e o secundário 50?
Resp.: 146,7V
2.2- Dado o diagrama do transformador ao lado, determinar:
a- a potência em cada enrolamento secundário;
b- a quantidade de espiras em cada enrolamento;
c- a corrente do primário caso o dispositivo seja ligado em
110V (0-110) e também para a ligação em 220V (0-220).
Resp.: 45W, 30W, 30W; 611 esp, 50 esp, 83 esp, 83 esp;
950mA, 477mA
2.3- Um transformador possui no primário uma bobina com 500 espiras e no secundário
duas bobinas, uma com 28 espiras e outra com 90 espiras. Sabendo que o transformador foi
alimentado com 220V, pede-se:
a- o diagrama do dispositivo;
b- as tensões das bobinas do secundário.
c- caso o transformador fosse alimentado com 110V, quais seriam as tensões do secundá-
rio.
Resp.: 12,3V, 39,6V; 6,15V, 19,8V
2.4- Na rede de distribuição elétrica residencial que podemos ver nas ruas de nossas cida-
des, os fios do alto do poste (alta tensão, 13,8KV em Santos) são finos e ligados ao primário do
transformador abaixador. No secundário desse transformador temos 110V, 127V ou 220V para
alimentação das residências. Os cabos do secundário são bem mais grossos do que os do
primário. Por quê?
220V
110V
0V
1,8W
7,5W
7,5W
611esp
9V
15V
15V
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42
2.5- Sabendo que:
- As lâmpadas acendem quando a tensão sobre elas excede 5Vef
- Os diodos são ideais
Determinar:
a- Quais as formas de
onda sobre as lâmpa-
das.
b- Quais as tensões (valor
eficaz) sobre as lâmpa-
das.
c- Quais lâmpadas acendem.
Resp.: 8,49V; 8,49V; 12V; 0V; 6V; 6V; todas menos L4
12V
L1 L2
L3
L4 L6
L5
t
Vi
t
VL1
t
VL2
t
VL3
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
t
Vi
t
VL4
t
VL5
t
VL6
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
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43
2.6- Determine a tensão DC na carga e as características dos diodos, para retificação dire-
tamente da rede (sem transformador), de ½ onda e de onda completa, ambas sem filtro, para
as tensões de 110V, 220V e 440V. A carga para todas as fontes é de 100Ω. Considerar os
diodos ideais. Escolha os diodos mais adequados e desenhe o diagrama das fontes.
Resp.: (Vdc, Id(diodo), VR(diodo)) ½ onda; OC
110V 49,52V, 0,742A, 233,34V, 1N4004; 99V, 0,742A, 233,34V, 1N4004
220V 99V, 1,49A, 466,7V, 1N5406; 198,07V, 1,49A, 466,7V, 1N5406
440V 198,07V, 2,97A, 933,38V, 1N5408; 396,14V, 2,97A, 933,38V, 1N5408
2.7- A corrente média na carga de um circuito retificador é de 198mA. Sabe-se que a carga
é de 100Ω, que o transformador está ligado em 220V e sua relação de transformação é de 10:1.
Os diodos são ideais. Desenhe a forma de onda na carga.
Resp.: onda completa
2.8- Para o circuito abaixo, responda as questões, considerando Vd=0,7V:
a) Qual o tipo de retificação?
b) Determine as tensões de pico no secundário e na
carga.
c) Desenhe as formas de onda no secundário do
transformador e na carga, respeitando a ampli-
tude dos sinais.
d) Determine as tensões média e eficaz na carga.
e) Determine as correntes média e eficaz na carga.
f) Determine a corrente de pico no diodo.
g) O retificador está corretamente dimensionado (FS=1,5)??
h) Qual a frequência do sinal na carga?
Resp.: ½ onda; 8,9Vp e 8,2Vp; 2,61Vm e 4,1V; 26,1mAm e 41mA; 82mAp, sim, 60Hz
2.9- Para o circuito abaixo, considerando Vd = 0,7V, calcule as correntes média e eficaz na
carga e desenhe a forma de onda sobre ela.
Resp.: 1,8Am e 2,79A
RL
35:1 D
Vdc
Idc
100Ω
1N4001
220V
60Hz
t
Vsec
0 2p 3p 4pp
t
VL
0 2p 3p 4pp
RL
1:2 D
Vdc
Idc
10Ω
20V
60Hz
t
VL
0 2p 3p 4pp
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44
2.10-
Para o circuito abaixo, responda as questões, considerando os diodos ideais:
a) Qual o tipo de retificação?
b) Determine as tensões de pico nos secundários.
c) Desenhe as formas de onda nos secundários do
transformador e na carga.
d) Determine as tensões média e eficaz na carga.
e) Determine as correntes média e eficaz na carga.
f) Determine a corrente de pico nos diodos.
g) Os retificadores estão corretamente dimensiona-
dos (FS=1,5)?
h) Qual a frequência do sinal na carga?
Resp.: onda completa com transf. CT; 124,45Vp; 79,2Vm e 88V; 0,792Am e 0,88A;
1,24Ap; sim para corrente e não para tensão; 120Hz
2.11- Para o circuito ao lado, considerando o valor mais
adequado para Vd, determine o tipo de retificação e calcule as
correntes média e eficaz na carga.
Resp.: onda completa com transf. CT; 451mAm e 500mAef
2.12- Para o circuito, considerando os diodos ideais, se o diodo D1 abrir, desenhe a forma
de onda e determine as tensões média e eficaz na carga.
Resp.: 2,86Vm e 4,49V
RL
2x1N4002
5:1
5:1
100Ω
440V
60Hz
t
Vsec1
0 2p 3p 4pp
t
VL
0 2p 3p 4pp
t
Vsec2
0 2p 3p 4pp
40:1
40:1
10Ω
RL220V
60Hz
RL
D1
D2
20:1
20:1
127V
60Hz
t
VL
0 2p 3p 4pp
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45
2.13- Projete uma fonte com retificador em ponte, para alimentar uma carga de 5Ω com 6V.
O ripple deve ser de 1%.
Resp.: Vsec(ef) = 5,3V; Id(diodo) ≥ 0,9A; VR(diodo) ≥ 11,25V; C = 48000µF; VC ≥ 9V; 4 X 1N4001
2.14- Uma fonte de onda completa com transformador de CT tem uma tensão de 4,65V nos
secundários. A carga consome 0,5A de corrente e o capacitor de filtro é de 2400µF. Determine
as características funcionais da fonte.
Resp.: Vdc = 5V; r = 10%; Id(diodo) ≥ 0,38A; VR(diodo) ≥ 19,7V; VC ≥ 7,5V; 2 X 1N4001
2.15- Projete uma fonte para 12V, carga de 10Ω e ripple de 2%, utilizando transformador
de CT.
Resp.: Vsec(ef) = 9,27V; Id(diodo) ≥ 0,9A; VRmáx ≥ 39,3V; C = 12000µF; VC ≥ 18V; 2 X 1N4001
2.16- Para o circuito abaixo, onde o fator de ripple desejado da tensão na carga é de 5%,
determine:
a) a tensão eficaz no secundário do transformador;
b) as características dos diodos (VRmáx e Idmáx) e os diodos mais adequados;
c) o valor do capacitor de filtro e sua tensão.
Considerar o fator de segurança para dimensionamento dos componentes igual a 50%.
Considerar a queda de tensão sobre cada diodo, na polarização direta, igual a 0,7V.
Resp.: 10,11V; 0,75A, 21,45V, 1N4001; 4700µF/25V (cálculo 4000 µF/18V)
Vpri Vsec D1
D3
D2
D4
12Ω 12VC
+
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46
2.17- Analise o funcionamento do circuito abaixo. As tensões de
secundário são iguais a 12V e Vd é de 0,7V. Determinar:
a- as formas de onda de tensão nos secundários e nas car-
gas;
b- as tensões V1 e V2 nas cargas (valores de pico e médio) e
respectivas polaridades em relação ao terra;
c- como seriam ligados ao circuito os capacitores eletrolíticos
de filtro (desenhe-os);
d- qual o nome e aplicação deste tipo de retificador
Resp.: b- V1= 16,27Vp; V2= -16,27Vp;
V1= 10,36Vdc; V2= -10,36Vdc
2.18- Para um retificador com transformador de CT, determinar:
a- a tensão nos secundários do transformador;
b- as características do capacitor (capacitância e tensão);
c- as características dos diodos (VR e Id) e o diodo mais adequado.
Dados:
- a tensão na carga deve ser de 24V com 2% de ripple na pior situação;
- a resistência da carga varia entre 12Ω e 100Ω.
Resp.: Vsec(ef) = 18V; C = 10000µF; VC ≥ 36V; Id(diodo) ≥ 1,5A; VRmáx ≥ 76,6V; 2 X 1N5401
t
V1
t
Vsec1
t
Vsec2
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
Vpri
Vsec1
Vsec2
D1
D3
D2
D4
RL1
RL2
V1
V2
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47
2.19- Concurso dos Correios, Eng. Eletrônica, 2011
2.20- Concurso Técnico Eletrônica, Eletrosul, 2008
Resp.: V, F, F
Resp.: d)
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48
2.21- Concurso Eng. Eletrônico, Automação Residencial e Industrial, Infraero, 2009
2.22- Concurso Eng. Eletrônico, Automação Residencial e Industrial, Infraero, 2009
Resp.: (D)
Resp.: (E)
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49
2.23- Concurso Técnico Eletrônica, Metro-DF, 2014
Resp.: (E)
Resp.: (A)
Resp.: (B)
2.24- Concurso Técnico Eletrônica, Infraero, 2011
A resposta do ponto B
será vista mais adiante
Resp.: (E)
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50
2.25- Concurso Técnico Eletrônica, Metro-DF, 2014
2.26- Concurso Técnico Eletrônica, Infraero, 2011
Resp.: (B)
Resp.: D
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51
2.27- Concurso Eng. Equip. Jr., Petrobrás, 2004
A resposta da questão 57
será vista mais adiante
Resp.: V, F, F, V, F, V
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52
2.28- Concurso Técnico Manut. Eletrônica, Petrobrás, 2005
Resp.: (E)
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53
2.29- Provão, Eng. Elétrica. 1999
Resp.: próx. página
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54
2.30- Exame de Admissão, Estágio Oficiais Engenheiros Aeronáutica, Eng. Eletrônica, 2019
2.31- Exame de Admissão, Estágio Oficiais Engenheiros Aeronáutica, Eng. Eletrônica, 2019
2.32- Exercício obtido de uma apostila da Faculdade de Engenharia Electrotécnica da
Universidade Nova de Lisboa.
Resp.: d) (??)
Resp.: c)
Respostas exerc. 2.29
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55
3- Regulação (Estabilização) da Tensão
A última etapa de uma fonte de alimentação é a que permite estabilizar a tensão, ou seja,
mantê-la constante em um valor desejado, independente (dentro de certos limites) de variações
de tensão de entrada e da resistência elétrica da carga (que implica na corrente de saída).
Vários fatores podem levar à variação da tensão fornecida por uma fonte do tipo estudado an-
teriormente:
caso a tensão da rede elétrica varie, a tensão retificada irá mudar de forma diretamente
proporcional: um aumento da tensão da rede elétrica provoca um aumento da tensão
contínua na saída da fonte e vice-versa;
caso o consumo de corrente pela carga varie, o ripple irá variar diretamente, e a tensão
contínua de forma inversa: um aumento na carga (que significa um aumento na corrente
drenada da fonte) provoca um aumento do ripple e uma diminuição na tensão contínua
da saída da fonte, e vice versa.
Por esses motivos, é necessária a utilização de um regulador de tensão na saída da fonte.
Embora hoje existam dispositivos integrados para esse fim (que serão vistos mais adiante), o
componente fundamental para estabilizar uma tensão ainda é o diodo Zener.
3.1- O Diodo Zener
Se observarmos a curva característica de um diodo retificador poderemos notar que, na
polarização reversa, a tensão se mantém relativamente constante sobre o diodo após a tensão
de ruptura ser atingida. Nos diodos convencionais isso significa a destruição do componente,
mas nos do tipo Zener, desde que a corrente no dispositivo seja mantida dentro de determina-
dos limites, essa região (que é denominada Região Ze-
ner) pode ser utilizada.
Dependendo da forma como o semicondutor foi do-
pado, podem-se obter tensões Zener diferentes. Co-
mercialmente existem diodos Zener para estabilizar
tensões de 1,8V até mais de 200V, em diversas faixas
de potência.
Os limites de trabalho de um diodo Zener, traba-
lhando na polarização reversa, são a potência máxima
(PZmáx) e a corrente máxima (IZmáx) que ele suporta,
além, é claro, da temperatura, como todo semicondu-
tor. Existe uma corrente mínima (IZmín) que deve circular
pelo componente para que o funcionamento (estabilizar
a tensão) seja adequado (funcionamento dentro da re-
gião Zener). Enquanto PZmáx e IZmáx são limites de tra-
balho, IZmín é condição de funcionamento.
A tabela a seguir mostra as características de alguns diodos Zener, e ao lado, seu símbolo.
VZ Tensão estabilizada pelo diodo na polarização reversa
IZmín
Mínima corrente reversa necessária para manter o diodo na região Zener e, con-
sequentemente, manter a tensão sobre ele constante
IZmáx Máxima corrente reversa que o diodo suporta
PZmáx Máxima potência que o diodo suporta na polarização reversa
VDVR
ID
IR
Polarização
direta
Polarização
reversa
Região
Zener
IZmín
IZmáx
VZ
CÓDIGO VZ IZmín PZmáx
1N751 5,1 20 0,5
1N4733 5,1 19,6 1,0
1N759 12 20 0,5
1N4742 12 8,3 1,0
V mA W
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56
Para polarizar adequadamente um diodo Zener precisamos, portanto, manter a corrente
que passa por ele entre os valores mínimo (IZmín) e máximo (IZmáx), e a potência dissipada sobre
ele abaixo do valor máximo (PZmáx). Convém lembrar que esse tipo de diodo é sempre utilizado
na polarização reversa.
3.2- Dimensionamento de Diodos Zener
O circuito básico de polarização de um diodo Zener (mostrado abaixo) utiliza um resistor,
sobre o qual fica o excesso de tensão da fonte que se deseja estabilizar e que também limita a
corrente do circuito. Este tipo de dispositivo só tem utilidade, obviamente, quando a tensão de
entrada é superior à tensão que se deseja na carga.
Sendo Vi a tensão de entrada, que se quer esta-
bilizar e VO a tensão de saída, estabilizada pelo Zener
(igual a VZ), as equações para o circuito são:
𝑉𝑖 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝑍
𝐼𝑆 = 𝐼𝑍 + 𝐼𝐿
A partir dessas equações, podemos analisar o comportamento do circuito para duas situa-
ções distintas: quando a tensão de entrada varia, com a carga constante e quando a carga varia
(corrente de saída muda), com a tensão de entrada constante. Essas análises podem ser vistas
nas tabelas abaixo.
Carga constante e tensão de entrada variável
Vi RL VS VZ IS IL IZ
↑ cte ↑ cte ↑ cte ↑
↓ cte ↓ cte ↓ cte ↓
Tensão de entrada constante e carga variável
Vi RL VS VZ IS IL IZ
cte ↑ cte cte cte ↓ ↑
cte ↓ cte cte cte ↑ ↓
(aumento de RL significa aumentar a resistência elétrica da carga)
(↑ aumento da variável ↓ diminuição da variável)
Nos dois casos, as variações de tensão de entrada ou da resistência da carga se refletem
na corrente do Zener. Os cálculos que permitem dimensionar circuitos com esse tipo de diodo
devem, portanto, levar em conta os valores máximos e mínimos dessas grandezas.
As fórmulas mostradas a seguir são utilizadas para dimensionamento de circuitos com
diodos Zener.
FÓRMULAS PARA PROJETO
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐) = (𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) + 𝐼𝐿𝑚á𝑥).
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝑉𝑖𝑚í𝑛− 𝑉𝑍
O projeto deve objetivar manter a corrente do Zener entre dois valores limites, IZmín e
IZmáx, além de limitar a potência a valores inferiores a PZmáx.
Vi
RS
IS
RL VO
IZ IL
VZ
VS
𝑅𝑆𝑚í𝑛 =
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝐼𝐿𝑚í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜)
𝑅𝑆𝑚á𝑥 =
𝑉𝑖𝑚í𝑛− 𝑉𝑍
𝐼𝐿𝑚á𝑥 + 𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜)
𝑅𝑆𝑚í𝑛 ≤ 𝑅𝑆 ≤ 𝑅𝑆𝑚á𝑥
𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5.
(𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍 )
2
𝑅𝑆
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57
Exemplo 1
Determinar qual dos diodos da tabela da pág. 60 pode ser utilizado no circuito abaixo e
também o valor do resistor Rs. (Serão utilizadas as fórmulas de PROJETO).
Como a tensão desejada na carga é de 5V, a escolha deve recair entre o 1N751 e o
1N4733, ambos com tensão Zener de 5,1V e potências de 0,5W e 1W, respectivamente.
As tensões máxima e mínima de entrada são:
𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 7.1,1 ⇒ 𝑽𝒊𝒎á𝒙 = 𝟕, 𝟕𝑽
𝑉𝑖𝑚í𝑛 = 7.0,9 ⇒ 𝑽𝒊𝒎í𝒏 = 𝟔, 𝟑𝑽
As correntes máxima e mínima na carga serão:
𝐼𝐿𝑚á𝑥 =
𝑉𝑍
𝑅𝐿𝑚í𝑛
=
5,1
100
⇒ 𝑰𝑳𝒎á𝒙 = 𝟓𝟏𝒎𝑨 𝑰𝑳𝒎í𝒏 = 𝟎
Teste para o diodo 1N751:
𝐼𝑍𝑚á𝑥 =
𝑃𝑍𝑚á𝑥
𝑉𝑍
=
0,5
5,1
⇒ 𝑰𝒁𝒎á𝒙 = 𝟗𝟖𝒎𝑨
𝑰𝒁𝒎í𝒏 = 𝟐𝟎𝒎𝑨
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐) = (𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) + 𝐼𝐿𝑚á𝑥).
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝑉𝑖𝑚í𝑛− 𝑉𝑍
= (0,02 + 0,051).
7,7 − 5,1
6,3 − 5,1
𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒂𝒍𝒄) = 𝟏𝟓𝟒𝒎𝑨
o diodo 1N751 não serve, pois 𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒂𝒍𝒄) > 𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐)
Teste para o diodo 1N4733:
𝐼𝑍𝑚á𝑥 =
𝑃𝑍𝑚á𝑥
𝑉𝑍
=
1,0
5,1
⇒ 𝑰𝒁𝒎á𝒙 = 𝟏𝟗𝟔𝒎𝑨
𝑰𝒁𝒎í𝒏 = 𝟏𝟗, 𝟔𝒎𝑨
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐) = (𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) + 𝐼𝐿𝑚á𝑥).
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝑉𝑖𝑚í𝑛− 𝑉𝑍
= (0,0196 + 0,051).
7,7 − 5,1
6,3 − 5,1
𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒂𝒍𝒄) = 𝟏𝟓𝟑𝒎𝑨
o diodo 1N4733 serve, pois 𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒂𝒍𝒄) 𝑰𝒁𝒎í𝒏 (𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐)
Com a máxima tensão de entrada e a carga em aberto, a corrente
no Zener não deve
exceder IZmáx :
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐) =
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝑅𝑆
− 𝐼𝐿𝑚í𝑛 =
7,7 − 5,1
15
− 0 ⇒ 𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒊𝒓𝒄) = 𝟏𝟕𝟑𝒎𝑨
IZmáx(circ) (173mA) é menor do que a IZmáx(diodo) (196mA)
Com a mínima tensão de entrada e a carga em seu maior consumo (50mA), a corrente no
Zener não deve ficar abaixo de IZmín :
𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐) = 𝐼𝑆𝑚í𝑛 − 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =
𝑉𝑖𝑚í𝑛− 𝑉𝑍
𝑅𝑆
− 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =
6,3 − 5,1
15
− 0,051 ⇒ 𝑰𝒁𝒎í𝒏 (𝒄𝒊𝒓𝒄) = 𝟐𝟗𝒎𝑨
IZmín(circ) (29mA) é maior do que a IZmín(diodo) (19,6mA)
Em resumo, o funcionamento do diodo se dará dentro de suas características de trabalho.
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59
Exemplo 2
Verificar se o circuito abaixo pode ser implementado. (Serão utilizadas as fórmulas de
VERIFICAÇÃO).
𝐼𝐿𝑚á𝑥 =
𝑉𝑍
𝑅𝐿𝑚í𝑛
=
12
1000
⇒ 𝑰𝑳𝒎á𝒙 = 𝟏𝟐𝒎𝑨
𝐼𝐿𝑚í𝑛 =
𝑉𝑍
𝑅𝐿𝑚á𝑥
=
12
6000
⇒ 𝑰𝑳𝒎í𝒏 = 𝟐𝒎𝑨
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐) = 𝐼𝑆𝑚á𝑥 − 𝐼𝐿𝑚í𝑛 =
𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍
𝑅𝑆
− 𝐼𝐿𝑚í𝑛 =
16,5 − 12
82
− 0,002 ⇒ 𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒊𝒓𝒄) = 𝟓𝟑𝒎𝑨
𝑰𝒁𝒎á𝒙 (𝒄𝒊𝒓𝒄)
e
infravermelha; no segundo, aparecem os fotodiodos e fototransistores. Nesta primeira parte
serão vistos apenas os LEDs.
4.1- O Diodo LED
O diodo emissor de luz ou LED (de Light Emitting Diode) é um dispositivo semicondutor
que funciona de forma semelhante aos diodos retificadores, com a diferença que estes libera-
ram energia em forma de calor quando polarizados diretamente, enquanto que os leds emitem
energia também em forma de luz.
A emissão de luz ou eletrolumines-
cência ocorre na recombinação entre
elétrons e lacunas na região da junção
PN. Os elétrons mudam para um nível
menor de energia nos átomos do cris-
tal, e liberam a energia perdida em
forma fótons. A luz produzida pode ser
em vários comprimentos de onda (me-
didos em nm – nanômetros - 10-9m),
visível (em várias cores), ou invisível
(IR- infra-vermelho ou UV- ultra-
violeta), e depende basicamente do
tipo de material semicondutor de que é
feito o led. Geralmente são utilizados
compostos do elemento químico Gálio,
como GaAsP, AlInGaP etc.
A tensão de barreira de potencial
neste tipo de diodo é maior do que a que foi vista nos dispositivos anteriores, apresentando,
dependendo do modelo, de 1,5V a pouco menos de 4,0V de tensão direta (VD ou VF). As cor-
rentes para obter luminescência (ID ou IF) são da ordem de dezenas de miliampéres e a
tensão reversa máxima (VR) que o dispositivo suporta, é quase sempre inferior a 10V.
Existem muitos tipos e modelos co-
merciais, inclusive LEDs bicolores, com
três terminais, e os do tipo RGB (Red-
Green-Blue), com quatro terminais e
possibilidade de gerar praticamente
qualquer cor.
A polarização de um led deve levar
em conta suas limitações (VD, ID e VR).
Abaixo o aspecto construtivo básico de
um led e o seu símbolo, e nas páginas
70 a 72, diversas informações com as
características de alguns dos leds pro-
duzidos no Brasil pela empresa
CROMATEK (www.cromatek.com.br).
Outra característica importante dos leds é seu tempo de resposta, que costuma ser da ordem
de nanosegundos. Isso permite que eles sejam utilizados em frequências elevadas, por exemplo,
em foto acopladores, para transmissão de sinais via radiação luminosa. A vida útil de um led pode
chegar a cerca de cem mil horas.
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
P N
+-
VD
ID
FÓTONS EMITIDOS
PELA RECOMBINAÇÃO
ELÉTRON-LACUNA
CRISTAL
SUPORTE
LENTE
CATODO
TERMINAL NEGATIVO
ANODO
TERMINAL POSITIVO
CONEXÃO
CORPO EM PLÁSTICO
DE ALTO IMPACTO
CATODO
ANODO
CHANFRO
http://www.cromatek.com.br/
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70
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS DIODOS EMISSORES DE LUZ – LED
ENCAPSULAMENTO E DIMENSÕES MECÂNICAS
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
71
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS DIODOS EMISSORES DE LUZ – LED
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Características opto-elétricas (TAMB = 25ºC, IF = 20mA)
Código Cor Tecnol.
P
(nm)
VF (V) IV (mcd)
2 ½
Típ. Máx. Mín. Típ.
L130 Vermelho alta sensibilidade GaP 700 2,2 2,6 1 2 60º
L230 Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 5 15 60º
L330 Amarelo âmbar GaP 589 2,0 2,4 5 15 60º
L430 Vermelho alaranjado AlInGaP 632 2,0 2,4 8 20 60º
L630 Vermelho ultra bright AlGaAs 648 1,8 2,4 25 60 60º
L730U-14BL Azul InGaN 470 3,2 3,6 150 200 60º
L211 Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 8 15 50º
L311 Amarelo âmbar GaP 589 2,0 2,4 5 8 50º
L411 Vermelho alaranjado GaAsP 632 2,0 2,6 6 12 50º
L611 Vermelho ultra bright AlGaAs 648 1,8 2,4 25 40 50º
L13RG Verde amarelado/verm. alaranjado
GaP
GaAsP
568
632
2,2
2,0
2,6
2,6
2
2
4
4
120º
120º
L13RGH Verde amarelado/verm. alaranjado
GaP
GaAsP
568
632
2,2
2,0
2,6
2,6
8
4
12
6
120º
120º
Significado dos termos utilizados
P (nm) Comprimento de onda da luz gerada em nanômetros
IV (mcd) Intensidade luminosa axial em milicandelas
2 ½
Ângulo de irradiação luminosa ( ½ é o ângulo onde a intensi-
dade luminosa é a metade da intensidade luminosa axial)
Padrão de irradiação de iluminação
Características máximas absolutas (TAMB = 25ºC)
Tensão reversa (VR) 5V
Corrente direta (IF) 20mA
Corrente de pico (IFP) (1KHz, Ciclo Operac. 1:10) 60mA
Potência dissipada (PD) 45mW
Curva de corrente X temperatura ambiente -0,4mA/ºC
Temperatura de armazenagem -30 a +90 ºC
Temperatura de operação -20 a +80 ºC
Temperatura de solda (1,6mm – 3 seg) 260 ºC
IV () = ½IV (0º)
½
IV (0º) IV (0º)
2½
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72
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS DIODOS EMISSORES DE LUZ – LED
CURVAS ELETRO-ÓPTICAS PARA A LINHA LX30
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73
4.2- Displays de LED
Os displays de led são constituídos de arranjos de leds montados em segmentos. Existem
displays de várias cores e diversos tamanhos, desde cerca de 1/3 de polegada até mais de
sete polegadas de altura. O modelo mais comum é o display de 7 segmentos para
representação específica de números e de alguns outros caracteres, mas existem também os
alfanuméricos e os matriciais. Dois tipos de montagem estão disponíveis: anodo comum
(onde todos os anodos são interligados) e catodo comum (onde ao ponto comum são
conectados os catodos). A polarização dos leds de cada segmento é idêntica à utilizada para
os leds convencionais.
A seguir são mostrados detalhes das folhas de especificação do display de 0,39” da série
D20XTK e na página seguinte de alguns dos dos outros displays produzidos pela CROMATEK.
Características opto-elétricas (TAMB = 25ºC, IF = 20mA)
Código Cor Tecnol.
P
(nm)
VF (V) IV (mcd)
Típ. Máx. Mín. Típ.
D202TK Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 4 8
D201TK Vermelho alaranjado GaPAsP 632 2,0 2,4 2 6
D206TK Vermelho Ultra Bright ALGaAs 648 1,8 2,4 2 8
D20XTAK-14BL Azul Ultra Bright InGaN 470 3,2 3,6 20 30
Características máximas absolutas (TAMB = 25ºC)
Tensão reversa (VR) 5V
Corrente direta (IF) 30mA
Corrente de pico (IFP) (1KHz, Ciclo Operac. 1:10) 100mA
Potência dissipada (PD) 60mW
Curva de corrente X temperatura ambiente -0,4mA/ºC
Temperatura de armazenagem -30 a +90 ºC
Temperatura de operação -20 a +80 ºC
Temperatura de solda (1,6mm – 3 seg) 260 ºC
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74
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
75
4.3 - Polarização de LEDs
Quando utilizados em tensão contínua, basta conectar um resistor em série com os leds,
de forma a limitar a corrente direta (IF) e a tensão direta (VF) a valores inferiores aos máximos
permitidos. Na prática, os leds conseguem fornecer uma luminosidade bastante razoável
com aproximadamente metade da corrente nominal. Por exemplo, um led com corrente
IF = 20mA (dado de manual para corrente direta máxima) emite luz suficiente para ser visto
com metade dessa corrente (IF = 10mA), em condições normais de iluminação em ambientes
internos (em ambientes externos, sob luz solar intensa, pode ser necessário polarizar o dispo-
sitivo com uma
corrente próxima à máxima). Polarizar esses componentes dessa forma tem
várias vantagens, como:
consumir menos energia, útil principalmente em circuitos alimentados por baterias;
drenar menos corrente de portas de saída de outros dispositivos, como microcontrola-
dores;
diminuir o aquecimento dos resistores limitadores de corrente (o que representa perda
de energia).
O circuito abaixo ilustra a polarização de um led em tensão contínua.
Em tensão alternada, é necessário observar, além de VF e IF, a tensão reversa máxima
(VR) que é normalmente baixa (inferior a 10V). O cálculo da tensão direta deve ser feito com o
valor médio do sinal alternado retificado; a tensão reversa deve levar em conta o valor de pico
do sinal alternado.
O circuito abaixo ilustra a polarização de um led em tensão alternada. O diodo D serve pa-
ra eliminar o semiciclo negativo do sinal alternado que apareceria sobre o led, que poderia
ultrapassar a tensão reversa máxima do dispositivo. Só haverá corrente pelo led durante o
semiciclo positivo do sinal.
Caso o sinal seja retificado em onda completa, deve-se utilizar o valor médio para esse ti-
po de onda.
V
VF
R IF
𝑅 =
𝑉 − 𝑉𝐹
𝐼𝐹
V
VF
R IF
D
𝑅 =
𝑉𝑚(1
2⁄ 𝑜𝑛𝑑𝑎) − 𝑉𝐹
𝐼𝐹
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76
EXERCÍCIOS
Em todos os cálculos onde não houver outra indicação:
utilizar para os leds 50% do valor máximo de IF (o que permite boa visibilidade e baixo
consumo), e o valor típico de tensão VF;
para os resistores, utilizar os valores comerciais para resistência e potência.
4.1- Calcule os resistores para polarizar adequadamente os leds abaixo:
Resp.: a) 680Ω, 1/8W; b) 180Ω, 1/16W; c) 270Ω, 1/16W
4.2- Calcule os resistores para polarizar adequadamente os leds abaixo. No item b), faça o
cálculo para os dois leds acesos simultaneamente, e verifique, em seguida, o que aconte-
ce com quando apenas um dos leds é energizado. É uma boa solução usar apenas um
resistor?
Resp.: a) 270Ω, 1/16W; b) 150Ω, 1/8W; Não: Iled = 20mA (brilho mais intenso com
apenas um led aceso)
4.3- Calcule os resistores para os arranjos de led abaixo, todos alimentados com 12V.
a)
L2309V
Vf
R IF
b)
L730U-
14BL5V
Vf
R IF
a)
2 x L130
R1
R2
MICROCONTROLADOR PIC
SAÍDAS PODEM ASSUMIR
VALORES 0V OU 5V
E ATÉ 25mA
5V
b)
2 x L411
RMICROCONTROLADOR PIC
SAÍDAS PODEM ASSUMIR
VALORES 0V OU 5V
E ATÉ 25mA
R
L311
5V
PORTA LÓGICA
TTL
AS SAÍDAS DE PORTAS
LÓGICAS TTL FORNECEM
GERALMENTE ATÉ
20mA EM 0 VOLT
E ATÉ 3mA EM 5V
c)
- No arranjo a), o que aconteceria se um dos leds abrisse?
- E se o mesmo acontecesse no arranjo b) ?
- Qual dos arranjos, a) ou b), apresenta maior eficiência energética?
Resp.: a) 470Ω, 1/8W; b) 220Ω, 1W; c) 220Ω, 1W
R
L630
a)
R
L211
b)
R1
L430
R2
L611
c)
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77
4.4- Analise os diagramas abaixo e desenhe as formas de onda pedidas. Considere
Vd = 0,7V para D1 e os diodos da ponte. Responda também as questões a seguir:
a) qual a função do diodo D1 e por que ele é necessário?
b) por que esse diodo não é utilizado no circuito do item b?
c) determine qual o único par de valores R1 e R2 a seguir é adequado para os circuitos:
400Ω e 100Ω; 100Ω e 400Ω; 400Ω e 400Ω; 100Ω e 100Ω; 1KΩ e 4KΩ
6,6V
R1
D1
a)
R2
6,6V
b)
L330
L330
t
VR
t
VLed
t
Vi
t
Vi
t
VR
t
VLed
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
0 2p 3p 4pp
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78
4.5- É necessário conectar 8 leds L130, que acenderão simultaneamente, diretamente a um
microcontrolador PIC. As portas de saídas digitais do microcontrolador fornecem 5V e, no
máximo, 25mA cada. Projete o circuito mais simples para implementar a solicitação, utili-
zando o menor número de portas (saídas) do PIC.
Resp.: 2 portas de saída, 27Ω, 1/16W
4.6- Cada um dos segmentos de um display D202TK é conectado a uma saída digital de um
microcontrolador PIC, como mostrado no diagrama abaixo. Todos os resistores são de
270Ω. Determine a corrente total consumida pelo display, para cada um dos algarismos
(de 0 a 9) que ele pode indicar.
Resp.: (.) 10,37mA; (1) 20,74mA; (7) 31,11mA; (4) 41,48mA; (2), (3) e (5) 51,85mA;
(6) e (9) 62,22mA; (8) 72,59mA
4.7- Na tentativa de minimizar o lay-out de um circuito que utiliza o display D202TA (vermelho,
anodo comum, 0,39”), o projeto foi montado como mostra o diagrama a seguir. Foi calcu-
lado um valor intermediário para R de 68Ω (para metade dos leds acesos).
Resp.: (1) 20,59mA; (2) 8,24mA; (8) 5,88mA; (.) 41,18mA
Determine a corrente IF por led
e como será o brilho dos leds dos
segmentos, primeiro para os números
1, 2 e 8 e depois apenas para o ponto
decimal.
Existe algum problema nesta configu-
ração?
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79
4.8- Existem atualmente no mercado inúmeros modelo de lâmpadas led tubulares. A seguir
são mostrados dois deles, do mesmo fabricante (CTB), mas com conjuntos de leds dife-
rentes. As especificações mostradas são do primeiro modelo, mas provavelmente são as
mesmas para os dois. Analise-os e:
a. determine para o desta página, as características de cada led (todos são idênticos);
b. determine para o da próxima página, a tensão VCC e a corrente total IT;
c. calcule a potência dissipada pelos leds em cada um dos conjuntos, pelos valores totais
(VCC e IT) e também pelos valores típicos de cada led individual (Id e Vd);
d. verifique se a luminosidade declarada pelo fabricante da lâmpada é compatível com a
luminosidade individual de cada led (ver tabela da próxima página);
e. pesquise os termos técnicos apresentados e que não foram vistos em classe;
f. determine quais as desvantagens de cada uma das montagens.
TODOS OS VALORES SÃO APROXIMADOS
Resp.: 57,5mA e 3,15V; 37,2V, 240mA; 8,69W, 8,93W; 1056lm;
VCC
VCC = 37,8V
IT = 230mA
IT LÂMPADA LED TUBULAR 9W
Especificações técnicas
Fabricante: CTB (CHINA)
MODELO: T8L-LED
TENSÃO: 86V a 265V CA
FATOR DE POTÊNCIA: 0,95
LUMINOSIDADE: 1000lm
TEMPERATURA DE COR: BF 6500K
ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR (IRC): 70%
A
B
VCC
(12)
VCC
C
(12)
VCC
D
(12)
VCC
VALORES MEDIDOS
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80
Os leds utilizados nos dois modelos são provavelmente do tipo 2835, cujas característi-
cas são mostradas abaixo, em tabela do fabricante Bridgelux, para o modelo com Temperatu-
ra de Cor de 6500K:
Part Number
Nominal
CCT (K)
CRI
Nominal
Drive
Current
(mA)
Forward Voltage (V)
Typical
DC
Flux
(lm)
Typical
Power
(W)
Typical
Efficacy
(lm/W)
Min Typical Max
BXEN-65E-11L-3A-00-0-0 6500 80 60 2.7 3.0 3.3 22 0.2 124
Neste modelo de luminária, são utilizados quatro conjuntos como o mostrado abaixo, à
esquerda, ligados em série.
VCC
ITVd = 3,1V
Id = 60mA
A
B
C
D
VCC
(12)
(12)
(12)
VALORES ESTIMADOS
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81
4.9- No circuito ao lado, a fonte E é de 12V, R é um arranjo
de quatro resistores de 1,2KΩ ligados em paralelo, P é
um potenciômetro linear de 2KΩ, cuja curva é mostrada
abaixo, e o led é do tipo L730U-14BL. Sabe-se que esse
led, em especial, começa a emitir luz com 5mA de cor-
rente e suporta até 30mA. A rotação do eixo do potenci-
ômetro é de 300º. Determine a faixa angular em que o
potenciômetro pode ser girado, sem apagar nem danificar o led. Considere a tensão direta
IF sobre o led constante para qualquer corrente.
Resp.: 0º a 210º.
4.10- Concurso Analista Judiciário, Eng. Eletrônica, TRF2, 2012
Resp.: (A)
4.11- Concurso Analista Trainee, Eng. Eletro-Eletrônica, CPTM, 2012
Resp.: C
E
R
D1
P
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82
4.12- ENADE, Eng, Elétrica, 2014
Resp.: D
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
83
5- O Transistor Bipolar de Junção - TBJ
O primeiro transistor funcional foi desenvolvido em 1947 pelos físicos americanos John
Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, que posteriormente, em 1956, receberam o Prê-
mio Nobel de Física por esse feito. A revolução criada pelos transistores foi imensa. Pratica-
mente todos os equipamentos eletrônicos o utilizam. O dispositivo considerado o primeiro mi-
croprocessador, o Intel 4004, de 1971, tinha 2300 transistores. Um processador GC2 IPU, de
2018, da empresa Graphcore tem cerca de 23,6 bilhões de transistores. Os transistores utili-
zado em ambos são de tecnologia mais recente (do tipo MOS, que serão estudados em outra
disciplina) do que os transistores bipolares de junção, mas estes continuam sendo largamente
utilizados em circuitos eletrônicos, e seu estudo é indispensável.
5.1- Princípio de funcionamento
Os dispositivos semicondutores vistos até agora (diodos retificadores, Zener e LED) são
constituídos de dois terminais. Os transistores possuem três terminais, e uma característica
extremamente importante: podem amplificar tensão, corrente e potência elétricas. O ter-
ceiro terminal é exatamente aquele que controla essa amplificação.
Este dispositivo é formado pela junção de três tipos de materiais semicondutores, dois
do tipo N e um do tipo P (transistores NPN) ou dois do tipo P e um do N (transistores PNP).
Cada um desses materiais é conectado a um dos terminais externos do dispositivo, que se
chamam EMISSOR (E), COLETOR (C) e BASE (B). A base é o terminal que controla o fluxo
de corrente entre o emissor e o coletor.
Os diagramas acima mostram a polarização dos dois tipos de transistores. Se conside-
rarmos cada uma das junções PN (existem duas por transistor) veremos que uma delas (a
junção base-emissor) está polarizada diretamente, enquanto que a outra (a junção base-cole-
tor) está polarizada reversamente. Na junção base-emissor haverá, portanto, uma grande cor-
rente de portadores majoritários, enquanto que na junção base-coletor a corrente será baixa e
composta pelos portadores minoritários. Para uma primeira análise, podemos visualizar os tran-
sistores bipolares como dois diodos em oposição, como é mostrado acima dos diagramas, um
polarizado diretamente (BE) e outro reversamente (BC), embora seu comportamento seja muito
mais complexo do que isso.
A região de base é mostrada nos diagramas como sendo mais estreita que as do emissor
e do coletor, o que corresponde à realidade funcional dos dispositivos. Além disso, a dopagem
(que gera os portadores de carga majoritários nos semicondutores) também é maior no emissor
e no coletor em relação à base. A polarização direta da junção BE injeta (ou drena) uma grande
quantidade de portadores majoritários (a corrente IE) na região de base, mas apenas uma pe-
quena parte deles se recombina gerando uma corrente de base (IB). A maior parte é atraída
N P N
B
E C
VEE VCC
P N P
B
E C
VEE VCC
B
E C
B
E C
IE IC
IB
IE IC
IB
https://pt.wikipedia.org/wiki/Povo_dos_Estados_Unidos
https://pt.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen
https://pt.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen
https://pt.wikipedia.org/wiki/Walter_Brattain
https://pt.wikipedia.org/wiki/William_Shockley
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%AAmio_Nobel_de_F%C3%ADsica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%AAmio_Nobel_de_F%C3%ADsica
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
84
pelo potencial de coletor, formando a corrente de coletor (IC). A corrente de coletor (IC) é cons-
tituída de duas correntes: o excesso de portadores majoritários injetados pelo emissor na base
(ICmaj) e a corrente de fuga da junção base coletor que está polarizada reversamente, denomi-
nada ICO ou ICBO. A letra O significa aberto em inglês (open) e indica que a corrente ICBO é a
que circula na junção coletor-base (CB) quando o terceiro terminal (o emissor) está desconec-
tado (aberto) ). A corrente ICBO é normalmente muito pequena e, embora seja bastante afetada
pela temperatura, não será considerada no momento. Será admitida como corrente de coletor
IC será apenas a corrente de portadores majoritários.
Analisando os diagramas podemos determinar a equação das correntes no transistor
bipolar de junção e a relação entre elas:
𝑰𝑬 = 𝑰𝑪 + 𝑰𝑩 𝒆 𝑰𝑬 > 𝑰𝑪 > 𝑰𝑩
Apenas como exemplo, em um transistor típico para baixas correntes, IE e IC são
da ordem de miliampères, enquanto que IB é da ordem de microampères.
Os símbolos utilizados para representação de transistores bipolares são mostrados
abaixo. O terminal com a seta é o emissor, e a seta sempre indica o sentido convencional
(do positivo para o negativo) da corrente de emissor; a seta também aponta sempre para
o material tipo N.
5.2- Tipos de Ligação de Transistores Bipolares
Existem basicamente três formas de conexão de transistores em circuitos, denominadas
configurações. As análises dessas configurações se baseiam nos quadripolos, mostrados a
seguir. Será dada ênfase apenas ao estudo da configuração mais utilizada, a emissor comum.
5.2.1- Convenções para corrente e tensões em Quadripolos
Para o estudo das ligações dos transistores será
utilizado o modelo de quadripolo mostrado ao lado, com-
posto por dois terminais de entrada e dois terminais de
saída.
Apesar de ter três terminais, um transistor pode ser
considerado um quadripolo, pois um de seus terminais
será sempre comum à entrada e à saída, como mostrado
ao lado.
N P N
B
E C
P N P
B
E C
B
E C
B
E C
CIRCUITOENTRADA SAÍDA
ENTRADA SAÍDA
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
85
A convenção utilizada no estudo de quadripolos (e adotada pelos fabricantes nos manu-
ais dos dispositivos semicondutores) é que a corrente é considerada positiva quando entra no
quadripolo e a tensão é considerada positiva quando um dos terminais (entrada ou saída) é
positivo em relação ao ponto comum.
De acordo com essa convenção, no exemplo ao lado
as tensões Vi e Vo e as correntes Ii e Io são todas considera-
das positivas. Os sufixos i e o significam, respectivamente,
entrada (input) e saída (output).
Aplicando esses conceitos ao estudo das correntes nos transistores, podemos verificar
que:
- no transistor NPN a corrente de emissor é negativa e a de coletor positiva;
- no transistor PNP a corrente de emissor é positiva e a de coletor negativa.
Analise o sentido das correntes nos diagramas acima, e comprove a equação das cor-
rentes no transistor já vista:
𝑰𝑬 = 𝑰𝑪 + 𝑰𝑩
Analisando agora para as tensões, teremos:
- no transistor NPN a tensão base-emissor é negativa e a coletor-base positiva;
- no transistor PNP a tensão emissor-base é positiva e a base-coletor negativa.
Analise os diagramas acima levando em conta as polarizações adequadas das junções
mostradas na pág. 83.
É importante lembrar que tudo o que foi mostrado neste tópico, representa apenas uma
convenção para o estudo dos transistores através do modelo de quadripolo. Estes conceitos
serão utilizados futuramente.
5.2.2- Configuração base comum
Como o nome já descreve, este tipo de ligação tem a base como
elemento comum entre a entrada e a saída (às vezes, isso não fica tão
claro nos circuitos, pois deve-se levar em conta as características dos
mesmos para sinais alternados, o que não será visto nesta disciplina).
O circuito à direita apresenta duas baterias de polarização (em-
bora na prática se utilize apenas uma) e resistores (que sempre vão
aparecer nos circuitos) para limitar as correntes através das junções.
Este tipo de diagrama, bem como os seguintes para as outras duas
configurações, servem apenas para mostrar as características básicas de montagem e polari-
zação dos circuitos.
Vi Vo
Ii Io
+ +
- -
NPN
VBE
- +
+ -
VCB VEB
PNP
+ -
- +
VBC
ENTRADA SAÍDA
IE IC
IB
PNP
ENTRADA SAÍDA
IE IC
IB
NPN
IE IC
IB
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86
À esquerda é mostrado o quadripolo equivalente
do circuito. A corrente de entrada é IE e a de saída IC. O
ganho de corrente do circuito, representado pela letra
grega (alfa), será o quociente da corrente de saída pela
de entrada:
𝜶 =
𝑰𝑪
𝑰𝑬
Como a corrente de coletor é ligeiramente menor que a de emissor, o valor de (ganho
de corrente na configuração base comum) será sempre pouco menor que 1 (geralmente
entre 0,980 e 0,998).
A tensão de entrada será baixa (a junção base-emissor se comporta como um diodo
polarizado diretamente). A tensão de saída será mais alta que a de entrada (a junção base-
coletor se comporta como um diodo polarizado reversamente). O ganho de tensão, definido por
AV (a letra A é genericamente utilizada como símbolo para ganho, que pode ser um valor >1,
quando há amplificação, >1):
𝑨𝑷 = 𝜶 𝑿 𝑨𝑽
Na maioria das vezes, os ganhos de tensão e de potência são funções da relação entre
as variações da tensão e corrente de saída e de entrada ocasionadas por sinais variáveis
(sinais CA). Esse estudo será desenvolvido quando for avaliado o comportamento do transistor
em circuitos de corrente alternada, utilizando o conceito de decibéis (dB). Nesta disciplina,
utilizaremos apenas sinas contínuos (sinais CC).
A resistência de entrada desta montagem é baixa em função da polarização direta base-
emissor. Já na saída a resistência será alta, por causa da polarização reversa base-coletor.
Para analisar com exatidão o funcionamento de um transistor é necessário conhecer as
suas curvas características. Cada modelo de transistor tem um conjunto próprio de curvas, ge-
ralmente disponibilizado pelo fabricante. Quase sempre é necessário assumir que as correntes
IE e IC são iguais, pois a maioria das curvas apresenta valores de IC apenas.
Serão utilizadas nos exemplos, as curvas do transistor BC548 (tipo NPN) que se encon-
tram, juntamente com as especificações completas desse dispositivo, nas próximas páginas.
Também são mostradas as características do par complementar do BC548, que é o BC558
(tipo PNP). A curva ao lado, que relaci-
ona a tensão base-emissor (VBE) e a cor-
rente de coletor (IC) pode ser utilizada
para determinar a resistência de entrada
da configuração base comum (conside-
rando IC = IE), pois a tensão de entrada
dessa configuração é VBE e a corrente de
entrada IE.
𝑟𝑖 =
∆𝑉𝐵𝐸
∆𝐼𝐶
=
0,1𝑉
96𝑚𝐴
𝒓𝒊 ≅ 𝟏Ω
Essa resistência pode variar de-
pendendo do ponto de trabalho (valores
de corrente e tensão envolvidos) que for
utilizado.
ENTRADA SAÍDA
IE IC
IB
PNP
DVBE = 0,1V
DIC = 96mA
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87
5.2.3- Configuração coletor comum
Neste caso, é o coletor o terminal comum entre entrada e
saída. À direita é mostrado o circuito polarizado com duas baterias
e abaixo o quadripolo equivalente do circuito. A corrente de en-
trada é a de base (IB) e a de saída a de emissor (IE). O ganho de
corrente é alto, pois IE é muito superior IB. O ganho de tensão
será ligeiramente menor que 1 (ver comentário abaixo), o que
leva a um ganho de potência médio.
Como quase sempre a diferença entre as correntes de coletor e de emissor é muito pe-
quena, as mesmas curvas que serão utilizadas para a próxima configuração, a emissor comum,
podem ser utilizadas para este modelo.
Uma forma mais comum de apresentação deste circuito é a
mostrada ao lado. É denominada seguidor de emissor, e é mos-
trada com um transistor NPN. A tensão de saída é a que se desen-
volve sobre o resistor ligado ao emissor (RE), que geralmente tem
valor baixo, o que resulta em uma tensão sobre ele (RE x IE) pe-
quena, sendo a tensão de saída menor do que a da entrada.
5.2.4- Configuração emissor comum
Na última das configurações é o emissor o terminal comum entre entrada e saída. É a
configuração mais utilizada em circuitos com transistores pelas suas características de
ganho elevado.
À direita é mostrado o circuito polarizado com duas bate-
rias e abaixo o quadripolo equivalente do circuito. A corrente de
entrada é IB e a de saída IC. O ganho de corrente do circuito,
representado pela letra grega (beta), será o quociente da cor-
rente de saída pela de entrada:
=
𝑰𝑪
𝑰𝑩
Como a corrente de coletor é muito superior à
de base, o valor de (ganho de corrente em emissor
comum) será sempre maior que 1. Esse parâmetros
geralmente se situa entre 50 (para transistores de alta
potência) e 500 (transistores de baixa potência, chama-
dos transistores de pequenos sinais).
Importantes também são as relações das tensões no
circuito (que podem também ser determinadas para as outras duas configurações):
𝑽𝑪𝑪 = 𝑽𝑪𝑬 + 𝑽𝑹𝑪 𝑽𝑬𝑬 = 𝑽𝑩𝑬 + 𝑽𝑹𝑩
ENTRADA
SAÍDA
IE
IC
IB
PNP
IC
IE
IB
ENTRADA
SAÍDA
IE
IC
IB
PNP
VCC
ENTRADA
SAÍDA
IE
IC
IB
VCE
VCC
VEE
VRC
VBE
VRB
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88
A tensão de entrada será baixa (a junção base-emissor se comporta como um diodo
polarizado diretamente). A tensão de saída (VCE) será mais alta que a de entrada. O ganho de
tensão, definido por AV será:
𝑨𝑽 =
𝑽𝑪𝑬
𝑽𝑩𝑬
Nesta situação, o ganho de tensão será muito superior a 1.
O ganho de potência será também alto, pois será o produto do ganho de corrente
pelo ganho de tensão AV:
𝑨𝑷 = 𝑿 𝑨𝑽
A família de curvas ao lado é a mais
utilizada em projetos com transistores. Ela
relaciona a tensão coletor-emissor (VCE) com
a corrente de coletor (IC), para diversos valo-
res de corrente de base (IB). Pode-se deter-
minar, para uma dada corrente de entrada
(IB) qual será o valor de VCE para uma certa
corrente de saída (IC). No exemplo (em ver-
melho), se a corrente de coletor for de 50mA
e a de base 200µA, o valor de VCE será de
é de cerca 0,000.000.740m a 0,000.000.625m
e sua frequência situa-se entre 405.000.000.000.000Hz e 480.000.000.000.000Hz. O compri-
mento de onda λ (lambda) é determinado dividindo-se a velocidade da luz (300.000.000m/s)
pela frequência da onda.
ASTRONOMIA
A distância entre a Terra e o Sol é de cerca de 150.000.000 de quilômetros. Já a dis-
tância do Sol até a estrela mais próxima, Proxima Centauri, é de cerca de
40.000.000.000.000Km.
As formas utilizadas para representação dos valores numéricos acima não estão erra-
das, mas não são empregadas em trabalhos técnicos e científicos. Além da dificuldade
de leitura, os cálculos envolvendo valores expressos nessas formas seriam muito trabalhosos.
Tente calcular a frequência da luz vermelha dividindo a velocidade da luz (300.000.000m/s)
pelo comprimento de onda (0,000.000.740m)!
Para a representação de valores muito grandes como distâncias astronômicas, ou mui-
to pequenos como comprimentos de ondas de luz, utiliza-se a Potência de Dez, que elimina
os zeros antes ou depois da vírgula decimal e os substitui pelo expoente da base 10:
40.000.000.000.000Km = 40x1012Km
300.000.000m/s = 300x106m/s
0,000.000.625m = 625x10-9m
405.000.000.000.000Hz = 405x1012Hz
Na ciência, em geral se utiliza a chamada Notação Científica, que usa a Potência de
Dez escrita de uma forma específica:
m x 10e
onde m é a mantissa e e a ordem de grandeza do valor a ser representado. A mantissa, que
representa os algarismos significativos do número, em módulo, sempre terá um valor entre 1
e 10. Utilizando Notação Científica, a representação anterior será um pouco diferente:
40.000.000.000.000Km = 4,0x013Km
300.000.000m/s = 3,0x108m/s
0,000.000.625m = 6,25x10-7m
405.000.000.000.000Hz = 4,05x1014Hz
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1/16 2
Já em Engenharia, utiliza-se a Notação de Engenharia, semelhante à Notação Científi-
ca, mas que usa os expoentes da potência de 10 em múltiplos de três, positivos e negativos, sen-
do que cada um deles têm um nome específico, como pode ser visto na tabela a seguir, que mos-
tra os múltiplos e submúltiplos mais utilizados.
SÍMBOLO NOME POTÊNCIA VALOR
MÚLTIPLOS
(VALORES
MAIORES QUE 1)
T Tera 1012 1.000.000.000.000
G Giga 109 1.000.000.000
M Mega 106 1.000.000
K Kilo 103 1.000
UNIDADE 100 1,0
m mili 10-3 0,001
SUBMÚLTIPLOS
(VALORES
MENORES QUE 1)
µ micro 10-6 0,000.001
n nano 10-9 0,000.000.001
p pico 10-12 0,000.000.000.001
A representação dos valores mostrados anteriormente ficaria assim:
40.000.000.000.000Km = 40x012Km
300.000.000m/s = 300x106m/s (300.000Km/s)
0,000.000.625m = 625x10-9m = 625nm (625 nanômetros)
405.000.000.000.000Hz = 405x1012Hz = 405THz (405 Tera Hertz)
Em algumas unidades de medida nem todos os múltiplos são utilizados. Para o metro e o
grama, por exemplo, apenas o Kilo (K) é normalmente usado: raramente se usa Mm (Mega metro
= 1000Km) o Mg (Mega grama = 1t).
Para a representação de distâncias astronômicas utiliza-se, entre outras unidades, o ano-
luz, que é a distância que a luz percorre em um ano. Observe que, nos cálculos abaixo, a utiliza-
ção de potência de 10 facilita em muito o trabalho de digitação em uma calculadora.
velocidade da luz c = 300.000Km/s = 3x105Km/s
segundos em um ano = 365 dias x 24 horas x 60 min. x 60 seg. = 31.536.000s = 3,1536x107s
distância percorrida pela luz em um ano = 3x105Km/s x 3,1536x107s = 9,4608x1012Km
distância entre a Terra e Proxima Centauri = 40.000.000.000.000Km = 40x1012Km
distância entre a Terra e Proxima Centauri em anos-luz =
40x1012Km/9,4608x1012Km = 4,2279 anos-luz
As representações da página anterior ficariam, agora, mais fáceis de serem interpretadas e
utilizadas em cálculos:
FÍSICA
O comprimento de onda da luz vermelha é de cerca 740nm a 625nm e sua frequência si-
tua-se entre 405THz e 480THz.
ASTRONOMIA
A distância entre a Terra e o Sol é de cerca de 150x106 quilômetros. Já a distância do Sol
até a estrela mais próxima, Proxima Centauri, é de cerca de 40x1012Km, ou 4,2279 anos-luz.
É conveniente notar que as formas demonstradas acima, são utilizadas em ciência e En-
genharia. Caso essas informações fossem veiculadas em um jornal ou revista para o público em
geral, seria utilizada a forma que mostra todos os zeros do número.
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1/16 3
MÉTODOS DE ARREDONDAMENTO
O valor exato da distância entre a Terra e Proxima Centauri é de 4,2279722645 , obtido
em uma calculadora científica. Na grande maioria das vezes, não é necessária uma represen-
tação tão exata. Geralmente duas casas decimais após a vírgula são suficientes. Para isso, é
necessário eliminar as casas decimais excedentes, através de um processo denominado ar-
redondamento, o que deve obedecer a regras específicas. A ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas) entidade que define os padrões em todas as áreas de estudo em nosso
país, normalizou esse procedimento através da norma NBR 5891:2014, Regras de arredon-
damento na numeração decimal. Em resumo, essa norma diz o seguinte:
1- Se o último algarismo a ser conservado for seguido de um algarismo inferior a cinco, os
algarismos após o que queremos conservar devem ser eliminados.
9,4648x1012Km 9,46x1012Km
2- Se o algarismo a ser conservado for seguido de um algarismo superior a cinco, ou igual
a cinco seguido de no mínimo um algarismo diferente de zero, aumenta-se de uma
unidade o último algarismo a ser conservado e eliminam-se os demais.
4,2269 anos-luz 4,23 anos-luz
1,235.001 1,24
3- Se o algarismo a ser conservado for ímpar, seguido de um algarismo igual a cinco e
posteriormente de zeros, aumenta-se de uma unidade o algarismo a ser conservado e
eliminam-se os demais.
2,335.000 2,34
4- Se o algarismo a ser conservado for par, seguido de um algarismo igual a cinco e pos-
teriormente de zeros, permanece o algarismo a ser conservado e eliminam-se os de-
mais.
2,345.000 2,34
ÚLTIMO ALGARISMO
A SER CONSERVADO
ALGARISMO SEGUINTE
MENOR QUE 5
→
→
ÚLTIMO ALGARISMO
A SER CONSERVADO
ALGARISMO SEGUINTE
MAIOR QUE 5
ALGARISMO SEGUINTE
IGUAL A 5
ÚLTIMO ALGARISMO A
SER CONSERVADO
→
ALGARISMO SEGUINTE
IGUAL A 5
ÚLTIMO ALGARISMO A SER
CONSERVADO É IMPAR
→
ALGARISMO SEGUINTE
IGUAL A 5
ÚLTIMO ALGARISMO A SER
CONSERVADO É PAR
→
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1/16 4
É preciso ressaltar que, em uma especificação, laudo, projeto ou qualquer outro
documento técnico que deva se submeter às normas da ABNT, as quatro regras devem
ser observadas e seguidas.
Por último, é importante que os métodos de arredondamento apresentados sejam apli-
cados apenas no resultado final dos cálculos, como demonstrado abaixo.
34
7
+
23
11
−
51
13
Em algumas situações, os arredondamentos das parcelas podem levar a erros signifi-
cativos no resultado final.
ATENÇÃO
Algumas calculadoras podem ser configuradas para arredondar automaticamente os
resultados. É melhor que esse procedimento
aproximadamente 6,7V.
Nesse ponto, o ganho de corrente
será:
=
𝐼𝐶
𝐼𝐵
=
50𝑚𝐴
200𝜇𝐴
= 𝟐𝟓𝟎
5.2.5- Considerações sobre as três configurações
Conforme já foi dito, a configuração emissor comum é a mais utilizada, e geralmente
como circuito amplificador, pois possui ganhos de tensão, corrente e potência elevados. As
outras configurações são, por exemplo, aplicadas em sistemas onde é necessário acoplar um
circuito de baixa impedância a outro de alta impedância (base comum) ou o inverso (coletor
comum).
A tabela abaixo relaciona, de forma comparativa, algumas das características das três con-
figurações.
CONFIGURAÇÃO
GANHOS RESISTÊNCIA
CORRENTE TENSÃO POTÊNCIA ENTRADA SAÍDA
BASE COMUM
a torneira oferece à passagem da água. No transistor, a variação do fluxo de corrente
ocorre em função da variação da resistência que o transistor oferece à passagem da corrente.
Ou seja, a polarização de base afeta diretamente a resistência entre coletor e emissor. O próprio
nome transistor vem da junção dos termos em inglês TRANsfer e reSISTOR ou “resistor de
transferência”, indicando que é possível controlar a resistência interna do dispositivo (entre co-
letor e emissor) a partir de sua polarização.
Podemos então concluir que:
na região de corte (equivalente a uma chave aberta), a resistência entre coletor e
emissor será máxima (não há corrente de coletor) e a tensão entre coletor e emissor
também será máxima (VCE @ VCC);
na região de saturação (equivalente a uma chave fechada), a resistência entre coletor
e emissor será mínima (corrente de coletor alta) e a tensão entre coletor e emissor será
baixa (VCEsat, geralmente menos de 0,5V).
O conceito de amplificação não significa aqui aumentar a corrente. O que acontece é
que um pequeno valor de corrente na base controla um alto valor de corrente no coletor.
EMISSOR
COLETOR
BASE
IE IC
IB
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96
O termo saturação indica que o dispositivo já chegou ao seu limite para a condição de
polarização existente. Em outras palavras, podemos aumentar IB até um ponto onde IC será
máxima e VCE mínima. Se continuarmos aumentando IB, não haverá efeito nenhum sobre IC e
VCE, pois o transistor já está saturado.
O quadro e os diagramas abaixo resumem as características dessas duas regiões.
IB IC IE VCE rCE
CONDIÇÃO
EQUIVALENTE
DE CHAVE
CORTE 0 0 0 @VCC muito alta aberta
SATURAÇÃO alta alta alta VCEsat muito baixa fechada
O gráfico VCE X IC da próxima página mostra as regiões de corte e saturação.
5.4.2- Hipérbole de máxima dissipação de potência
Enquanto as regiões de corte e saturação são limites operacionais e não levam neces-
sariamente o transistor a uma condição de risco, a hipérbole de máxima dissipação é uma curva
traçada sobre o gráfico VCE X IC que define a região limite de trabalho, acima da qual a potência
máxima de coletor do dispositivo (PCmáx) será ultrapassada, com possível dano ao componente.
A potência dissipada pelo coletor de um transistor é determinada através do produto da tensão
entre coletor e emissor (VCE) pela corrente de coletor (IC):
𝑃𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝑐
A determinação dessa hipérbole é bem simples, bastando encontrar qual o valor de cor-
rente IC para cada um dos valores de VCE do gráfico, de forma a se obter a PCmáx. O BC548
usado como referência, tem uma PCmáx = 500mW (ver datasheet). Para VCE = 5V, teremos:
𝑃𝐶𝑚á𝑥 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝑐 0,5𝑊 = 5𝑉 𝑋 𝐼𝑐 𝐼𝑐 = 100𝑚𝐴
Ou seja, para uma tensão entre coletor e emissor de 5V, a corrente de coletor será de
100mA (ICmáx) para se obter a PCmáx.
Os valores de VCE abaixo de 5V resultarão em corrente superiores à ICmáx (100mA) do
transistor, e não serão utilizados para o traçado da hipérbole.
Repetindo o cálculo para todos os valores de VCE do gráfico (de 5V até 20V), teremos os
valores de corrente de coletor correspondentes:
VCE 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V
IC 100 83 71 63 56 50 45 42 38 36 33 31 29 28 26 25 mA
IE = alta
IC = altaIB = alta
VCC
VCEsat
SATURAÇÃO
IE = 0
IC = 0IB = 0
VCC
VCC
CORTE
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97
Abaixo, é mostrada a hipérbole de máxima dissipação de potência de coletor traçada
sobre o gráfico VCE X IC do transistor BC548. São mostradas no mesmo gráfico, as regiões de
corte e saturação.
A região denominada linear ou ativa é a que fica entre as regiões de corte, saturação
e de potência máxima de coletor permitida.
Compare este gráfico com a tabela da página anterior que foi repetida abaixo, e que
mostra as características elétricas das regiões de corte e saturação de um transistor.
IB IC IE VCE rCE
CONDIÇÃO
EQUIVALENTE
DE CHAVE
CORTE 0 0 0 @VCC muito alta aberta
SATURAÇÃO alta alta alta VCEsat muito baixa fechada
Resumindo: um transistor bipolar de junção pode operar em qualquer região
(corte, saturação ou linear) e sempre abaixo da limitada pela hipérbole de máxima dissi-
pação.
REGIÃO DE
SATURAÇÃO
REGIÃO
DE
CORTE
HIPÉRBOLE DE
MÁXIMA
DISSIPAÇÃO
REGIÃO DE
POTÊNCIA DE
COLETOR ACIMA
DA PERMITIDA
REGIÃO
LINEAR
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98
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99
EXERCÍCIOS
5.1- Desenhe os diagramas (circuito com duas baterias e quadripolo) das três configurações
(base, coletor e emissor comuns), para transistores NPN, utilizando os diagramas para transis-
tores PNP das pág. 85 a 87.
5.2- Concurso Analista de Correios, Eng. Eletrônica, Correios, 2011.
Resp.: V
5.3- Concurso Analista de Planej. e Desenv. Operac. Jr, Eng. Elétrica e Eletrônica, CPTM, 2012
Resp.: A
Resp.: D
Resp.: E
Resp.: C
5.4- Analista Judiciário, Área de Apoio, Eng. Eletrônica, TRF2, 2012
Resp.: D
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100
5.5- Concurso Téc. Eletrônica, Metro-DF, 2013
5.6- Exame de Admissão Eng. Eletrônica – Estágio de Adaptação de Oficiais Engenheiros –
Aeronáutica, 2019
Resp.: C
Resp.: C, D
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101
5.7- Concurso Admissão ao Curso de Praças da Marinha, Eletrônica, Marinha do Brasil, 2014
Resp.: (B)
5.8- Concurso Técnico em Eletrônica, Eletrosul, 2008
Resp.: d)
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102
5.9- Exame de Admissão Eng. Eletrônica – Estágio de Adaptação de Oficiais Engenheiros –
Aeronáutica, 2019
Resp.: b)
5.10- Concurso Eng. Equipamentos Jr., Elétrica, Petrobrás, 2011
Resp.: (E)
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103
5.11- Concurso Técnico em Eletrônica, Infraero, 2011
Resp.: C
5.12- Concurso Eng. Equipamentos Jr., Elétrica, Petrobrás, 2018
Resp.: (D)
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104
5.13- Utilizando as curvas de VCE X IC do BC548 mostradas abaixo, complete a tabela. Consi-
dere VBE=0,7V para todos os casos (de 1 a 9).
1 2 3 4 5 6 7 8
9
VCE 10 10 10 6 10 14 1 14 V
VCB V
IC 40 40 40 49 mA
IB 50 150 300 400 25 µA
rCE Ω
245 -
PC mW
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105
5.14- No exercício 5.13, utilizando a numeração das colunas (de 1 a 9) para identificar a res-
posta quando necessário, determine:
a- algum dos pontos excedeu os limites máximos de operação do transistor?
b- o que acontece com a resistência rCE na medida em que se polariza mais a base (colunas
1, 2 e 3)?
c- nas colunas 4, 5 e 6, analise o que permite que VCE varie enquanto IC e IB ficam pratica-
mente constantes
d- quais os valores de rCE no corte e na saturação?
e- onde houve variação significativa do valor de ?
f- o que aconteceu com o valor de VCB na saturação?
5.15- Quais as potências dissipadas por um transistor nas regiões de corte e saturação, consi-
derando ICcorte = 0 e VCEsat = 0 ? Existe alguma vantagem nisso?
5.16- A questão anterior reflete a realidade do comportamento do transistor bipolar de junção?
O que muda?
5.17- Complete a tabela para o diagrama dado. Considere que o transistor estará na região de
corte quando VCE > 95% de VCC e na região de saturação quando VCE
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114
6.2- O transistor como chave- utilizando o
Nosso objetivo neste exemplo é ligar uma lâmpada de 220VCA/100W utilizando uma
saída digital padrão de um microcontrolador PIC. Esse tipo de saída pode fornecer, no máximo,
20mA, com tensões de 0V ou 5VCC (níveis TTL). O acionamento da lâmpada será feito pelo
relé, que suporta até 5A e 250VCA, sendo que a lâmpada consome 100W/220V ou cerca de
450mA. O relé aciona a lâmpada e possibilita a isolação elétrica (denominada, neste caso,
isolação galvânica) entre o circuito de baixa tensão (microcontrolador) e o de alta que é a rede
elétrica de 220V.
A bobina do relé, no entanto, consome 30mA, e não pode ser ligada diretamente à saída
do PIC, sendo necessária a utilização de um transistor (neste caso, na configuração emissor
comum) para amplificar a corrente dessa saída. O circuito ficará como o mostrado abaixo:
O transistor irá trabalhar nas duas regiões extremas:
corte, quando não há corrente de coletor (rCE alta) e o relé estará desenergizado
(VBOB =0 tensão na BOBina);
saturação, quando a corrente de coletor será máxima (rCE baixa) e o relé será energi-
zado (VBOB = VCC - VCEsat).
Esse é o comportamento do transistor atuando como chave: ligado ou desligado.
O diodo D1 é fundamental para o correto funcionamento do circuito, como explicado a
seguir.
Quando a bobina do relé é energizada (transistor em saturação), forma-se um campo
magnético nela. Quando ocorre o desligamento do relé (transistor em corte) o campo magnético
que havia na bobina entra em colapso e as linhas de força do campo se movem rapidamente
para dentro da bobina. Um campo magnético em movimento sobre uma bobina produz tensão,
e a velocidade desse campo determina o valor dessa tensão. Como neste caso a velocidade
de colapso do campo é alta (desligamento de bobinas energizadas) a tensão produzida pela
bobina será muitas vezes superior à tensão da fonte que a alimenta, e também de polaridade
oposta. Essa tensão, embora alta, tem uma duração muito pequena (chama-se a esse tipo de
pulso de transiente de tensão) e sua energia (energia = potência X tempo) é baixa. O diodo, da
forma como está ligado no circuito, não influi no funcionamento deste quando a bobina está
alimentada (transistor saturado), pois estará polarizado reversamente. Mas, se for produzida
uma tensão reversa na bobina, o diodo ficará polarizado diretamente e absorverá o transiente.
Caso o diodo não seja instalado, a tensão reversa poderá danificar as junções do transistor ou
até mesmo o microcontrolador, por isso é indispensável seu uso. Às vezes, em circuitos utili-
zando microcontroladores, pode ocorrer um Reset ou a rotina (software) pode deixar de funci-
onar caso esse diodo não seja instalado.
PIC
16F628
+12V
RA0
220VAC/100W
220V
RELÉ
SH-S-1 12 D M
RB
D1
1N4148
Q1
BC548
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115
O primeiro passo é determinar se o transistor atende nossa necessidade. Como
ICmáx = 100mA, e VCEmáx = 30V, as limitações do dispositivo nos atendem.
Os valores de variam entre 110 e 220 para o tipo A (BC548A); usaremos o valor médio,
ou seja, 165.
Para a IC desejada (30mA), o valor de IB será:
𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 𝛽⁄ = 30𝑚𝐴 165 ⁄ 𝑰𝑩 = 𝟏𝟖𝟐𝝁𝑨
Em seguida, é necessário determinar o valor do resistor RB. Estamos supondo que, como
na grande maioria das vezes, queremos acionar o relé quando a tensão de saída em RA0 for
de 5V. Logo, teremos:
𝑅𝐵 =
𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵
=
5 − 0,7
182𝜇𝐴
𝑹𝑩 = 𝟐𝟑, 𝟔𝑲Ω
O valor de VBE utilizado é normalmente de 0,7V. Para cálculos que necessitem maior
exatidão, existe uma curva específica VBE X IC no manual do transistor.
O valor comercial mais próximo (ver pág. 61) é de 22KΩ, que será o valor adotado. A
potência do resistor será:
𝑃𝑅𝐵 ≥
𝑉𝑅𝐵
2
𝑅𝐵
≥
(4,3)2
22KΩ
𝑷𝑹𝑩 ≥ 𝟖𝟒𝟎𝝁𝑾
Um resistor de 1/16W (62,5mW) atende plenamente.
O último passo é escolher um diodo para absorver o pulso reverso da bobina. O ideal é
que ele responda a frequências mais elevadas (o transiente é um pulso de curta duração), por
isso será utilizado o 1N4148, que suporta uma corrente direta de 300mA e uma tensão reversa
da ordem de 100V.
Quando a tensão de RA0 for zero volt, a corrente IB será também zero, o transistor estará
em corte e o relé desativado; quando RA0 for 5V, a corrente IB será:
𝐼𝐵 =
𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵
=
5 − 0,7
22𝐾Ω
𝑰𝑩 = 𝟏𝟗𝟓𝝁𝑨
Nesta situação, IC seria:
𝐼𝐶 = 𝐼𝐵 𝑋 𝛽 = 195𝜇𝐴 𝑋 165 𝑰𝑪 = 𝟑𝟐, 𝟏𝟕𝒎𝑨
Na realidade neste exemplo, onde a tensão da bobina do relé é a mesma da fonte (12V),
o transistor terá de trabalhar na saturação, de modo que a tensão VCE seja mínima (VCEsat). Na
saturação o do transistor diminui, portanto a corrente de coletor de 32,17mA calculada não é
correta, pois foi usado um valor de médio (arbitrário). Mesmo que se diminua mais ainda o
resistor de base, aumentando a corrente de base, a corrente de coletor não aumentará (este é
o efeito da saturação no transistor), e essa corrente será limitada pela resistência da bobina do
relé.
Para este tipo de circuito, onde a carga (a bobina do relé) tem uma ampla faixa permitida
de variação de tensão (de 9V a 15,6V), este cálculo simplificado pode ser utilizado. No entanto,
a maneira mais correta de fazer um projeto deste tipo é utilizando as curvas características do
transistor e traçando sobre elas a reta de carga do circuito, o que será visto no próximo tópico.
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116
6.3- O transistor como chave – utilizando a reta de carga
O projeto do item anterior será refeito através da reta de carga do circuito. Será neces-
sária, agora, a curva característica VCE X IC do transistor.
O método será idêntico ao utilizado para o diodo, substituindo VD por VCE e ID por IC.
Método para o traçado da reta de carga
1º passo- Considerar o transistor um curto entre coletor e emissor (VCE = 0) e determinar a corrente no circuito;
marcar o valor encontrado no gráfico (IC = 30mA; VCE = 0).
𝐼𝐶 =
𝑉𝐶𝐶
𝑅𝑟𝑒𝑙é
=
12𝑉
400Ω
⟹ 𝐼𝐶 = 30𝑚𝐴
2º passo – Considerar o transistor um circuito aberto entre coletor e emissor (IC = 0) e determinar a tensão
sobre ele; marcar o valor encontrado no gráfico (IC = 0; VCE = VCC = 12V).
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 = 12𝑉
3º passo- Unir os dois pontos por uma reta, que será a reta de carga do circuito.
4º passo- Como queremos que o transistor opere como chave, em corte e saturação, precisamos escolher
um ponto quiescente (ponto de operação) onde a tensão entre coletor e emissor seja a menor possível. A VCEsat
deste transistor pode variar entre 90mV e 600mV. Para um valor de IB = 400µA, teremos um VCEq de cerca de 0,4V
e uma ICQ de cerca de 29mA.
Obtida a corrente de base (400 µA), pode-se calcular o valor de RB:
𝑅𝐵 =
𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵
=
5 − 0,7
400𝜇𝐴
𝑹𝑩 = 𝟏𝟎, 𝟕𝟓𝑲Ω
O valor comercial mais próximo é 10KΩ e a potência do resistor será:
𝑃𝑅𝐵 ≥
𝑉𝑅𝐵
2
𝑅𝐵
≥
(4,3)2
10KΩ
𝑷𝑹𝑩 ≥ 𝟏, 𝟖𝒎𝑾
Mais uma vez, um resistor de 1/16W atende.
ICQ = 29mA
VCEQ = 0,4V
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117
É importante destacar que o primeiro cálculo, onde RB = 22KΩ não estava errado, e o circuito
funcionaria sem apresentar problemas. É fácil perceber no gráfico que, se a corrente de base
fosse
195µA (valor encontrado no item anterior), pouca variação ocorreria em VCEQ e ICQ. O
método da reta de carga, no entanto, é mais confiável. Além disso, uma corrente de base maior
garante um valor de VCEsat menor e uma maior tensão entregue à carga. A máxima corrente de
base não é informada no datasheet deste transistor. No entanto, no item VCEsat aparece uma
condição de teste (Test Condition) onde IB = 5mA, de onde se deduz que esse valor de corrente
é permitido para o componente. Adotar, no caso deste projeto (onde o transistor deve funcionar
na saturação), uma corrente inferior a 5mA, algo como 1mA, também seria uma solução viável.
Um problema que ocorre com projetos utilizando transistores é a discrepância entre os valo-
res de de dispositivos de fabricantes diferentes e até mesmo entre lotes diversos do mesmo
fabricante. Para evitar surpresas, é conveniente medir o do transistor com auxílio de um mul-
tímetro (ver pág. 94) antes de efetuar os cálculos.
Quando for necessário que o valor de
um resistor seja exatamente o calculado,
deverão ser utilizados potenciômetros ou
trimpots. Estes últimos são de menor tama-
nho que os potenciômetros e aparecem ao
lado. Ambos são resistores variáveis, que
devem ser devidamente ajustados para ob-
ter o valor calculado.
Os valores ôhmicos de trimpots e poten-
ciômetros lineares não seguem a tabela de
resistores E12 fornecida no cap. 3. Pode-
se utilizar, como referência, os valores de:
100Ω, 200Ω, 500Ω, 1KΩ, 2KΩ, 5KΩ,
10KΩ, 20KΩ, 50KΩ, 100KΩ, 200KΩ,
500KΩ, 1MΩ, 2MΩ, 5MΩ, embora outros
possam também ser encontrados.
Lembrando: um potenciômetro ou trimpot de 1KΩ pode ter seu valor ajustado entre 0Ω e
1000Ω. O mesmo vale para todos os outros valores.
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118
6.4 – O transistor como chave – acionamento de cargas utilizando PWM
A velocidade em um motor de corrente contínua é função direta da tensão aplicada a ele, e
é máxima na tensão nominal do motor. Se a tensão sobre o motor diminuir, sua velocidade
também diminui. Esse tipo de motor precisa de uma tensão mínima para vencer a inércia me-
cânica do conjunto motor/carga e começar a girar, ou seja, o motor pode não girar quando a
tensão é pouco acima de zero. Em ambos os circuitos a seguir o objetivo é controlar a veloci-
dade de um motor de 12VCC e 30mA, através da variação da tensão sobre ele.
No circuito da esquerda, o valor efetivo da resistência de base será a soma dos valores de
R e P. O menor valor de resistência de base, quando a resistência do potenciômetro for zero,
será igual a R. Através do potenciômetro pode-se variar a corrente de base do transistor, o que
altera a corrente de coletor e consequentemente a tensão coletor-emissor, resultando na vari-
ação da tensão sobre o motor. Quando P é ajustado para se obter 50% da tensão nominal do
motor (VM=6V), a tensão VCE será também igual a 6V (VCC = VCE + VM). Assumindo que a cor-
rente do motor será também a metade da nominal (IM=15mA), a potência de coletor do transistor
será: 𝑃𝑐 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝐶 = 6𝑉 𝑋 15𝑚𝐴 ⟹ 𝑷𝒄 = 𝟗𝟎𝒎𝑾
Essa potência de coletor (90mW) representa uma perda, pois não produz trabalho, apenas
esquenta o transistor. Como a potência consumida pelo motor nessa condição (VM=6V e
IM=15mA, PM=90mW ) é igual à dissipada pelo transistor a eficiência desse circuito é de apenas
50%!
No outro circuito, o mesmo efeito (controle da velocidade do motor através da tensão apli-
cada a ele) é obtido, mas agora utilizando uma técnica denominada PWM (Pulse Width Modu-
lation ou Modulação por Largura de Pulso).
O PWM consiste em um sinal de
período constante e largura de
pulso (intervalo de tempo em que o
sinal fica com nível acima de zero)
variável. Esse intervalo é denomi-
nado duty cycle (ciclo de trabalho) e
normalmente é expresso em por-
centagem. Quanto maior for o duty
cycle (intervalo de tempo com o si-
nal acima de zero) maior será a ten-
são média desse sinal.
Ao lado temos um sinal PWM com duty cycle de 50%. Isso
significa que a tensão média desse sinal será 50% de seu va-
lor máximo: 50% de 12V = 6V.
Os sinais abaixo têm, respectivamente, duty cycle de 25%
e 75%, e apresentam tensões médias de 3V e 9V.
Através do PWM é possível alterar a velocidade do motor, com o transistor de controle tra-
balhando nos estados de corte e saturação. Como no corte não há corrente e na saturação a
tensão VCE é baixa, a potência de coletor (PC=VCExIC) será sempre baixa, o que faz com que
esse tipo de circuito tenha alta eficiência (perda baixa).
O controle de potência através do método PWM é o normalmente utilizado em sistemas mi-
crocontrolados, onde é possível obter esse tipo de sinal de controle com relativa facilidade,
através de recursos próprios de cada microcontrolador.
M
+12V
VM
PWM
M
R
+12V
VM
P
12V
t (ms)0 1 2
25%
3V
12V
t (ms)0 1 2
50%
6V
12V
t (ms)0 1 2
75%
9V
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119
6.5 – Folha de Características Resumidas de Transistores
A seguir são mostradas partes de um catálogo de transistores do fabricante Fairchild,
que traz as informações de forma resumida. Ele é útil para selecionar transistores para projetos
de circuitos como os mostrados. Caso sejam necessárias informações adicionais, existe, para
cada dispositivo, uma folha de informações completa.
As características de transistores de baixa potência (Small Signal Transistor) apresentam
algumas diferenças das dos transistores de potência (Power BJT) (BJT significa Bipolar Junc-
tion Transistor ou Transistor Bipolar de Junção, que é o modelo que estamos estudando).
Também são apresentadas nas páginas seguintes as dimensões físicas dos transistores
listados, Essa informação é indispensável para a confecção do circuito impresso que acomo-
dará o projeto.
Por último, cabe lembrar que podem ocorrer pequenas diferenças de características elé-
tricas entre transistores (o que ocorre também outros dispositivos) com mesmo código, mas de
fabricantes diferentes.
O símbolo @ significa “na condição de”. Na próxima página, os parâmetros tSTG (SToraGe time
(Tempo de Armazenamento) e tF (Fall time, Tempo de Descida) representam, respectivamente, o tempo
que um transistor permanece saturado depois de retirada a polarização de base e o tempo que demora
para a corrente de coletor de saturação cair para zero. Não confundir com tSTG com TSTG que representa
a Temperatura de Armazenamento (SToraGe Temperature)
Small Signal Transistor
Product
Number
Configuration Function
VCEO
(V)
VCBO
(V)
VEBO
(V)
IC
Max
(A)
hFE Saturation Voltage
Package
Min. Max.
@ VCE
(V)
@ IC
mA)
VCE(sat)
(V)
@ IC
mA)
@ IB
mA)
BC327 PNP General Purpose 45 50 5 0.8 100 630 1 100 0.7 500 50 TO-92
BC337 NPN General Purpose 45 50 5 0.8 100 630 1 100 0.7 500 50 TO-92
BC338 NPN General Purpose 25 30 5 0.8 100 630 1 100 0.7 500 50 TO-92
BC368 NPN General Purpose 20 25 5 2 85 375 1 500 0.5 1000 100 TO-92
BC369 PNP General Purpose 20 25 5 1.5 85 375 1 500 0.5 1000 100 TO-92
BC516 PNP Darlington 30 40 10 1 30000 - 2 20 1 100 0.1 TO-92
BC517 NPN Darlington 40 30 10 1.2 30000 - 2 20 1 100 10 TO-92
BC546 NPN General Purpose 65 80 6 0.1 110 800 5 2 0.6 100 5 TO-92
BC547 NPN General Purpose 45 50 6 0.1 110 800 5 2 0.6 100 5 TO-92
BC548 NPN General Purpose 30 30 5 0.1 110 800 5 2 0.6 100 5 TO-92
BC549 NPN General Purpose 30 30 5 0.1 110 800 5 2 0.6 100 5 TO-92
BC550 NPN General Purpose 45 50 5 0.1 110 800 5 2 0.6 100 5 TO-92
BC556 PNP General Purpose 65 80 5 0.1 110 800 5 2 0.65 100 5 TO-92
BC557 PNP General Purpose 45 50 5 0.1 110 800 5
2 0.65 100 5 TO-92
BC558 PNP General Purpose 30 30 5 0.1 110 800 5 2 0.65 100 5 TO-92
BC559 PNP General Purpose 30 30 5 0.1 110 800 5 2 0.65 100 5 TO-92
BC560 PNP General Purpose 45 50 5 0.1 110 800 5 2 0.65 100 5 TO-92
BC635 NPN General Purpose 45 45 5 1 40 250 2 150 0.5 500 50 TO-92
BC636 PNP General Purpose 45 45 5 1 40 250 2 150 0.5 500 50 TO-92
BC637 NPN General Purpose 60 60 5 1 40 160 2 150 0.5 500 50 TO-92
BC638 PNP General Purpose 60 60 5 1 40 160 2 150 0.5 500 50 TO-92
BC639 NPN General Purpose 80 100 5 1 40 160 2 150 0.5 500 50 TO-92
BC640 PNP General Purpose 80 100 5 1 40 160 2 150 0.5 500 50 TO-92
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120
Power BJT
Product
Number
Configuration Function
VCBO
(V)
VCEO
(V)
VEBO
(V)
IC
(A)
PC
(W)
hFE VCE (sat)
tSTG
(µs)
tF
(µs)
Min. Max.
@ IC
(A)
Typ.
(V)
Max.
(V)
TO-126
BD135 NPN General Purpose 45 45 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD136 PNP General Purpose 45 45 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD137 NPN General Purpose 60 60 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD138 PNP General Purpose 60 60 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD139 NPN General Purpose 80 80 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD140 PNP General Purpose 80 80 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -
BD159 NPN General Purpose 375 350 5 0.5 20 30 240 0.05 - - - -
BD675A NPN Darlington 45 45 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD676A PNP Darlington 45 45 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD677A NPN Darlington 60 60 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD678A PNP Darlington 60 60 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD679A NPN Darlington 80 80 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD680A PNP Darlington 80 80 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -
BD681A NPN Darlington 100 100 5 4 40 750 - 1.5 - 2.5 - -
BD682A PNP Darlington 100 100 5 4 40 750 - 1.5 - 2.5 - -
TO-220
TIP29 NPN General Purpose 40 40 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -
TIP29A NPN General Purpose 60 60 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -
TIP29C NPN General Purpose 100 100 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -
TIP30A PNP General Purpose 60 60 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -
TIP30C PNP General Purpose 100 100 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -
TIP31 NPN General Purpose 40 40 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP31A NPN General Purpose 60 60 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP31B NPN General Purpose 80 80 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP31C NPN General Purpose 100 100 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP32 PNP General Purpose 40 40 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP32A PNP General Purpose 60 60 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP32B PNP General Purpose 80 80 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP32C PNP General Purpose 100 100 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -
TIP41A NPN General Purpose 60 60 5 6 65 15 75 3 - 1.5 - -
TIP41B NPN General Purpose 80 80 5 6 65 15 75 3 - 1.5 - -
TIP41C NPN General Purpose 100 100 5 6 65 15 75 3 - 1.5 - -
TIP100 NPN Darlington 60 60 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -
TIP102 NPN Darlington 100 100 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -
TIP105 PNP Darlington 60 60 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -
TIP106 PNP Darlington 80 80 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -
TIP107 PNP Darlington 100 100 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -
TIP110 NPN Darlington 60 60 5 2 50 500 - 2 - 2.5 - -
TIP111 NPN Darlington 80 80 5 2 50 500 - 2 - 2.5 - -
TIP112 NPN Darlington 100 100 5 2 50 500 - 2 - 2.5 - -
KSC5026M NPN Switching 1100 800 7 1.5 20 10 40 0.1 2 3 0.3
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121
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122
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123
EXERCÍCIOS
6.1- Concurso Eng. Equip. Jr., Elétrica, Petrobrás, 2012
Resp.: (C)
6.2- Concurso Técnico em Automação, SABESP, 2018
Resp.: (B)
Determine também o valor aproximado da corrente de base IB
e o β no ponto Q. Resp.:
~38µA, 158
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124
6.3 - Concurso Analista Judiciário, Eng. Eletrônica, TRF2, 2007
Resp.: (C) e (B)
6.4 - Concurso Eng. Equipam. Jr., Elétrica, Petrobrás, 2010
Resp.: (B)
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125
6.5 - Exame de Admissão Eng. Eletrônica – Estágio de Adaptação de Oficiais Engenheiros –
Aeronáutica, 2019
Resp.: a)
6.6 - Concurso Técnico em Eletrônica, Eletrosul, 2008
Resp.: e) As respostas d) e e) são iguais. Os cálculos indicam que o valor correto seria
por volta de 5,6V
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126
6.7 - Concurso Analista Judiciário, Eng. Eletrônica, TRF2, 2012
Resp.: (A) e (C)
6.8- No circuito abaixo, a resistência do trimpot TP somada à do resistor R forma a resistência
de base do transistor. O led deve funcionar exatamente com a metade de sua corrente nominal.
O β do transistor é 250 e sua VCEsat = 0,3V. Determine a posição da chave para acender o led
e os valores comerciais do trimpot, de R, e de RC.
Resp.: A; 100KΩ, 10KΩ (107,5KΩ); 1KΩ (800Ω)
RC
+10,5V
TP R
+5V
L130
A
B
Os LDR (Light Dependent Resistor = Resistor
Dependente da Luz) são resistores cuja resis-
tência elétrica diminui quando submetidos à
radiação luminosa. (Ver pág 180).
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127
6.9 – Eng. Elétrica, ENADE, 2017
Resp.: 300Ω, 43KΩ, brilho diminui
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128
6.10 - Retirados de uma lista do Curso Técnico de Autom. Industrial, IFMG, Betim
Resp.: c), a)
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129
6.11 - Retirados de uma lista do Curso Técnico de Autom. Industrial, IFMG, Betim
Resp.: d), b)
6.12- Retirados de uma lista do Curso Técnico de Autom. Industrial, IFMG, Betim
Resp.: b), a), a)
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130
6.13 - Para o diagrama ao lado, RS=82Ω,
RB=33KΩ, RC=180Ω. O resistor R polariza
corretamente o diodo D1, que é de germâ-
nio. O transistor é de silício e seu β é 150.
Pede-se:
a- verificar se o Zener está polarizado
corretamente e determinar a tensão
sobre ele;
b- determinar a tensão de saída VO
para as três posições
da chave.
Resp.: IZcirc = 35,4mA dentro das ca-
racterísticas do Zener; 2,76V, 5,13V, 12V
6.14 - O transistor do circuito está polarizado adequadamente e só admite dois estados de
operação: corte ou saturação. A partir do sinal de entrada Vi, obtido através da comutação da
chave, desenhe o sinal de saída VO e também a porta lógica equivalente a esse circuito.
6.15- Deseja-se acionar, simultaneamente, dois relés do tipo SH-S-1 6 D através de uma fonte
de 12VCC, utilizando apenas um transistor, que deve trabalhar nas regiões de corte/saturação,
com IBadot de 2,5mA. Pede-se:
a- descrever detalhadamente as características do relé que interessam ao projeto;
b- projetar o circuito (cálculo dos componentes e diagrama).
Obs.: A ligação proposta neste exercício e no seguinte, embora correta, não é usual.
Resp.: b- RB = 4,7KΩ
6.16- Refazer o exercício anterior para um par de relés SH-S-1 24 D B ligados a uma fonte de
24V CC.
Resp.: b- RB = 10KΩ
RC
RB
+12V
A
B
C
+12V
RS
+12V
1N757
D1
+12V
R
VO
RC
+5V
RB
+5V
A
B
Q1
Vi
VO
5V
t
5V
t
Vi
VO
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
AB AB
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131
6.17 - Os transistores do circuito estão polarizados adequadamente e só admitem dois estados
de operação: corte ou saturação. A partir do
sinal de entrada Vi, obtido através da comuta-
ção da chave, desenhe os sinais V1 e V2 e es-
creva os estados dos transistores (C para corte
e S para saturação) nos círculos dos gráficos.
6.18 - Este exercício é uma introdução aos amplificadores de pequenos sinais, que trabalham
com sinais variáveis (neste caso, senoidais). O transistor tem β=100; RC=1KΩ, RB=5KΩ, VG é
um gerador senoidal simétrico de 200mVpp. Determinar:
a- VOA para a chave na posição A;
b- VOB para a chave na posição B e desenhar sua forma de onda, indicando seus valores
de tensão de pico;
c- o ganho de tensão (para o sinal alternado) do transistor;
d- a relação de fase entre os sinais de entrada e saída.
Resp.: 6V; 4VP 8VP; 20; 180º
RC
+12V
RB
+5V
A
B
RC
+5V
RB
Q1
Q2
V1
V2
Vi
5V
t
5V
t
12V
5V
t
12V
Vi
V1
V2
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
AB AB
RC
+12V
RB
Q1
Vi
VO
B A
1V
VG
t0 2p 3p 4pp
VOB
t0 2p 3p 4pp
1,0V
0,9V
1,1V
Vi
GRÁFICOS SEM PROPORÇÃO
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
132
6.19 - Concurso para Analista, Eng. Eletrônica, Casa da Moeda do Brasil, 2012
Resp.: (C)
6.20 - Para o exercício anterior, supondo os
mesmos valores de Vi e Ic do item b- do
exercício 6.18 e assumindo que RE=20Ω,
determinar:
a- VOB para a chave na posição B e de-
senhar sua forma de onda, indicando
seus valores de tensão de pico;
b- o ganho de tensão (para o sinal alter-
nado) do transistor;
c- a relação de fase entre os sinais de
entrada e saída.
Resp.: 160mVP, 80mVP; 0,4; 0º (em fase)
t0 2p 3p 4pp
VOB
t0 2p 3p 4pp
1,0V
0,9V
1,1V
Vi
GRÁFICOS SEM PROPORÇÃO
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
133
6.21 - O circuito abaixo foi simulado através do Multisim. São mostrados alguns valores de
tensão/corrente para as duas condições da chave de entrada (0V à esquerda e 5V à direita).
Pede-se:
a- analise os diagramas quanto à polarização dos transistores através das duas posições
da chave e explique seu funcionamento para acender os leds;
b- determine a tensão entre base e emissor para os dois transistores quando os mesmos
estiverem na saturação;
c- determine a tensão de saturação entre coletor e emissor para os dois transistores;
d- determine o β para os dois transistores quando os mesmos estiverem na saturação;
e- determine as resistências dinâmicas rce para os dois transistores quando os mesmos
estiverem na saturação;
f- repita o cálculo anterior para a situação de corte;
g- determine as tensões sobre os leds quando os mesmos estiverem acesos.
Resp.: (Q1, Q2) 0,77V,0,765V; 0,19V, 0,231V; 152, 150; 13,9Ω, 17,11Ω; 12,13GΩ, 426,9MΩ;
1,8V, 1,8V
6.22 – Baseado no exercício anterior, como poderia ser o circuito do exemplo da pág. 114 caso
quiséssemos acionar o relé quando a tensão de saída do PIC fosse 0V e desligá-lo quando
fosse 5V? Seria possível também substituir o relé utilizado no exemplo por outro?
Resp.: utilizar um relé com contato NF; utilizar dois transistores como no ex. 6.17; utilizar
um transistor PNP (alterando a tensão da bobina do relé para 5V);
(VER SIMULAÇÕES DO MULTISIM NA PRÓXIMA PÁGINA)
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
134
V1
5V
R1
1000Ω
S1
Key = Space
R2
10000Ω
Q1
BC547BG
VCC
12V R3
400Ω
Q2
BC547BG
VCC
12V
R4
10000Ω
V: 182 mV
I: 29.5 mA
V: 11.0 V
I: 1.02 mA
V1
5V
R1
1000Ω
S1
Key = Space
R2
10000Ω
Q1
BC547BG
VCC
12V R3
400Ω
Q2
BC547BG
VCC
12V
R4
10000Ω
V: 12.0 V
I: 1.71 nA
V: 108 mV
I: 11.9 mA
Q1
BC556AP
V1
5V
V2
5V
R1
70Ω
S1
Key = Space
R2
5000Ω
Probe2
V: 4.80 V
I: 68.6 mA
Q1
BC556AP
V1
5V
V2
5V
R1
70Ω
S1
Key = Space
R2
5000Ω
Probe2
V: 400 pV
I: 5.71 pA
O resistor R3 representa um
relé com bobina para 12V, mo-
delo SHS 1 12 (ver pág. 111),
com Rbob=400Ω.
O resistor R1 representa um
relé com bobina para 5V, mo-
delo SHS 1 05 (ver pág. 111),
com Rbob=70Ω.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
135
6.23 - O motor RF-300C-11440 D/V5.9 é muito utilizado em CD
players e DVD´s players, para rotacionar o disco. É um micro-
motor para 5,9V (o mesmo modelo existe também para outras
tensões) com consumo médio de 30mA. Deseja-se utilizar esse
motor para um projeto de robótica utilizando um microcontrola-
dor PIC, e para acioná-lo será utilizado um transistor (NPN,
β=250) alimentado por 12V. O resistor de base deverá ser com-
posto de um resistor fixo e de um trimpot. Execute o projeto,
incluindo o diagrama esquemático e calcule também a potência
de coletor quando o motor estiver em funcionamento.
Resp.: IB = 120µA; RB=35,83K (R=22K/TP=20K (existem outras soluções));
PC=183mW
6.24 - A partir das informações fornecidas, responda as questões a seguir.
a- A curva ao lado mostra a relação entre a tensão apli-
cada e a velocidade em um motor sem carga (Lugnet
Partsref 71427c01, Peeron 71427c01, mostrado
abaixo), utilizado pela LEGO em seus sistemas robó-
ticos. Supondo pulsos PWM de amplitude de 9V e pe-
ríodo 1ms, determine o duty cycle, em porcentagem,
do sinal para obter uma rotação de aproximadamente
150rpm. Em seguida desenhe a forma de onda para
obter a velocidade pedida.
b- Determine a eficiência do circuito de controle PWM (o segundo circuito da pág. 118), supondo
a resistência ôhmica do motor constante e igual à 240Ω e considerando VCEsat=0,3V.
c- Determine a eficiência de um circuito de controle linear (não PWM, o primeiro circuito da pág.
118) com um transistor polarizado de tal forma a aplicar a tensão para obter a rotação solici-
tada de maneira constante, a partir de uma fonte VCC=9V.
d- Compare os dois métodos quanto à eficiência de cada um deles.
Resp.: a- 3,5V, 39% ; b- 96,67%; c- 38,87%; d- a eficiência do PWM é muito superior
9V
t (ms)0 1 2
http://guide.lugnet.com/partsref/search.cgi?q=71427c01
http://guide.lugnet.com/partsref/search.cgi?q=71427c01
http://www.peeron.com/inv/parts/71427c01
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136
6.25 – Concurso Técnico Projetos, Construção e Montagem Jr., Eletrônica, Petrobrás, 2012
Resp.: (C)
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
137
6.6- Configuração Darlington
A Configuração (ou Conexão) Darlington é composta de dois
transistores interligados como mostra o desenho ao lado. Sua prin-
cipal característica é o alto valor de ganho de corrente () resultan-
te.
Esta configuração pode ser montada com dois transistores
discretos como os vistos nos capítulos anteriores ou adquirida em
um único encapsulamento, como os BD675/677/679/681, cuja folha
de informações pode ser vista nas páginas seguintes.
No circuito ao lado, as correntes de base, coletor e
emissor do par Darlington estão representadas em vermelho.
A corrente de base IB é amplificada por Q1 e aplicada a Q2,
que por sua vez a amplifica novamente. Essa dupla amplifica-
ção é responsável pelo alto ganho de corrente da configura-
ção.
Do circuito podemos perceber que:
𝐼𝐵 = 𝐼𝐵1 𝐼𝐸 = 𝐼𝐸2 𝑒 𝐼𝐶 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐶2
Montando as equações do circuito, teremos:
𝐼𝐶 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐶2 = 𝛽1𝐼𝐵1 + 𝛽1 𝛽2𝐼𝐵1 + 𝛽2𝐼𝐵1 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝑰𝑩𝟏(𝜷𝟏 + 𝜷𝟏 𝜷𝟐 + 𝜷𝟐)
Geralmente, o ganho de corrente do par Darlington (D) é simplificado (com um peque-
no erro) para:
𝜷𝑫 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐
A tensão base-emissor do par Darlington será o dobro da de um
transistor convencional, cerca de 1,4V, pois as duas junções base-
emissor estão em série.
O par Darlington é, muitas vezes, representado como no dese-
nho ao lado.
𝐼𝐸1 = 𝛽1 𝐼𝐵1 + 𝐼𝐵1 ⟹ 𝑰𝑬𝟏 = 𝑰𝑩𝟏(𝜷𝟏 + 𝟏)
}
𝐼𝐶1 = 𝛽1 𝐼𝐵1
𝐼𝐸1 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐵1
𝐼𝐶2 = 𝛽2𝐼𝐵2 = 𝛽2𝐼𝐸1
𝐼𝐵2 = 𝐼𝐸1 = 𝐼𝐵1(𝛽1 + 1)
} 𝐼𝐶2 = 𝛽2𝐼𝐵1(𝛽1 + 1)
𝑰𝑪𝟐 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐𝑰𝑩𝟏 + 𝜷𝟐𝑰𝑩𝟏
IC
IB
IE
B
E
C
Q1
Q2
B
E
C
Q1
Q2
IB1
IE1
IC1
IC2
IE2IB2
IC
IE
IB
}
como 𝐼𝐵 = 𝐼𝐵1
e
𝛽𝐷 =
𝐼𝐵1(𝛽1 + 𝛽1 𝛽2 + 𝛽2)
𝐼𝐵1
⇒ 𝜷𝑫 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐 + 𝜷𝟏 + 𝜷𝟐
𝛽𝐷 =
𝐼𝐶
𝐼𝐵
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138
Exemplos de polarização de circuitos com transistores Darlington:
No circuito ao lado é necessário alimentar uma
carga Rc com 12V a partir de uma fonte de 24V. O
controle é feito através da tensão VIN, que é de 5V.
Verifique se o transistor pode ser utilizado e determine
o valor de RB.
A corrente de coletor do circuito será:
𝐼𝐶 =
𝑉𝑅𝐶
𝑅𝐶
=
12𝑉
10Ω
⇒ 𝑰𝑪 = 𝟏, 𝟐𝑨
e a potência dissipada no coletor:
𝑃𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝐶 = ( 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 ) 𝑋 𝐼𝐶 = (24 − 12) 𝑋 1,2 ⇒ 𝑷𝑪 = 𝟏𝟒, 𝟒𝑾
Da folha de informações do transistor (na próxima página) podemos ver que todas as
limitações foram respeitadas:
VCEO = 45V, IC = 4A, PC = 40W
Do gráfico da Figura 1 (DC current Gain) da folha de informações determinamos que o
D para IC = 1,2A é de cerca de 4500, logo:
Se utilizarmos os valores comerciais mais próximos (12K ou 15K) a tensão sobre RC
será um pouco diferente dos 12V propostos (faça os cálculos e verifique!). Caso seja ne-
cessário respeitar esse valor de tensão, é mais conveniente utilizar um trimpot (de 20K) ou
associar resistores para que RB não fique muito longe do calculado (neste caso, dois resisto-
res de 27K ligados em paralelo resolvem o problema).
𝐼𝐵 =
𝐼𝐶
𝛽𝐷
=
1,2𝐴
4500
⇒ 𝑰𝑩 = 𝟐𝟔𝟕𝝁𝑨
𝑅𝐵 =
𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵
=
5 − 1,4
267. 10−6
⇒ 𝑹𝑩 = 𝟏𝟑, 𝟓𝑲𝛀
IC
IB
IE
RB
RC = 10
VCC = 24V
BD675A
VRC = 12V
VIN = 5V
e
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139
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
140
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
141
Nas próximas páginas são mostradas as características de um conjunto de sete pares
Darlington dentro de um único encapsulamento tipo DIP-16 (Dual In-line Package com 16
pinos). Esse tipo de dispositivo é bastante útil, pois simplifica o lay-out da placa de circuito
impresso e ocupa pouco espaço. O arranjo suporta correntes de até 500mA por par Darling-
ton, tensões de até 50V e já tem instalados internamente os diodos supressores de transien-
tes mostrados anteriormente. O modelo ULN2003 é o mais adequado para interfaces com
microcontroladores e portas TTL, e é bastante utilizado para acionar cargas como motores de
passo, que possuem três ou quatro enrolamentos que devem ser energizados de forma inde-
pendente (ver exercício 6.28, pág. 145).
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142
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
143
ZENER DE 7V
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144
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145
EXERCÍCIOS
6.26- Concurso Admissão ao Curso de Praças da Marinha, Eletrônica, Marinha do Brasil,
2014
6.27- Supondo que os transistores, Q1 e Q2 do par Darlington
da figura possuam, respectivamente, valores de iguais a 100 e
50, determine:
a- todas as correntes para IB = 100µA;
b- o valor do D associando IC e IB ;
c- o valor do D associando 1 e 2 (fórmula simplificada).
d- a diferença porcentual entre os valores de D encontrados
e o motivo dessa diferença.
Resp.: IB1 = 100µA; IC1 = 10mA; IE1 = IB2 = 10,1mA;
IC2 = 505mA; IE = 515,1mA; IC = 515mA
1 = 5150; 1 = 5000; 2,9%
6.28- Deseja-se acionar um contator (dispositivo semelhante aos relés já estudados, mas
geralmente utilizado para acionar cargas com correntes mais altas). A bobina do contator é
para 48V, com resistência de 60, mas a fonte disponível é de 80V. O sinal de acionamento
para o contator, de 24V, é fornecido por um CLP (Controlador Lógico Programável), do qual
deve ser drenado o menor valor possível de corrente. A partir das informações deste capítulo,
projete um circuito que atenda a necessidade descrita acima, desenhando também seu dia-
grama.
Resp.: BD681; RB = 113K
B
E
C
Q1
Q2
IB1
IE1
IC1
IC2
IE2IB2
IC
IE
IB
Resp.: E
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
146
6.29- O diagrama abaixo mostra a conexão de um motor de passo com quatro bobinas a
um microcontrolador utilizando um array ULN2003A. Através da folha de informações do ar-
ray, desenhe a conexão de P2 à bobina /B mostrando os transistores que existem dentro do
ULN2003.
6.30- Para o circuito ao lado, determine: VB, VC, VE, VCE, IB, IC, IE.
Resp.: VB=5,5V, VC=7,95V, VE=4V, VCE=3,95V, IB=1,61µA, IC=8,055mA, IE=8,057mA
1B
1
2B
2
3B
3
4B
4
5B
5
6B
6
7B
7
1C
16
2C
15
3C
14
4C
13
5C
12
6C
11
7C
10
COM
9
GND
U2
ULN2003A
5V ou 12V
1
2
3
4 5 6
MOTOR DE PASSO
P4
P3
P2
P1
/B
B
/A A
CONTROLADOR
8
MICRO
12V
SOLUÇÃO
5B
5C
P2
GND
12V
/B
12
5
9
8
2
3
RB
500
16V
VB
1K
β=5000
VBE =1,5V
6,5M
VE
VC
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147
6.31- Obtido da lista de exercícios do Prof. Chiesse, da Universidade Federal Tecnológica
do Paraná.
Resp.: 360µA
6.32- Obtido da lista de exercícios do Prof. Sérgio Francisco Pichorim, da Universidade Fe-
deral Tecnológica do Paraná.
Resp.: (ligar) 5,6V, 7,5µA; (desligar) 0V, 0 µA
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148
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
149
6.7-- Ponte H com Transistores
Pequenos motores de corrente contínua semelhantes ao mostrado no exercício 6.23 da
pág. 134, são muito utilizados nas mais diversas aplicações. Uma de suas características,
como todos os motores desse tipo, é a mudança do sentido de rotação quando se inverte a
polaridade da tensão aplicada a eles.
Nos modelos de automóveis onde os espelhos retro-
visores externos são acionados eletricamente, é utilizado
um conjunto de interruptores como o mostrado ao lado, que
acionam dois motores por espelho, um para o movimento
vertical e outro para o horizontal.
O diagrama abaixo mostra como funciona esse sis-
tema. Quando as chaves 1 e 3 estão ligadas, o motor gira
no sentido horário; quando as chaves ligadas são as de números 2 e 4, a tensão aplicada ao
motor é in- vertida, e
o sentido de rotação
também.
No lugar dos interruptores, podem ser utilizados transistores, montados em uma confi-
guração denominada Ponte H (em Eletricidade e Eletrônica, as “pontes” são dispositivos com
quatro componentes: Ponte de Wheatstone, ponte de diodos etc.).
Na Ponte H, dois dos transistores são do tipo PNP (Q1 e Q2) e os outros dois são NPN
(Q3 e Q4).
Para polarizar os transistores PNP do circuito, é necessário aplicar em suas bases uma
tensão negativa em relação ao potencial do emissor (junção base-emissor polarizada direta-
mente). Como os emissores estão ligados ao positivo da fonte, ligando as bases ao terra, es-
ses transistores já estarão polarizados para conduzir.
Os transistores NPN da Ponte precisam de tensão positiva nas bases em relação aos
emissores, que estão ligados ao terra.
M
+
-
M
+
-
+
-
+
-
+ -
M
1 2
4 3
+ -
M
1 2
4 3
+
-
+
-
+ -
M
Q1 Q2
Q4 Q3
+
-
SELEÇÃO DE ESPELHO
MOTORISTA/PASSAGEIRO
MOVIMENTO DO ESPELHO
VERTICAL/HORIZONTAL
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
150
Nesse tipo de circuito, os transistores geralmente funcionam como chaves (regiões de
corte e saturação), e os dois circuitos com chaves mostrados na página anterior podem ser
reproduzidos com as polarizações da ponte mostradas a seguir (a indicação Θ representa a
ligação ao terra):
Alguns veículos possuem o
recurso de inclinar o espelho do
lado do passageiro para baixo, as-
sim que a marcha-à-ré é acionada
–mecanismo conhecido como “tilt
down”–, mostrado ao lado, que au-
xilia na baliza e ajuda a evitar que
as rodas raspem no meio-fio. Para
isso é necessário que a movimen-
tação do espelho seja automática,
e o acionamento dos motores pode
ser feito com uma ponte H como o
mostrado acima.
Normalmente é usado um microcontrolador para baixar o espelho quando a marcha-à-
ré é acionada, e trazê-lo de volta à posição inicial quando a alavanca do câmbio volta para
ponto morto.
Existe uma outra possibilidade de utilização da ponte H no acionamento de motores.
Quando uma grande carga mecânica é movimentada por um motor, seu momento de inércia
pode fazer com que o eixo de acionamento continue girando, mesmo após se desligar a ali-
mentação elétrica. Motores de corrente contínua podem ser freados colocando-se em curto
seus terminais. O efeito de frenagem ocorre porque esse tipo de motor funciona como gerador
(esses dispositivos possuem um imã permanente como estator) quando seu rotor é girado
externamente (por exemplo, por uma carga ligada a seu eixo que tenha um momento de inér-
cia elevado). Como se sabe, um gerador que tenha seus terminais em curto é freado. O circui-
to de ponte H presta-se também a essa finalidade: se os transistores Q1 e Q2 forem aciona-
dos simultaneamente, o motor será colocado em curto, fazendo com que sofra uma frenagem.
O mesmo vale para o acionamento dos transistores Q3 e Q4. É importante observar que os
transistores Q1 e Q4 ou Q2 e Q3 não podem ser acionados simultaneamente, pois colocariam
a fonte de alimentação em curto. Isso danificaria os transistores.
+ -
M
Q1 Q2
Q4 Q3
+
-
+
-
+ -
M
Q1 Q2
Q4 Q3
+
-
+
-
TILT-DOWN
+ -
M
Q1 Q2
Q4 Q3
+
-
+ +
+ -
M
Q1 Q2
Q4 Q3
+
-
- -
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
151
A seguir é mostrada uma ponte H fornecida dentro do encapsulamento de um circuito
integrado, o que é muito prático para otimizar as montagens de dispositivos.
Na próxima página são mostrados a fotografia e os diagramas de uma ponte H discre-
ta, ou seja, construída com transistores individuais. Esse dispositivo faz parte de um conjunto
de módulos didáticos para serem conectados a microcontroladores e possui, além do motor,
um galvanômetro de zero central e dois leds de cores diferentes, que permitem visualizar a
polaridade da tensão na saída da ponte.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
152
Módulo com ponte H, motor e galvanômetro para conexão ao kit de microcontrolador
1
2
4
5
3
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
153
A figura 1 da página anterior mostra o módulo, onde se pode ver, a esquerda, a ponte
H com transistores BC328/338, no centro o motor e a direita o galvanômetro de zero central.
Esse módulo foi desenvolvido para operar com tensões de alimentação de 5V e sinais de aci-
onamento (DIR e PWM) de lógica TTL (0V ou 5V).
A figura 3 mostra os sinais que chegam ao módulo: alimentação (5V e GND), sentido
de rotação (DIR) e velocidade (PWM). A técnica PWM (Pulse Width Modulation, ver
pág. 118)
permite controlar a tensão sobre a carga (neste caso, a velocidade do motor) através da lar-
gura dos pulsos aplicados a essa carga (quanto maior a largura dos pulsos, maior será a ten-
são média aplicada, maior a velocidade do motor). Aqui assumiremos que o sinal PWM será
simplesmente 0V ou 5V. O sinal DIR é invertido através do transistor Q8, gerando o sinal \DIR
(ou DIR “barrado”). Temos agora, portanto, dois sinais de direção no circuito (DIR e \DIR),
invertidos entre si.
Na figura 2 é possível ver, em um diagrama simplificado, quais sinais acionam os tran-
sitores da ponte (que aparecem como chaves): DIR para SW2 e SW4 (ou Q4 e Q6) e \DIR
para SW1 e SW3 (ou Q3 e Q7).
A figura 4 mostra a conexão do motor e do galvanômetro aos pontos A e B da ponte H.
ST1 e um strape, uma conexão que pode ser desligada caso se deseje. TP1 (Test Point) é um
ponto de teste para conexão, por exemplo, de um osciloscópio.
Finalmente, a figura 5 mostra o circuito completo dessa ponte H. Esta versão ficou um
pouco mais complexa que a apresentada anteriormente, pois era necessário controlar o senti-
do de rotação do motor com um único sinal (DIR), através da inversão de seu estado lógico:
DIR=0V (\DIR) sentido anti-horário; DIR=5V sentido horário. A maioria das pontes utilizadas
em demonstrações teóricas utiliza quatro sinais de acionamento, um para cada base. Nos
exercícios 6.34 e 6.35 a seguir, é mostrado outra possibilidade de circuito.
Como já foi dito, assumiremos que o sinal PWM será 0V ou 5V. Quando PWM=5V, Q1
estará cortado, não permitindo a passagem de corrente para alimentar o motor; com
PWM=0V, Q1 estará saturado, permitindo a passagem da corrente. Neste caso, Q1 funciona
simplesmente como uma chave liga-desliga.
Quando o sinal DIR (que vem do microcontrolador e determina o sentido de rotação do
motor) é zero, o sinal \DIR é de 5V; inversamente, quando DIR=5V, \DIR=0V.
Com DIR=0V, os transistores Q5 e Q6, aos quais esse sinal é aplicado estão cortados.
Observe que Q5 cortado não permite a polarização de Q4, que também fica cortado. Já o si-
nal \DIR=5V aplicado a Q2 e Q7 faz com que ambos conduzam (saturação), sendo que Q2
polariza Q3, levando-o também à saturação. Conclui-se, portanto, que para DIR=0V (e
\DIR=5V), os transistores Q3 e Q7 estão conduzindo, e o ponto A recebe tensão positiva (5V)
enquanto que o ponto B é conectado ao terra (0V). Isso leva o motor a girar no sentido horá-
rio, o ponteiro do galvanômetro a defletir para a direita e o led D5 (verde) a acender.
Os diodos D1 a D4 absorvem o pulso reverso das bobinas do motor, protegendo os
transistores e o circuito do microcontrolador, da mesma forma que foi vista no acionamento de
relés (para este circuito, como ocorre inversão da polaridade sobre o motor, não será possível
ligar um único diodo em paralelo com ele). Os leds D5 e D6 acendem para indicar o sentido
de rotação.
Todos os resistores de base são de 1K, o que faz com que as correntes de base se-
jam de:
𝐼𝐵 =
5𝑉 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵
=
5𝑉 − 0,7
1000
⇒ 𝑰𝑩 = 𝟒, 𝟑𝒎𝑨
Esse valor relativamente alto de IB garante que os transistores irão, como desejado
neste caso, para a saturação, onde as tensões VCE são mínimas, o que permitirá que a tensão
sobre o motor seja a mais próxima possível de 5V.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
154
EXERCÍCIOS
6.33- Faça a análise do circuito para o sinal DIR = 5V, de forma semelhante à que foi feita na
página 153.
6.34- São mostradas abaixo duas telas de simulação com o Multisim para uma ponte H. Na
de cima, o led verde está aceso, enquanto que na de baixo é o led vermelho. Junto às setas
verdes no circuito, aparecem informações relativas às correntes e tensões nesses pontos.
Determine:
a- com a chave S1 em VCC e a S2 ligada ao terra, quais transistores estão conduzindo;
b- com a chave S1 ligada ao terra e a S2 em VCC, quais transistores estão conduzindo;
c- a corrente de base dos transistores que estiverem conduzindo;
d- a corrente de base dos transistores que não estiverem conduzindo;
e- a tensão VCE dos transistores que estiverem conduzindo;
f- a tensão VCE dos transistores que não estiverem conduzindo;
g- desenhe, em cada um dos circuitos, o caminho da corrente que acende os leds;
h- qual a tensão sobre a carga (resistor R5 e leds) em cada uma das posições das cha-
ves;
i- qual a corrente na carga (resistor R5 e leds) em cada uma das posições das chaves;
j- em que posições deveriam estar as chaves caso a carga, ao invés de leds, fosse um
motor que precisa ser freado;
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155
6.35- Um sistema de controle precisa inverter o sentido de rotação de um motor e também
freá-lo em determinados intervalos de tempo. Caso os sinais A e B abaixo fossem aplicados
ao circuito mostrado e sabendo que o motor gira no sentido horário quando sua alimentação
tem a mesma polaridade que a marcada nele, pede-se:
a- a forma de onda da tensão sobre o motor indicando o tipo de movimento (horário
H, anti-horário AH ou freado F) no intervalo dado (20s);
b- quanto tempo o motor fica em cada uma das três situações;
c- as formas de onda dos sinais A e B para obter o tipo de movimento a seguir: H,
5s; AH, 5s; H, 2s; AH, 6s; F, 2s.
5V
5V
t (s)
A
0 5 10 15 20
t (s)
MOTOR
5V
-5V
t (s)
B
0 5 10 15 20
0 5 10 15 20
5V
5V
t (s)
A
0 5 10 15 20
t (s)
MOTOR
5V
-5V
t (s)
B
0 5 10 15 20
0 5 10 15 20
+ -
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156
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157
7- Fonte de tensão linear estabilizada
Existem duas formas básicas de obter uma fonte de tensão linear estabilizada: através
do circuito clássico, utilizando um diodo Zener e um transistor ou através dos reguladores in-
tegrados, das famílias 78XX ou LM317, entre outros. Atualmente, é muito mais prático, rápido,
econômico e seguro, utilizar os reguladores integrados, mas o projeto básico (Zener e transis-
tor) ainda é uma ótima forma do aluno se iniciar em projetos de Eletrônica.
Outra maneira, mais complexa, são as fontes chaveadas (que não são do tipo denomi-
nado “linear”) que não fazem parte do escopo desta disciplina.
7.1- Fonte estabilizada convencional
A utilização do diodo Zener para construir fontes de tensão estabilizada, tem utilidade
limitada a cargas com pouco consumo de corrente. Mas, associando as características de
estabilização de tensão do Zener com as dos transistores, podemos construir fontes que for-
neçam correntes consideráveis. O circuito mais utilizado é o regulador série, assim denomi-
nado porque o elemento regulador (ou de controle) de tensão (transistor) fica em série com a
carga e recebe uma referência de tensão do diodo Zener, como mostrado no diagrama de
blocos abaixo. O objetivo do circuito é manter a tensão de saída VO constante, independen-
temente de variações de tensão de entrada (Vi) ou de resis-
tência da carga (RL), o que é conseguido através da varia-
ção da resistência coletor-emissor do transistor (rCE).
No diagrama a esquerda, 𝑉𝑂 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝐶𝐸. Consideran-
do que a corrente na carga é constante (RL fixo), caso a
tensão de entrada aumente, a resistência interna do transis-
tor também aumentará, fazendo com que VCE aumente,
compensando a variação na entrada; o inverso ocorre caso
a tensão de entrada diminua.
Considerando agora que a tensão de entrada (Vi) é
constante e a resistência
(arredondamento) seja feito pelo próprio aluno.
Outras permitem apresentar os resultados em Notação de Engenharia com certo número de
casas decimais. Para esse tipo de dispositivo é conveniente ajustar a quantidade de casas
decimais em pelo menos quatro.
O aluno deve se familiarizar bem com a calculadora ANTES das avaliações, sob pena
de arredondamento excessivo e erro significativo no resultado final.
34/7 4,85714285714 → 4,86
+
+
23/11 2,09090909091 → 2,09
-
-
51/13 3,92307692308 → 3,92
=
=
3,02497502498
3,03
↓
3,02
RESULTADO COM
ARREDONDAMENTO
DAS PARCELAS
RESULTADO COM
ARREDONDAMENTO
APENAS NO FINAL
ARREDONDAMENTO
DAS PARCELAS
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1/16 5
EXEMPLOS DE UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS APRESENTADOS
1- Determinar a corrente que circula por um resistor de 3,3KΩ submetido a uma tensão de
10V.
𝐼 =
𝑉
𝑅
=
10𝑉
3,3 𝑥 103Ω
⟹ 𝐼 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟑. 𝟎𝟑𝟎 … 𝑨
Obviamente a sugestão de duas casas decimais após a vírgula não funciona neste ca-
so, pois o resultado seria zero.
É necessário, antes de tudo, converter a resposta para Notação de Engenharia:
𝐼 = 0,003.030 … 𝐴 = 3,030.30 𝑥 10−3𝐴 = 3,03 𝑥 10−3𝐴 ⟹ 𝐼 = 𝟑, 𝟎𝟑𝒎𝑨
2- Determinar a potência dissipada no resistor do exemplo 1
𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 = 10𝑉 𝑥 0,003.030 … 𝐴 = 0,030.300 … 𝑊 = 30,3 𝑥 10−3𝑊 ⟹ 𝑃 = 𝟑𝟎, 𝟑𝒎𝑾
3- Determinar o período e o comprimento de onda da frequência da estação de FM da
Universidade.
𝑓 = 107,7𝑀𝐻𝑧 ⟹ 𝑓 = 107,7 𝑥 106𝐻𝑧
𝑇 =
1
𝑓
=
1
107,7 𝑥 106𝐻𝑧
= 9,28505 𝑥 10−9𝑠 ⟹ 𝑻 = 𝟗, 𝟐𝟗𝒏𝒔
𝜆 =
𝑐
𝑓
=
300 𝑥 106𝑚/𝑠
107,7 𝑥 106𝐻𝑧
= 2,78552𝑚 ⟹ 𝝀 = 𝟐, 𝟕𝟗𝒎
4- Um resistor de 6,8KΩ dissipa uma potência de 18µW. Determinar a corrente que circu-
la por esse resistor
𝑃 = 𝑅 𝑥 𝐼2 ⟹ 18 𝑥 10−6𝑊 = 6,8 𝑥 103 Ω 𝑥 𝐼2
⟹ 𝐼 = √
18 𝑥 10−6𝑊
6,8 𝑥 103 Ω
= 0,000.051.449.6𝐴 = 51,45 𝑥 10−6𝐴 ⟹ 𝑰 = 𝟓𝟏, 𝟒𝟓𝝁𝑨
5- Sendo a distância da Terra ao Sol de cerca de 150 milhões de quilômetros, quanto
tempo demora a luz emitida por ele para chegar até nós?
velocidade da luz c = 300.000Km/s = 3x105Km/s
distância Terra-Sol d = 150.000.000Km = 150x106Km
𝑣 =
𝑑
𝑡
⟹ 3 x 105Km/s =
150 x 106Km
t
⟹ 𝑡 =
150 x 106Km
3 x 105Km/s
⟹ 𝒕 = 𝟓𝟎𝟎𝒔
A luz do Sol demora pouco mais de 8 minutos para chegar até nós.
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1/16 6
CRITÉRIOS DE CORREÇÃO DAS AVALIAÇÕES
A tabela abaixo mostra alguns exemplos de respostas inadequadas e adequadas. Su-
pondo que os cálculos estão certos e que o valor da esquerda seja a resposta correta da
questão, esse valor deve ser convertido para o formato de Engenharia mais adequado, que é
o da direita. A resposta da esquerda, mesmo correta, está sujeita a perda de pontos.
A falta de unidade de medida é outro item que também pode levar à diminuição da no-
ta, como mostrado nas duas últimas linhas da tabela.
RESPOSTA INADEQUADA RESPOSTA ADEQUADA
I = 0,000.001.58A I = 1,58µA
R = 2.358.935,598Ω R = 2,36MΩ
V = 218,3759V V = 218,38V
P = 0,003.219.4W P = 3,22mW
V = 125 V = 125V
R = 8200 R = 8,2KΩ
SUJEITA A
PERDA DE PONTOS
EM RESUMO, EM ENGENHARIA DEVE-SE:
1- USAR NOTAÇÃO DE ENGENHARIA
2- EFETUAR CORRETAMENTE OS ARREDONDAMENTOS
3- UTILIZAR SEMPRE AS UNIDADES DE MEDIDA
ATENÇÃO: NÃO SERÁ PERMITIDO O USO DE CALCULADORAS
PROGRAMÁVEIS HP 50g OU SEMELHANTES NAS AVALIAÇÕES,
BEM COMO QUALQUER TIPO DE CALCULADORA QUE POSSA
ARMAZENAR ARQUIVOS OU TENHA ALGUM MEIO DE COMUNI-
CAÇÃO (INFRAVERMELHO, WIFI, BLUE TOOTH ETC.)
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ELETRÔNICA I
ÍNDICE
1 Materiais Semicondutores e o Diodo Semicondutor ..............................................................
1.1 Condutores, Isolantes e Semicondutores ...................................................................
1.2 Dopagem .....................................................................................................................
1.3 Junções PN .................................................................................................................
1.4 O Diodo Semicondutor ................................................................................................
Exercícios ...............................................................................................................
2 Retificação e Filtragem de Sinais Alternados .........................................................................
2.1 Revisão de Sinais Alternados Senoidais .....................................................................
2.2 Conceitos Básicos de Transformadores Monofásicos .................................................
2.3 Retificação de Meia Onda ............................................................................................
2.4 Retificação de Onda Completa.....................................................................................
2.5 Filtragem do Sinal Retificado .......................................................................................
2.6 Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua .........................................
Exercícios ...............................................................................................................
3 Regulação (Estabilização) da Tensão ....................................................................................
3.1 O Diodo Zener .............................................................................................................
3.2 Dimensionamento de Diodos Zener ............................................................................
Exercícios ...............................................................................................................
4 Dispositivos Optoeletrônicos Parte 1 ......................................................................................
4.1 O Diodo LED ................................................................................................................
4.2 Displays de LEDs .........................................................................................................
4.3 Polarização de LEDs ...................................................................................................
Exercícios ...............................................................................................................
5 O Transistor Bipolar de Junção – TBJ ....................................................................................
5.1 Princípio de Funcionamento ........................................................................................
5.2 Tipos de Ligação de Transistores Bipolares ................................................................
5.3 Limitações e Características dos Transistores ............................................................
5.4 Regiões Limite de Trabalho de um Transistor .............................................................
Exercícios ...............................................................................................................
6 Aplicações Básicas com o Transistor Bipolar de Junção .......................................................
6.1 Características
da carga (RL) diminua (ou seja, a corrente na carga, IL, aumente), a
resistência interna do transistor também
diminui, mantendo VCE constante. O inverso
ocorrerá caso a resistência da carga au-
mente.
O circuito básico de um regulador sé-
rie com transistor é mostrado a direita.
Analisando inicialmente as correntes
do circuito, podemos observar que a corren-
te de entrada (Ii) se divide nas correntes IC e
IS, e esta, por sua vez, se divide em IB e IZ.
A corrente de saída, IL, é a própria corrente
de emissor do transistor. Portanto:
𝐼𝑖 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝑆 𝐼𝑆 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝑍 𝐼𝐿 = 𝐼𝐸
Quanto às tensões, a soma de VRS e VZ resulta em Vi; VCE será igual a VCB mais VBE e
VO ou VL será VZ menos VBE (e também Vi menos VCE).
𝑉𝑖 = 𝑉𝑅𝑆 + 𝑉𝑍 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 𝑉𝑂 = 𝑉𝐿 = 𝑉𝑍 − 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝐶𝐸
A tensão de saída da fonte estabilizada com regulador série será, portanto, menor do
que a tensão do diodo Zener de referência (𝑉𝑂 = 𝑉𝐿 = 𝑉𝑍 − 𝑉𝐵𝐸).
Novas análises, agora para variações de tensão de entrada e de corrente na carga po-
dem ser feitas, para o circuito acima.
Vi
ELEMENTO DE
CONTROLE
(TRANSISTOR)
VORL
VCE
ELEMENTO DE
REFERÊNCIA
(ZENER)
+
-
IL
RS
IZVZ
IB
IS
Ii IL
RL
VBE
VRS
IC
Vi VO
VL
IE
VCB
VCE
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158
Sendo VZ constante, caso Vi diminua, VRS e IS também diminuirão. Como VRS é igual a
VCB, esta também será menor. Finalmente, como VCE é a soma de VCB e VBE (esta última con-
siderada constante e igual a 0,7V), VCE será menor, compensando a diminuição da entrada.
Atribuindo valores como exemplo, faremos Vi = 16V, caindo para 15V e VZ = 12,5V. Pa-
ra 16V na entrada, VO será 11,8V (VZ – VBE) e VCE será 4,2V (Vi – VL), enquanto que VCB, que
é igual a VRS, será 3,5V (VCB = VRS = Vi – VZ). Quando Vi cai para 15V (queda de 1V na entra-
da) VZ permanece constante, mas VRS e VCB caem na mesma proporção, ou seja de 3,5V pa-
ra 2,5V. Sendo VCE a soma de VCB (2,5V) e de VBE (0,7V), seu novo valor será 3,2V, e a ten-
são de saída VO (Vi – VCE ou 15V – 3,2V) permanecerá constante em 11,8V. Recomendamos
que o aluno reescreva a seguir a análise feita acima, agora para a tensão de entrada aumen-
tando para 17V.
Supondo agora Vi constante em 16V mas IL (IE) aumentando (RL diminuindo), o valor de
VRS permanecerá constante, pois VZ não varia. Dessa forma, VCB também permanecerá cons-
tante, assim como VCE, mantendo a tensão de saída fixa. Convém observar que, na realidade,
as correntes de coletor e de base aumentarão (reflexo do aumento da corrente na carga, que
é a mesma que a de emissor) e a resistência coletor-emissor diminuirá. Portanto, quando IL
aumenta em função de uma diminuição de RL, a resistência coletor-emissor tem de diminuir,
para que a tensão VCE permaneça constante. Novamente, recomendamos que o aluno rees-
creva a seguir a análise feita acima, agora para a resistência da carga (RL) aumentando.
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159
7.1.1- Projeto de fonte estabilizada convencional
O projeto de uma fonte deste tipo é uma ótima oportunidade para aplicar os conheci-
mentos adquiridos até agora. Para desenvolvê-lo precisamos definir as condições de trabalho
do circuito e suas equações, levando em conta as limitações dos componentes envolvidos: do
transistor, PCmáx, ICmáx e VCEO , e do Zener, IZmín, IZmáx e PZmáx.
Escolha do transistor
Deve ser escolhido um transistor que atenda as características da fonte:
- tensão de entrada 𝑽𝑪𝑬𝑶 ≥ 𝟏, 𝟓𝑽𝒊𝒎á𝒙
- corrente de saída 𝑰𝑪 ≥ 𝟏, 𝟓𝑰𝑳𝒎á𝒙 (cálculo aproximado, considerando IC=IE=IL)
- potência sobre o transistor 𝑷𝑪 ≥ 𝟏, 𝟓(𝑽𝒊𝒎á𝒙 − 𝑽𝒐) 𝑰𝑳𝒎á𝒙
Selecionado o transistor, será utilizado, por segurança, o valor de mín fornecido.
Então,
Geralmente, quando o β do transistor e igual ou maior que 100, os valores de IC e IE
são considerados iguais. Em fontes do tipo estudado, os transistores utilizados são de potên-
cia, e têm valores de β baixos (às vezes, inferiores a 50). Nessa situação, é conveniente de-
terminar os valores exatos das corrente de coletor e de emissor, como mostrado a seguir.
A corrente utilizada nos cálculos é a de coletor, mas a fornecida na especificação da
fonte é a de emissor (IL). É necessário, portanto, determinar o valor de IC, o que pode ser feito
através das relações entre e .
A partir de pode-se determinar que
e, portanto, sendo 𝐼𝐶 = 𝐼𝐸𝛼 𝑜𝑢 𝐼𝐶 = 𝐼𝐿𝛼, temos que
Escolha do diodo Zener
Serão utilizadas as mesmas fórmulas apresentadas no cap. 3, substituindo apenas a
variável IL por IB.
Como 𝑉𝑂 = 𝑉𝑧 − 𝑉𝐵𝐸 , 𝑉𝑍 = 𝑉𝑂 + 𝑉𝐵𝐸
𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐) = (𝐼𝑍𝑚í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜) + 𝐼𝐵𝑚á𝑥).
𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍
𝑉𝑖𝑚í𝑛 − 𝑉𝑍
sendo 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐)
𝑋 1,1 ⇒ 𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 11𝑉
𝑉𝑖𝑚í𝑛 = 10𝑉 𝑋 0,9 ⇒ 𝑉𝑖𝑚í𝑛 = 9𝑉
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161
𝑅𝑆𝑚é𝑑 =
𝑅𝑆𝑚á𝑥 + 𝑅𝑆𝑚í𝑛
2
=
76,6Ω + 60,5Ω
2
⇒ 𝑅𝑆𝑚é𝑑 = 68,6Ω
𝑹𝑺 𝒂𝒅𝒐𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝟔𝟖𝛀
𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5
(𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍)2
𝑅𝑆
≥ 1,5
(11 − 5,6)2
68
⇒ 𝑃𝑅𝑠 ≥ 643𝑚𝑊
𝑷𝑹𝑺 𝒂𝒅𝒐𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝟏𝑾
O circuito ficará assim:
- Transistor BD135
- Diodo Zener 1N752
- Resistor 68, 1W
RL
68
Vi VO
VL
BD135
1N752
1W
~5V9V~11V
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162
7.1.2 – Proteção contra curtos-circuitos
Um dos problemas que podem danificar uma fonte deste tipo é um curto-circuito ou mesmo
uma corrente muito acima da nominal na saída. Isso levaria a uma corrente excessiva no emissor,
que quase certamente danificaria o transistor e talvez os diodos retificadores da etapa anterior.
Existe uma forma simples de evitar esse problema, que é mostrada no circuito abaixo.
A corrente da carga IL
passa por RSH (o termo SH
vem de shunt ou desvio em
inglês). Caso a tensão VRSH,
que é a mesma que VBE3, atin-
ja 0,6V ou mais, o transistor Q3
será levado à condução, o que
significa que sua resistência
coletor-emissor diminuirá, co-
meçando a circular corrente de
coletor para emissor nesse
transistor. Isso fará com que apareça também uma corrente na base em Q2 (IB2=IC3), polarizando
Q2 que terá sua resistência coletor-emissor também diminuída. O efeito final será uma diminuição
da tensão coletor-emissor de Q2, diminuindo VBE1 e despolarizando Q1. Em consequência disso, a
resistência coletor-emissor de Q1 aumentará, limitando as correntes de emissor e de coletor desse
transistor a um valor máximo (pré-estabelecido) e protegendo o circuito.
O valor de RSH é calculado a partir da corrente máxima que se deseja para a fonte e da
tensão base-emissor para que o transistor Q3 comece a conduzir. No projeto do exemplo dado,
limitaremos a corrente a 1,4A, inferior a ICmáx , e definiremos VBE3 sendo igual a 0,6V. RSH será
portanto:
𝑅𝑆𝐻 =
𝑉𝐵𝐸3
𝐼𝑚á𝑥
=
0,6
1,4
⇒ 𝑅𝑆𝐻 = 0,43Ω
𝑃𝑅𝑠ℎ ≥ 1,5
(𝑉𝐵𝐸3)2
𝑅𝑆𝐻
≥ 1,5
(0,6)2
0,43
⇒ 𝑃𝑅𝑠ℎ ≥ 1,26𝑊
Esse tipo de proteção é muito usada mas apresenta um inconveniente, a potência dissipa-
da no resistor de shunt, que será bem maior caso a corrente de saída da fonte seja mais alta, o
que implicará no uso de um resistor de potência elevada. Existem outras maneiras de projetar o
circuito (por exemplo, utilizando amplificadores operacionais) que permitem que os resistores de
shunt dissipem menos potência.
RS
VZ
Ii
RL
VBE1VRS
Vi
VO
VL
IEVCE
Q1
Q2
Q3
RSH
VRSH IL
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163
7.2- Reguladores Integrados de Tensão Contínua
Existe uma forma mais simples e prática de montar fontes reguladas, que utiliza os cha-
mados reguladores integrados. A família mais popular de reguladores é a 78XX para tensão
positiva e a 79XX para tensão negativa. O LM317, é outro regulador integrado bastante utili-
zado. As características básicas desses dispositivos e exemplos de sua utilização podem ser
vistos a seguir.
É importante lembrar que os reguladores integrados não suprem todas as necessidades
de fontes reguladas. É fundamental conhecer os princípios de funcionamento das fontes do
item anterior (diodo Zener e transistor como regulador série) para compreender e utilizar cor-
retamente os reguladores integrados.
7.2.1- A família 78XX
Como pode ser visto nesta página e na seguinte, as séries 78XX e 79XX possuem ape-
nas três terminais: entrada (INPUT), saída (OUTPUT) e referência (COMMON, geralmente
ligado ao ponto comum do circuito ou ao terra). O terminal central do encapsulamento TO-220
mostrado é ligado à carcaça metálica do dispositivo, que é utilizada para fixação mecânica e
dissipação de calor.
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164
Existem também famílias de baixa potência (78LXX) com en-
capsulamento TO-92, média potência (78MXX), com encapsula-
mento TO-220 e alta potência (78HXX), com encapsulamento TO-3.
Outros fabricantes produzem circuitos equivalentes, mas com de-
signação diferente, como as séries LM140/LM340 da National Se-
miconductors. Diversas tensões de saída também podem ser en-
contradas no mercado (ver tabela na próxima página).
Todos eles possuem proteções internas contra curtos-
circuitos na saída (Internal Short-Circuit Current Limiting) e excesso
de temperatura causada por dissipação de potência em seu interior
(Internal Thermal-Overload Protection).
As características do regulador de tensão negativa (série 79XX) são mostradas a se-
guir:
78XX
79XX
A pinagem dos modelos para tensão positiva
e negativa é diferente, o que é mostrado ao lado.
Observe que o terminal ligado à carcaça me-
tálica (terminal central do encapsulamento TO-220)
muda de um modelo para outro. Dispositivos da sé-
rie 78XX e 79XX não podem ser ligados juntos em
um mesmo dissipador de calor sem que a carcaça
de um deles esteja isolada em relação à do outro.
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165
TABELA RESUMIDA DE CARACTERÍSTICAS DE REGULADORES DE TENSÃO
CÓDIGO VO IO VIMÍN VIMÁX PD ENCAPSULAMENTO
78L05
5
0,1 7,0 25 0,75 TO-92
78M05 0,5 7,0 30 1,5
TO-220 7805 1,0 7,0 30
5
LM340-5 1,0 7,0 35
78H05 5,0 7,0 25 50 TO-3
78L06 6,2 0,1
8 30
0,75 TO-92
78M06
6,0
0,5 1,5
TO-220 7806 1,0
5
LM340-6 1,0
78L08
8
0,1
10
30
0,75 TO-92
78M08 0,5 1,5
TO-220 7808 1,0
5
LM340-8 1,0 35
78L12
12
0,1
14
35
0,75 TO-92
78M12 0,5 1,5
TO-220 7812 1,0
5
LM340-12 1,0
78H12 5,0 25 50 TO-3
78L15
15
0,1
17
35
0,75 TO-92
78M15 0,5 1,5
TO-220 7815 1,0
5
LM340-15 1,0
78H15 5,0 25 50 TO-3
78L18
18
0,1
20 35
0,75 TO-92
78M18 0,5 1,5
TO-220 7818 1,0
5
LM340-18 1,0
78L24
24
0,1
26 40
0,75 TO-92
78M24 0,5 1,5
TO-220 7824 1,0
5
LM340-24 1,0
7902 -2
1,0
-4 -18
5 TO-220
7905 -5 -7 -20
7906 -6 -8 -25
7908 -8 -10 -27
7912 -12 -14 -30
7915 -15 -17 -30
7918 -18 -20 -32
7924 -24 -26 -35
V A V V W
OS VALORES DE PD SÃO APROXIMADOS, PARA TEMPERATURA AMBIENTE DE 25ºC E DISSIPADOR DE CALOR INSTALADO
ATENÇÃO: ALGUNS DOS DADOS DESTA TABELA DIFEREM DOS APRESENTADOS NAS FOLHAS DE
INFORMAÇÃO DAS PÁGINAS ANTERIORES. O MOTIVO É QUE ESTA TABELA FOI COMPILADA A PAR-
TIR DE INFORMAÇÕES DE VÁRIOS OUTROS FABRICANTES, E QUE AS ESPECIFICAÇÕES PODEM
SER LIGEIRAMENTE DIFERENTES DE UM PARA OUTRO. EM UM PROJETO, DEVEM SER UTILIZADAS
AS ESPECIFICAÇÕES DO FABRICANTE DO COMPONENTE A SER USADO.
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166
Apenas a título de informação, é mostrado acima o diagrama interno de um regulador da
família 78XX da Texas. Apesar da complexidade, podemos identificar os dois diodos Zener
utilizados, e (1) o transistor de controle, em montagem Darlington; (2) o resistor de shunt para
proteção contra curtos-circuitos, juntamente com o transistor (3) que despolariza o par Dar-
lington
e alguns outros circuitos que ainda não foram estudados, como amplificador diferenci-
al, comparador de erro e espelho de corrente. Para quem desejar se aprofundar neste estudo,
o site http://www.righto.com/2014/09/reverse-engineering-counterfeit-7805.html, que tem uma aná-
lise completa de um dispositivo desse tipo.
A Texas recomenda a utilização de capa-
citores (0,33µF na entrada e 0,1µF na saída),
como mostrado ao lado, para evitar que ruí-
dos elétricos externos ou oscilações afetem o
funcionamento do dispositivo.
1
2
3
http://www.righto.com/2014/09/reverse-engineering-counterfeit-7805.html
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167
Para o projeto com estes dispositivos, basta respeitar os valores mínimos e máximos de
tensão de entrada (Vimín e Vimáx), a corrente máxima (IO) que eles podem fornecer para a carga
em sua saída e a potência máxima admissível sobre eles (PD), que depende da temperatura,
e não deve ser ultrapassada sob risco de dano ou mau funcionamento do componente. As
fórmulas que serão utilizadas, são:
𝑉𝑖𝑚í𝑛 ≤ 𝑉𝑖 ≤ 𝑉𝑖𝑚á𝑥 𝐼𝑂 ≥ 1,5𝐼𝐿 𝑃𝐷 ≥ 1,5(𝑉𝑖 − 𝑉𝑂)𝐼𝐿
onde Vi é a tensão de en-
trada a ser estabilizada; VO a
tensão de saída do regulador,
igual à tensão na carga VL; IL
a corrente na saída (carga); e
1,5 o Fator de Segurança de
50% a mais em relação ao
valor real do circuito.
No diagrama ao lado,
obtido no datasheet do
LM78XX da antiga Fairchild,
é mostrada uma opção para
obter uma tensão estabili-
zada com maior corrente de
saída, normalmente mais
econômica do que o uso de
um modelo 78HXX. O tran-
sistor Q1 (BD536) suporta
até 8 amperes de corrente
de coletor.
Exemplo de projeto de fonte com a série 78XX:
Projetar, utilizando o um dispositivo da série 78XX, um sistema de estabilização de tensão
para alimentar, a partir de uma fonte cuja saída pode variar entre 15V e 17V, uma carga que
trabalha com 12V e consome 650mA.
Teremos de escolher um regulador entre os quatro modelos disponíveis para 12V: 78L12,
78M12, 7812 ou 78H12 (para este último, há a alternativa mostrada acima utilizando um tran-
sistor externo, que como já foi dito, em algumas situações pode ser mais econômica).
Aplicando as fórmulas mostradas, teremos:
𝐼𝑜 ≥ 1,5. 𝐼𝐿 ≥ 1,5.0,65 ⟹ 𝐼𝑜 ≥ 0,975𝐴
𝑃𝐷 ≥ 1,5. (𝑉𝑖 − 𝑉𝑜). 𝐼𝐿 ≥ 1,5. (17 − 12). 0,65 ⟹ 𝑃𝐷 ≥ 4,9𝑊
O dispositivo mais indicado seria o 7812, que tem IO=1A e PD=5W
É necessário também verificar se as tensões mínima e máxima de entrada, que são res-
pectivamente de 14V e 35V para o 7812, estão sendo respeitadas. Como a fonte do circuito
varia entre 15V e 17V, está dentro da faixa do dispositivo.
78xx
IN OUT
VO
Vi
IO
PD
CARGA
IL
VL
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168
7.2.2- O LM317
O LM317 é também um regulador de tensão positiva com três terminais, Entrada (Input, Vi),
Saída (Output, Vo) e Ajuste (Adjust, VADJ), cuja folha de informações é vista nas páginas se-
guintes. Ao contrário da série 78XX, existe apenas um componente, que pode ter sua tensão
de saída ajustada para o valor desejado em função da malha externa dos resistores R1 e R2.
Podem ser obtidas tensões estabilizadas entre 1,2V e 37V, com correntes de até 1,5A. De
forma semelhante à série 78XX, possui proteções internas contra temperatura e curto-circuito
na saída. A máxima tensão diferencial entre entrada e saída
do dispositivo (Vi - Vo) é de 40V e a mínima de 3V. Não é
informado nem utilizado o valor de potência PD que o dispo-
sitivo pode dissipar, apenas é dito que ela é “limitada inter-
namente”. Existe também uma condição, para manter a re-
gulação, de uma corrente mínima na carga (ILmín) entre
3,5mA e 12mA, que deve ser respeitada (utilizaremos 12mA
nos cálculos). Por fim, convém frisar que a corrente de 1,5A
informada como máxima (e que pode chegar até cerca de
2,2A), é para tensões diferenciais (Vi - Vo) abaixo de 15V;
para valores maiores de tensão diferencial, a corrente má-
xima de saída cai para 0,3A. Todas essas informações es-
tão nas várias seções do manual mostradas a seguir. Re-
sumindo: o dispositivo se autoprotege em caso de excessos
de corrente ou potência.
Acima são mostrados a pinagem e o diagrama de ligação básica, e abaixo a fórmula que
permite calcular o valor de R2, o qual também pode ser um potenciômetro ou trimpot, o que
possibilita construir uma fonte de tensão ajustável. O valor de R1 recomendado pelo fabricante
é de 240Ω; utilizaremos o valor comercial da série E12 de 270Ω. Como a corrente IADJ é muito
baixa (cerca de 50µA), pode-se considerá-la como sendo zero na maioria das aplicações. Pa-
ra regular tensão negativa existe o LM137, com características semelhantes.
𝑉𝑜 = 1,25 (1 +
𝑅2
𝑅1
) + 𝐼𝐴𝐷𝐽𝑅2
Exemplo de projeto de fonte com o LM317:
Projetar, utilizando o LM317, um sistema de estabilização de tensão para alimentar, a
partir de uma fonte de 9V, um sensor que trabalha com 3,3V e consome 50mA. Considerar
R1 = 270Ω e IADJ = zero.
Vi=9V, Vo=3,3V, IL=50mA:
𝑉𝑖 − 𝑉𝑂 = 9𝑉 − 3,3𝑉 ⟹ 𝑽𝒊 − 𝑽𝑶 = 𝟓, 𝟕𝑽
3V Vi - Vo 40V; 12mA IL 1,5A dentro das limitações do componente
𝑉𝑜 = 1,25 (1 +
𝑅2
𝑅1
) + 𝐼𝐴𝐷𝐽𝑅2 ⟹ 3,3 = 1,25 (1 +
𝑅2
270
) + 0𝑅2 ⟹ 𝑹𝟐 = 𝟒𝟒𝟐, 𝟖𝛀
Observe que o valor de tensão de entrada NÃO interfere no cálculo, embora devam ser
respeitadas as limitações mínima (3V) e máxima (40V) de tensão diferencial (Vi - Vo) sobre
o componente.
É necessário que o valor do resistor R2 seja o mais próximo possível do calculado, logo
é necessário utilizar um trimpot de 1KΩ (ver pág. 117), devidamente ajustado, para obtê-lo.
Vi Vo
VADJ
R1
R2
CoCi
240
1mF0,1mF
Input OutputLM317
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171
7.3- Análise de projeto de fonte estabilizada com regulador integrado
Os módulos que compõe uma fonte de alimentação CA/CC linear podem ser vistos no
diagrama abaixo.
O Transformador recebe a tensão da rede elétrica (geralmente 110V ou 220V CA) e a
reduz para valores compatíveis com a tensão contínua desejada na saída da fonte. O trans-
formador também pode aumentar a tensão da rede, caso se deseje uma fonte para tensões
elevadas.
O Retificador converte a tensão alternada da rede elétrica em tensão contínua (CC) pul-
sante, normalmente de onda completa, como mostrado no diagrama.
O Filtro capacitivo diminui as oscilações (ripple) da tensão pulsante na saída do retifica-
dor, mas nem sempre as elimina totalmente.
Finalmente, o Regulador estabiliza a tensão em um valor abaixo da ondulação (ripple) do
sinal pulsante, garantindo uma tensão de saída contínua praticamente pura (estável e sem
ondulações).
O diagrama abaixo é de uma fonte comercial, e mostra todos esses estágios, incluindo a
chave seletora de tensões (110/220V) do primário do transformador. A ponte de diodos da
fonte de 12V é mostrada de uma forma simplificada, que às vezes é encontrada em diagra-
mas. Em seguida, vamos analisar esse projeto.
Dados levantados do circuito:
Vsec1 = 8,8V
Vsec2 = 15,7V
Diodos: 1N4004
Capacitores: C1 2200µF/16V; C2 2200µF/25V
Correntes de saída: 0,5A em cada fonte (valores estimados)
Carga
Rede
elétrica Transformador Retificador Filtro Regulador
+
Vsec1
RL1 Vdc1
C1
+
D1
D3
D2
D4
7805
IN OUT
D5 ~ D8
Vsec2
RL2C2
+
7812
IN OUT
Vpri1
Vpri2
VM
AZ
AM
PT
MR
MR
VD
VD
110V
220V
VM
AZAM
PT
Vdc2
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172
Para a fonte de 5V:
𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 = 𝑉𝑒𝑓√2 = 8,8 ∗ √2 ⇒ 𝑉𝑝 = 12,4𝑉 na saída do transformador
𝑉𝑝 = 𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 − 2. 𝑉𝑑 = 12,4 − 2.0,7 ⇒ 𝑉𝑝 = 11𝑉 após a ponte
𝑉𝑟(𝑒𝑓) =
2,4𝐼𝑑𝑐
𝐶
=
2,4.500
2200
⟹ 𝑉𝑟(𝑒𝑓) = 0,55𝑉
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 −
4,17𝐼𝑑𝑐
𝐶
= 11 −
4,17.500
2200
⟹ 𝑉𝑑𝑐 = 10𝑉
𝑟 =
𝑉𝑟(𝑒𝑓)
𝑉𝑑𝑐
. 100% =
0,55
10
. 100% ⟹ 𝑟 = 5,5%
Especificação dos diodos D1 a D4:
𝐼𝑑𝑚á𝑥 ≥
𝐼𝑑𝑐
2
.1,5 ≥
0,5
2
.1,5 ⟹ 𝐼𝑑𝑚á𝑥 ≥ 0,375𝐴
𝑉𝑅𝑚á𝑥 ≥ 𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 .1,5 ≥ 12,4.1,5 ⟹ 𝑉𝑅𝑚á𝑥 ≥ 18,6𝑉
Características do 1N4004 utilizado: Idmáx = 1A; VRmáx = 400V
Especificação do capacitor:
𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 ≥ 10.1,5 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 15𝑉
Características do capacitor utilizado: 2200µF/16V
Especificação para o regulador 7805:
𝐼𝑜 ≥ 1,5. 𝐼𝑑𝑐 ≥ 1,5.0,5 ⟹ 𝐼𝑜 ≥ 0,75𝐴
𝑃𝐷 ≥ 1,5. (𝑉𝑖 − 𝑉𝑜). 𝐼𝑑𝑐 ≥ 1,5. (10 − 5). 0,5 ⟹ 𝑃𝐷 ≥ 3,75𝑊
Características do regulador 7805: PD = 5W; 7V PD78L05) Não atende
Montagem B: P7812 = 4,4W, P78L05 = 0,56W (
Resp.: -8,6V, 6,7mA
Resp.: 6,2V, 25,6mA, 32,5V
https://www.allaboutcircuits.com/worksheets/regulated-power-sources/
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8 - Dispositivos Optoeletrônicos – Parte 2
Dispositivos optoeletrônicos são todos aqueles que, de alguma forma, utilizam radiação
luminosa em seu funcionamento. Inúmeros componentes se enquadram nessa categoria,
desde os antigos fotoresistores até os mais recentes OPTODIACS, passando pelos LED (já
vistos), fotodiodos, fototransistores, foto acopladores e chaves ópticas. As células fotovoltaicas,
que produzem energia elétrica a partir da luz e são cada vez mais utilizadas como fonte de
energia alternativa, também estão entre esses componentes.
De modo geral, dispositivos optoeletrônicos podem emitir radiação luminosa, detectar
radiação luminosa ou ambas as coisas. Por radiação luminosa, entende-se todo o espectro
eletromagnético da luz, visível e invisível, ou seja, desde o infravermelho até o ultravioleta,
como mostrado no diagrama espectral abaixo.
Neste tipo de dispositivo, o comprimento de onda da radiação emitida (ou faixa de sen-
sibilidade do dispositivo para a recebida) deve ser levado em conta. Estamos falando do espec-
tro com comprimentos de onda menores que 400nm (nm = nanômetros, ou 10-9m) para o ultra-
violeta (ultraviolet ou UV) até valores superiores a 700nm para o infravermelho (infrared ou IR).
Além da cor, a intensidade luminosa também é importante. Existem três unidades de
medida utilizadas para medir a intensidade de luz visível (entre 400nm e 700nm aproximada-
mente): lumens, candelas e lux.
Fluxo luminoso (F), Lumen (lm) é quantidade total de energia luminosa emitida por um
objeto, em todas as direções.
Intensidade luminosa (I), Candela (cd) é a quantidade de energia luminosa emitida por
um objeto, em uma única direção.
Iluminância (E), Lux (lx) é a quantidade de energia luminosa incidente sobre uma super-
fície de 1m2. Um lux equivale a um lúmen por metro quadrado: 1lx = 1lm/m2.
Nos exercícios 8.6 e 8.7, no final deste capítulo, foram utilizadas medidas de energia
luminosa genéricas: mW/cm2 e mW.
Apenas para efeito de comparação, a tabela abaixo mostra a relação entre a iluminância,
em lux, e diversas situações cotidianas.
Iluminância (lux) Superfícies iluminadas por
0,1.10-3 Noite sem lua, céu nublado
2.10-3 Noite sem lua (luz das estrelas)
50.10-3 a 360.10-3 Lua cheia, sem nuvens
3,4 Imediatamente após o por do sol
50 Sala de casa residencial
100 Dia muito nublado
320 a 500 Iluminação de local de trabalho
1.103 Dia nublado
10.103 a 25.103 Luz do sol indireta
32.103 a 100.103 Luz do sol direta
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180
Uma informação que, embora óbvia, deve ser dada, é que todos os dispositivos optoele-
trônicos devem ser transparentes à radiação a que se destinam. Isso quer dizer que o material
de que são feitos deve poder ser visto através de seu encapsulamento quando se trata de
dispositivos que trabalhem na faixa de luz visível. Dispositivos infravermelhos ou ultravioletas
podem ter encapsulamentos coloridos, mas que permitem a passagem da radiação luminosa
emitida ou recebida por eles.
Existem dispositivos sensíveis à luz que funcionam de acordo com diversos princípios,
mas, atualmente, os constituídos por semicondutores são os mais utilizados. Eles se baseiam
no fato da luz ser composta de partículas denominadas fótons. Quando esses fótons atingem
a superfície do semicondutor, transferem energia aos elétrons deste, fazendo com que algumas
ligações covalentes sejam rompidas, o que aumenta a quantidade de elétrons e lacunas no
material e, por conseguinte, diminuem sua resistividade. Os dispositivos optoeletrônicos de
modo geral, obedecem a esse princípio: o aumento da luz incidente diminui a resistência elétrica
do dispositivo.
8.1 – Fotoresistores
Os LDR (Light Dependent Resistor = Resistor
Dependente da Luz) são resistores cuja resistência elé-
trica diminui quando submetidos à radiação luminosa.
Por seu baixo custo e, principalmente, pela sua simpli-
cidade, são ainda bastante utilizados em circuitos ele-
trônicos que precisam de elementos sensíveis à luz. A
escala, na parte de baixo da imagem ao lado, é em mi-
límetros.
As curvas a seguir, retiradas do datasheet da série de LDR GL55, mostram, à esquerda,
que a maior sensibilidade à luz é exatamente no centro da faixa visível pelo ser humano (cerca
de 550nm, luz verde-azulada) e à direita a resistência elétrica do dispositivo em função da luz
incidente sobre ele: para 1 lux a resistência situa-se na faixa de centenas de Kilo ohms; para
100 lux, fica abaixo de 10KΩ. Este último gráfico é para um dos integrantes da família GL55;
os outros possuem resistências diferentes para as condições de luz indicadas.
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181
O símbolo utilizado genericamente para representar um LDR é o de um resistor rece-
bendo radiação luminosa:
Ao lado é mostrado, de forma simplifi-
cada, um sistema bastante comum, denomi-
nado relé fotossensível, que permite acender
automaticamente uma luminária quando
anoitece.
Durante o dia, a resistência do LDR é
baixa, o que permite que circule corrente na
bobina do relé, fazendo com que o contato,
do tipo NF, fique aberto e a lâmpada apa-
gada. À noite, a resistência do LDR aumenta,
fazendo com que o relé desligue o que fecha
o contato e acende a lâmpada.
Neste tipo de montagem, é preciso
cuidado para que a luz da lâmpada não incida sobre o LDR, caso contrário teremos um caso
de realimentação positiva, o que fará com que se inicie um ciclo de ligar-desligar da lâmpada,
que ficará piscando.
8.2 – Fotodiodos
Os fotodiodos apresentam, na polariza-
ção direta, as mesmas características de um
diodo convencional, mas quando polarizados re-
versamente, têm resistência elétrica elevada
apenas no escuro. Caso incida luz sobre um fo-
todiodo polarizado reversamente, são gerados
elétrons livres, o que possibilita um aumento da
corrente reversa. O comportamento é seme-
lhante ao do LDR, mas apenas para a polariza-
ção reversa do fotodiodo. O aumento da cor-
rente reversa é pequeno, o que faz com que
esse tipo de dispositivo necessite de circuitos
amplificadores (geralmente transistores) para
acionar cargas.
Ao lado são mostrados diversos encapsu-
lamentos para fotodiodos.
O aspecto físico de um fotodiodo pode ser exatamente o mesmo de um led, mas seu
símbolo é diferente, com as setas de luz entrando no dispositivo.
220VAC/100W
220V
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182
O encapsulamento do fotodiodo QSD2030 da Fairchild, cujas características aparecem
a seguir, é o mostrado no final da página anterior.
Este dispositivo é descrito acima como um fotodiodo PIN, o que significa que existe uma
camada de material semicondutor intrínseco I (sem dopagem) entre as regiões P e N do com-
ponente. Existe também outro tipo de fotodiodo denominado de avalanche, mais sensível e com
resposta mais rápida. Esses dispositivos têm uma resposta linear para uma determinada faixa
de comprimentos de onda, sendo, por isso, bastante usados em fotômetros, que são dispositi-
vos que medem a intensidade luminosa.
Outra informação é o pico de sensibilidade situado em 880nm, ou seja, a maior sensibi-
lidade do componente é na faixa do infravermelho. Essa é a faixa do espectro utilizada pelos
controles remotos (que possuem um LED infravermelho) de
equipamentos residenciais, como
TVs. O ângulo de recepção é de cerca de 40º, o que explica porque, às vezes, os controles
remotos não funcionam se não estivermos bem em frente ao equipamento.
Na próxima página, são mostradas outras informações desse dispositivo, como a má-
xima tensão reversa (VBR=50V – BR=Breakdown avalanche, ruptura da junção); a faixa de sen-
sibilidade ao comprimento de onda (de 400nm até 1100nm, o que representa toda a faixa de
luz visível mais o infravermelho); a tensão direta (VF=1,3V); corrente reversa no escuro
(ID=10nA, onde o D significa Dark = Escuro); corrente reversa no claro (IL, de 15A a 25A,
onde L significa Light = Luz) e as velocidades de comutação (condução e não condução) repre-
sentadas pelos tempos de subida (Rise Time) e de descida (Fall Time), da ordem de 5ns, o que
significa que o componente pode trabalhar com velocidades relativamente altas de variação de
luminosidade.
No controle remoto de equipamentos residenciais, a emissão lu-
minosa é feita por um LED infravermelho, não visível ao olho humano,
mas que é percebido pelo equipamento a ser controlado (que possui um
fotodiodo ou um fototransistor). Uma forma de saber se o controle está
funcionando é apontá-lo para uma câmera de celular, cujo sensor con-
segue perceber a luminosidade IR e mostrá-la na tela. Outra é através
do circuito ao lado. O fotodiodo está ligado entre coletor e base do tran-
sistor, e polarizado reversamente. Quando é atingido por energia lumi-
nosa, sua resistência diminui, o que permite que circule corrente de base.
Essa corrente é amplificada e faz com que o LED ligado ao emissor
acenda. Resumindo: cada vez que ocorre um pulso luminoso gerado pelo
controle remoto, o LED acende. Na prática, ele ficará piscando.
Como a resistência de um fotodiodo é relativamente alta, mesmo
quando submetido a energia luminosa não foi utilizado um resistor de
base em série com o fotodiodo.
Dada sua sensibilidade a todo o espectro luminoso visível, é comum que os fotodiodos
sejam protegidos por um filtro óptico nos equipamentos receptores, para evitar interferência da
luz ambiente.
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183
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
184
8.3 – Fototransistores
São transistores cuja condução entre coletor
e emissor é controlada pela quantidade de luz que
o dispositivo recebe. Quanto maior a intensidade
luminosa, menor será a resistência interna coletor-
emissor e maior a corrente de coletor.
A maioria é do tipo NPN, trabalha na faixa
do infravermelho, e tem apenas dois terminais: co-
letor e emissor. Quando presente, o terminal de
base é geralmente ligado à terra através de um re-
sistor, com a finalidade de diminuir e controlar a
sensibilidade do dispositivo à radiação luminosa.
As montagens típicas são mostradas a seguir.
Nas montagens A e C (emissor comum), o sinal de saída está defasado de 180º em
relação ao sinal luminoso da entrada; nas montagens B e D (coletor comum ou seguidor de
emissor) o sinal de saída está em fase com o sinal luminoso da entrada.
O datasheet de um fototransistor típico é mostrado a seguir.
Os fototransistores QSD123 e QSD124 da Fairchild são do tipo NPN, de Silício, possuem
um ângulo de recepção de luz de 24º e filtro para luz visível (são de epóxi translucido preto).
São indicados os LED infravermelhos das séries QED12X, QED22X e QED23X,para uso con-
junto (Matched Emitter). Neste tipo de dispositivo, o comprimento de onda do emissor (LED)
deve ser o mais próximo possível daquele que trabalha o receptor (fototransistor).
Vo
Vo VoVo
A B C D
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185
Ao lado é mostrado o aspecto físico do compo-
nente.
As características elétricas mostram limites de
tensão para coletor–emissor de 30V para a polariza-
ção correta (positivo no coletor) e de 5V para o in-
verso, com uma potência máxima de coletor de ape-
nas 100mW.
Também são mostrados o comprimento de
onda para a maior sensibilidade (880nm, faixa de in-
fravermelho), corrente máxima de coletor no escuro
(100nA), corrente máximas de coletor (16mA para o
QSD123 e 29mA para o QSD124, no claro), tensão de
saturação de coletor (0,4V) e as velocidades de comu-
tação (condução e não condução) representadas pe-
los tempos de subida (Rise Time) e de descida (Fall
Time), da ordem de 7µs (são mais lentos que os fotodiodos).
Existem também fototransistores do tipo Darlington.
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186
8.4 – Fotoacopladores (Optoisoladores)
Os fotoacopladores ou optoisoladores (isoladores ópticos) são largamente utilizados
quando é necessário isolar galvanicamente estágios diferentes de um ou vários circuitos.
Isolação galvânica significa que não existe um caminho para a corrente elétrica entre
dois estágios de circuito, ou seja, a resistência elétrica entre eles é muito alta. A forma mais
comum é a utilização de transformadores isoladores, mostrada a seguir (OPTO_1.MS13). Esse
método funciona bem em baixas frequências e sinais
alternados, mas em comunicação de dados, onde as
frequências são altas e os sinais referenciados ao ní-
vel zero, seu funcionamento não é adequado.
Os oscilogramas do circuito (todos com
50s/div e 2V/div), demonstram que o sinal original
(em azul), quadrado, de 10KHz, e referenciado ao ní-
vel zero da fonte, foi distorcido e alterado para um si-
nal alternado (em vermelho) pelo transformador.
Os fotoacopladores (ou optoisoladores) são dispositivos semicondutores, compostos de
um LED infravermelho e um fototransistor (sensível ao infravermelho), montados em um único
invólucro, de tal forma que a emissão de luz do LED atinge diretamente o fototransistor. São
utilizados quando se necessita de isolação galvânica em sinais de baixa amplitude e frequên-
cias elevadas, como é o caso em comunicação de dados.
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187
Para o mesmo sinal de entrada anterior, se o acoplamento fosse feito através de um
fotoacoplador, o resultado seria bem diferente, como mostrado abaixo. A onda na saída apre-
sentaria pouca distorção e a referência ao nível zero seria mantida. A isolação galvânica desses
dispositivos pode chegar a 5000V, ou seja, suportam até esse valor de diferença de potencial
entre entrada e saída. Ambas as simulações foram feitas no Multisim (optocoupler1.ms13).
Um exemplo típico de aplicação é quando se precisa interligar dois equipamentos por
cabos metálicos em áreas sujeitas a riscos elétricos, como descargas atmosféricas (raios) ou
surtos de corrente ocasionados por descargas para terra, por exemplo.
Imaginemos dois sistemas, A e B, separados por uma distância de 100 metros, e que
precisam se comunicar. Se for utilizada uma linha de comunicação com cabos metálicos entre
eles (circuito de cima), haverá um ponto comum, que normalmente é o negativo das fontes. Se
um distúrbio elétrico ocorrer e afetar o cabo que interliga os equipamentos, ambos estão sujei-
tos a ser danificados seriamente. Muitas vezes um raio, caindo próximo aos equipamentos, leva
à perda total dos mesmos.
Caso sejam utilizados optoacopladores
(circuito de baixo) os pontos comuns das fontes
serão isolados (haverá um “terra” ou negativo independente para cada fonte do circuito, verme-
lho e azul). Isso evita que, um distúrbio elétrico que atinja os cabos de comunicação se propa-
gue para dentro dos equipamentos A e B, ficando restrito aos cabos em verde no desenho.
CIRCUITO
A
CIRCUITO
B
CIRCUITO
A
CIRCUITO
B
100m
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188
A foto ao lado mostra parte de um circuito de
portas Ethernet, que sofreu os efeitos de um raio
que caiu próximo ao local do equipamento. O CI da-
nificado é caro e difícil de ser substituído. Caso fos-
sem utilizados fotoacopladores, na maioria das ve-
zes o dano seria restrito a eles, que são fáceis de
substituir e de baixo custo. Existem módulos eletrô-
nicos externos desenvolvidos especificamente para
esse fim, que compensam seu custo, quando são
vistos os danos que podem ocorrer nesse tipo de
acidente.
8.4.1– Tipos de Optoacopladores
Existem diversos tipos desses dispositivos. A seguir serão mostrados alguns deles.
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189
O CNY17F e a família 4N2X têm como principal diferença a presença
do terminal de Base do fototransistor no segundo tipo. Alguns encapsula-
mentos de dispositivos que não possuem esse terminal são de apenas qua-
tro terminais, como o mostrado ao lado.
O MCT6 é um optoacoplador duplo, enquanto que a família 4N3X tem saída Darlington.
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190
O H11AA1 tem dois LED invertidos na entrada, o que permite a ele trabalhar com pulsos
alternados.
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191
A série MOC30XX de OPTODIACS é utilizada para interfacear circuitos
como microcontroladores com etapas de controle de potência que utilizam TRI-
ACS. Ambos os componentes (DIACS e TRIACS) não serão estudados nesta
disciplina.
Por fim, convém mencionar que em sistemas de comunicação, é possível
obter uma ótima isolação galvânica, com um mínimo de perdas, utilizando fi-
bras ópticas. Os inconvenientes dessa técnica são a fragilidade do material (a
fibra em si e as conexões), o custo e a dificuldade em realizar montagens e
manutenções (equipamentos especiais para fundir a fibra a são necessários). Esse tipo de so-
lução é mais usada em sistemas onde, além da isolação e imunidade a ruído, é necessário
trabalhar com alta velocidade na troca de informações. As cabeações de Internet e TV a cabo
das operadoras são feitas dessa forma, geralmente até o poste na porta do usuário. Após esse
ponto são utilizados cabos coaxiais.
8.5– Chaves Ópticas
São dispositivos que também utilizam LED
e fototransistor, na faixa do infravemelho, mas
onde os dois dispositivos têm contato com o exte-
rior. Existem basicamente dois tipos: de interrup-
ção e de reflexão do feixe luminoso.
O de interrupção do feixe, mostrado ao lado,
é usado como sensor para um objeto que atra-
vesse o espaço entre o componente emissor e o receptor. Pode ser utilizado como sensor de
fim de curso ou como contador de pulsos através de um disco acoplado ao eixo de um motor
(abaixo), denominado encoder. Pode-se medir, através desse processo, velocidade ou posição
do eixo do motor.
O tipo de reflexão, mostrado acima, é muito
utilizado hoje em dia em máquinas para secar as
mãos em banheiros públicos. Ao aproximar as
mãos do sensor, o feixe do LED é refletido de volta
para o fototransistor, habilitando um timer a manter
o secador ligado por um determinado tempo.
À esquerda, o aspecto físico de diversos
desses sensores.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
192
8.6– Células Fotovoltaicas
Células fotovoltaicas (também denominadas células solares ou
painéis solares) são dispositivos que convertem a energia luminosa
(geralmente do sol) em energia elétrica. Existem em vários tamanhos,
como as mostradas abaixo. Quanto maior sua área, maior o aproveita-
mento da energia luminosa incidente e a capacidade de geração de
energia elétrica. Fornecem geralmente valores baixos de tensão contí-
nua (quase sempre 12V, obtidos pela associação de diversas células
que fornecem, individualmente, tensões inferiores), que podem ser apli-
cados diretamente ao circuito que será alimentado por elas ou então
são utilizados para carregar baterias. Através de circuitos eletrônicos
denominados inversores, a tensão contínua fornecida por uma célula
desse tipo pode ser convertida em tensão alternada de 110V ou 220V
para alimentar equipamentos diversos. Junto com outras tecnologias
voltadas ao segmento de energia alternativa (eólica, de marés etc.) é
uma área extremamente promissora, que produz energia limpa. Nos
próximos anos seu custo deve diminuir e a utilização aumentar bastante.
Acima é mostrada uma calculadora com célula solar, que alimenta o equipamento e car-
rega suas baterias para uso quando houver pouca luz no ambiente. Este tipo deve funcionar
também com iluminação interna (artificial).
Abaixo à esquerda uma célula solar típica para forne-
cimento de 5V/160mA, e à direita um sistema de carga via
conector USB que possui também bateria (pode ser carre-
gado durante o dia e utili-
zado à noite para recarga
ou alimentação de equipa-
mentos, como celulares,
GPS etc.).
À esquerda, uma ideia
que vem ganhando força nos
últimos anos, que é a geração
domiciliar de energia através
do sol, para utilização própria
ou até venda para a concessi-
onária da região. Um equipa-
mento especial detecta se a
residência está consumindo
energia da rede elétrica ou for-
necendo energia a ela, e cobra
ou credita valores monetários,
conforme o caso.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
193
EXERCÍCIOS
8.1- Para o circuito testador de controles remotos da pág. 182, qual a diferença entre ligar o
LED e seu resistor limitador ao emissor (como está no circuito) ou ao coletor? Desenhe a mu-
dança e comente.
8.2- O circuito ao lado é uma variação do testador de controles remotos
da pág. 182. Analise seu funcionamento e comente as diferenças em
relação ao outro.
8.3- Nas simulações das pág. 186 e 187 foram utilizados dois osciloscópios em cada em cada
um dos circuitos. Os osciloscópios têm dois canais de entrada, e apenas um foi utilizado em
cada um deles. Por que a montagem foi feita dessa forma?
8.4- Um LED IR é alimentado com o sinal Vi mostrado abaixo (ele emite radiação quando a
tensão é positiva). Desenhe as formas de onda de sa-
ída Vo (ondas quadradas) dos dois circuitos mostra-
dos.
Vo
Vo
A B
t (s)
Vi
t (s)
Vo
t (s)
Vo
A
B
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
194
8.5- ENADE 2005 Grupo II Eng. Elétrica Questão 44 Eletrônica
Resp.: B
Prof. José Daniel S. Bernardo
Eletrônica I
195
8.6- PROVÃO 1999 Eng. Elétrica Questão 12 Eletrônica
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
196
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
197
8.7- PROVÃO 2000 Eng. Elétrica Questão 11 Eletrônica
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
198
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
199
8.8- ENADE 2011 Grupo II Eng. Elétrica Questão 19 Geral
Resp.: C
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
200
8.9- ENADE 2014 Eng. Elétrica Prova 17 Questão 23
Resp.: A
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
201
8.10- ENADE 2014 Eng. de Controle e Automação Prova 15 Questão 19
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
202
Resp.: A
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
203
8.11- ENADE 2014 Eng. Elétrica Prova 17 Questão 24
Resp.: C (ALTERNATIVA IV ESTÁ ERRADA!)
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
204
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
205
9- Consolidando o Conhecimento
O diagrama da próxima página reúne componentes e circuitos vistos nos capítulos anteriores.
O desenvolvimento de técnicas de análise deste tipo de diagrama é muito importante na área técnica.
Uma forma de fazer isso é separar um circuito complexo como este em partes menores, estudar o
comportamento individual de cada uma delas e depois no conjunto. Desenhar um diagrama de blocos
também ajuda bastante.
À esquerda e abaixo do diagrama aparecem guias para se poder localizar facilmente qualquer
parte do circuito. Nas coordenadas B3 e B4, por exemplo, é mostrada uma ponte retificadora. Localize
os outros módulos do circuito indicando suas coordenadas e função, como no exemplo abaixo. Escre-
va o máximo que puder sobre a função de cada módulo. Tente também analisar o funcionamento do
circuito através do modelo no Multisim.
Atualmente, com a ajuda de reguladores integrados como o LM317 (vários projetos podem ser
encontrados na Internet), é possível construir fontes semelhantes de forma bem mais simples.
COORDENADAS FUNÇÃO
B3 e B4
Ponte retificadora (onda completa) da fonte principal
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
206
D
1
D
3
D
2
D
4
C
2
+
5
V
1
0
V
3
V
4
,5
V
6
V9
V
7
,5
V1
2
V
T
IP
3
1
B
C
3
3
7
D
5
C
1
C
3
+
5
6
0
W
1
K
2
W
6
V
0
,5
6
W
2
7
0
W
8
K
2
W
1
0
K
W
Q
3
Q
4
Q
1
Q
2
C
3
4
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0
W
5
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W
.1
m
F
4
7
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W
3
V
4
,5
V
6
V 9
V
7
,5
V 1
2
V
D
6
2
7
0
W
3
3
0
W
2
7
0
W
2
7
0
W
4
7
0
W
O
U
T
1
0
V
V
M A
Z
A
M
P
T
1
1
0
V
2
2
0
V
V
M
A
Z
A
M
P
T
1
1
0
V
1
1
0
V
R
1
R
2
R
3
R
4
R
5
R
6
R
7
R
8
R
9
T
1
R
1
0
R
1
1
R
1
3
R
1
2
1
2
3
4
5
6
7
A EDCB
F
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T
E
A
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E
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D
E
S
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J
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B
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0
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/0
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1
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D
E
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E
N
H
O
N
º:
R
E
V
.:
1
.0
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
207
Este artigo técnico foi publicado na revista
Elektor de junho de 2010.
Leia o texto, analise o circuito e procure en-
tender seu funcionamento.
Alguns dos conceitos necessários para sua
completa compreensão ainda não foram vis-
tos, mas podem ser discutidos com o profes-
sor.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
208
Este é o diagrama de um dos quatro amplificadores operacionais do CI LM124. Os
conceitos de amplificador diferencial e amplificador operacional serão vistos mais adiante no
curso, mas algumas partes do circuito já devem ser compreensíveis. Procure identificá-las.
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209
EXERCÍCIOS
9.1 – As portas lógicas TTL (Transistor Transistor Logic ou Lógica Transistor Transistor) uti-
lizam, como o próprio nome diz, transistores para implementar funções lógicas. Pesquise o
diagrama interno (que contém, além de transistores, diodos e resistores) das portas 7400,
7404 e 7406 e analise o funcionamento de cada uma delas, tanto a nível de lógica digital
quanto de componentes discretos (transistores). Os manuais da Texas Instruments contém
esses diagramas internos.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
210
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
1
Laboratório de Eletrônica I
Experiência 1 - Características do diodo semicondutor
LEIA TODOS OS PASSOS ANTES DE INICIAR A MONTAGEM E AS MEDIÇÕES.
NÃO LIGUE O CIRCUITO À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS
CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.
A TENSÃO DA FONTE (Vi) DEVE SEMPRE SER AJUSTADA INICIALMENTE PARA ZERO
VOLT, ANTES DE LIGÁ-LA AO CIRCUITO.
Parte 1 – Comportamento de um diodo semicondutor nas polarizações direta e reversa
1- Preencha as características do diodo 1N400X na tabela inferior da pág. 3.
2- Monte o circuito da esquerda (POLARIZAÇÃO DIRETA). O diodo D é o 1N400X; Lp1
é
uma lâmpada incandescente de 12V.
3- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
4- Ligue a fonte e ajuste-a para obter Vi = 12V no multímetro; anote na tabela.
5- Anote na tabela o estado da lâmpada: ACESA ou APAGADA.
6- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VLp1.
7- Meça e anote o valor de ID (ou IR); a indicação da fonte pode ser usada neste caso.
8- Calcule os valores de VD (ou VR) = Vi - VLp1 e rd = VD/ID (ou VR/IR).
9- Ajuste a fonte para zero volt e depois a desligue.
10- Inverta a posição do diodo conforme o circuito da direita (POLARIZAÇÃO REVER-
SA), e repita os passos de 3 a 9; meça e anote Vi, VLp1, IR, VR e rd.
POLARIZAÇÃO
ESTADO DA
LÂMPADA Vi VLp1 ID (IR) VD (VR) rd
DIRETA
REVERSA
V V A V
11- Meça a resistência da lâmpada com o ohmímetro (DESCONECTE-A DO CIRCUITO
ANTES!) e em seguida calcule seu valor através das medições de tensão e corrente
(VLp1 e ID) efetuadas. Anote os valores obtidos na tabela.
Vi
V1 V2
VD
ID
Lp1
VLp1
D
POLARIZAÇÃO
DIRETA
Vi
V1 V2
VR
IR
Lp1
VLp1
D
POLARIZAÇÃO
REVERSA
MÉTODO RLp1
OHMÍMETRO
VALORES MEDIDOS (VLp1 e ID)
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
2
Parte 2 – Levantamento da curva característica
a- Polarização direta (ATENÇÃO: O RESISTOR ESQUENTA!)
12- Monte o circuito abaixo. O diodo D é o 1N400X; RL é de 22/2W.
13- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
14- Ligue a fonte e ajuste-a inicialmente para fornecer Vi = 0V no multímetro e de-
pois para os outros valores de Vi da tabela, também através do multímetro.
15- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VD.
16- Repita os passos 14 e 15 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela.
17- Ajuste a fonte para zero volt e depois a desligue.
18- Calcule os valores de VRL = (Vi – VD) e ID = (VRL/RL) e anote-os na tabela.
19- Com os valores de VD e ID obtidos, trace a curva de polarização direta do diodo, no
gráfico da pág. 4.
MEDIDOS CALCULADOS MEDIDOS CALCULADOS
Vi VD VRL ID Vi VD VRL ID
0 1,0
0,5 2,0
0,6 3,0
0,7 4,0
0,8 5,0
0,9 6,0
V V V mA V V V mA
Vi
RL
V1 V2
ID VD
VRL
POLARIZAÇÃO
DIRETA
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3
b- Polarização reversa
20- Inverta a posição do diodo do circuito montado.
21- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1.
22- Ligue a fonte e ajuste-a inicialmente para fornecer Vi = 0V no multímetro e de-
pois para os outros valores de Vi da tabela, também através do multímetro.
23- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VR.
24- Repita os passos 22 e 23 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela.
25- Ajuste a fonte para zero volt e depois a desligue.
26- Calcule os valores de VRL = (Vi – VR) e IR = (VRL/RL) e anote-os na tabela.
27- Com os valores de VR e IR obtidos, trace a curva de polarização reversa do diodo, no
gráfico da pág. 4.
MEDIDOS CALCULADOS MEDIDOS CALCULADOS
Vi VR VRL IR Vi VR VRL IR
0 16,0
4,0 20,0
8,0 24,0
12,0 28,0
V V V mA V V V mA
Vi
RL
V1 V2
IR VR
VRL
POLARIZAÇÃO
REVERSA
Características do diodo 1N400X
ID VR
A V
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4
-0
,0
5
-0
,0
4
-0
,0
3
-0
,0
2
-0
,0
1
0
,0
0
,1
0
,2
0
,3
0
,4
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,5
-2
8
-2
6
-2
4
-2
2
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8
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6
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-1
2
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0
-8
-6
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0
0
,2
0
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0
,6
0
,8
1
Corrente (A)
Te
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(
V
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C
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ct
e
rí
st
ic
a
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d
io
d
o
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5
Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo:
1- Por que as resistências medida e calculada da lâmpada apresentaram valores diferen-
tes?
2- Compare a curva do diodo obtida com a teórica.
3- Compare as resistências internas do diodo obtidas (rd) com os valores teóricos.
4- A partir de que tensão começaria a aparecer corrente reversa significativa através des-
se diodo? O que aconteceria se essa tensão fosse alcançada?
Outros comentários
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6
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7
RL
D
Id (=I)
C220V
V1 V2
+
V3
PONTOS DE TERRA DO
OSCILOSCÓPIO E DO CIRCUITO
Laboratório de Eletrônica I
Experiência 2 - Retificação e filtragem
Parte 1 – Retificação de meia onda
LEIA TODOS OS PASSOS ANTES DE INICIAR A MONTAGEM E AS MEDIÇÕES.
NÃO LIGUE O TRANSFORMADOR À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A
MONTAGEM E AS CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.
1- Monte o circuito abaixo.
O resistor RL é de 220; na primeira montagem NÃO é usado o capacitor C. Nas
montagens seguintes obedeça as indicações do texto e das tabelas para determina-
ção dos valores dos componentes.
V1 é o canal 1 (CH1) do osciloscópio; V2 é o canal 2 (CH2) do osciloscópio. Ambas
as garras de terra do osciloscópio devem ser ligadas ao ponto de terra do circuito.
LIGUE SEMPRE O TERRA EM PRIMEIRO LUGAR! O instrumento V3 é o multíme-
tro digital.
2- V3 é o multímetro digital ajustado para o alcance de 20VCC.
3- Configure o osciloscópio como descrito abaixo e ligue-o aos pontos V1 e V2:
Canal 1 (CH1) V1
medição de sinal pico a pico (Pico a Pico) e eficaz (RMS)
acoplamento CA
Canal 2 (CH2) V2
medição de sinal pico a pico (Pico a Pico) e médio (Médio)
acoplamento CC
4- Ligue o transformador à rede elétrica (220V) e ajuste sua saída para 12VCA.
5- Pressione o botão AUTOSET do osciloscópio para que este se ajuste automaticamente
às variáveis medidas.
6- Meça com o osciloscópio (CH1) Vi (em valores de pico e eficaz) e (CH2) Vo (em valores
de pico e médio) e Vripple (em valor de pico a pico), desenhe as formas de onda no local
adequado e anote na tabela da próxima página.
7- Meça com o multímetro ajustado para 20VCC a tensão no ponto V3 e anote na tabela
da próxima página.
8- Compare os resultados obtidos com o multímetro e com o osciloscópio
9- Calcule a corrente I (que para retificação de meia onda será igual a Id) dividindo Vo (va-
lor médio medido pelo multímetro) por RL e anote na tabela da próxima página.
Vo * tabelas das pág. 12, 13 e 14
Vripple ** apenas tabelas das pág. 13 e 14
O RESISTOR
ESQUENTA!
SÓ AQUI O
CIRCUITO É
ENERGIZADO!
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8
10- Desligue o transformador.
11- Nas págs. 9 e 10 utilize os resistores de 220 e de 1K e os capacitores de 100µF e
1000µF, de acordo com as tabelas, e repita os passos de 4 a 10.
12- NÃO ESQUEÇA DE SEMPRE DESLIGAR O TRANSFORMADOR ANTES DE EFE-
TUAR ALTERAÇÕES NO CIRCUITO!
Retificação de meia onda sem filtro
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSO 6 7 9
C RL Vi Vi VO
VO
(VCC)
VO
(VCC)
I
(=Id)
220
µF
V
(Vp)
V
(Vef)
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)
C RL V1 V2
220
t
V1
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
µF
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9
Retificação de meia onda com filtro (100µF)
* Vpico entre zero e o pico do sinal (não é o do display do osciloscópio)
** Vpp indicado no display do osciloscópio
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSOS 6 7 9
C RL Vi Vi VO*
VO
(VCC)
Vripple**
VO
(VCC)
I
(=Id)
100
220
1K
µF
V
(Vp
V
(Vef)
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vpp)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)
C RL V1 V2
100
220
t
V1
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
1K
t
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0 2p 3p 4pp
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10
Retificação de meia onda com filtro (1000µF)
* Vpico entre zero e o pico do sinal (não é o do display do osciloscópio)
** Vpp indicado no display do osciloscópio
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSOS 6 7 9
C RL VO*
VO
(VCC)
Vripple**
VO
(VCC)
I
(=Id)
1000
220
1K
µF
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vpp)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
CANAL 2 (CH2)
C RL V2
1000
220
t
V2
0 2p 3p 4pp
1K
t
V2
0 2p 3p 4pp
µF
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Parte 2 – Retificação de onda completa em ponte
LEIA TODOS OS PASSOS ANTES DE INICIAR A MONTAGEM E AS MEDIÇÕES.
NÃO LIGUE O TRANSFORMADOR À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A
MONTAGEM E AS CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.
13- Monte o circuito abaixo.
O resistor RL é de 220; na primeira montagem NÃO é usado o capacitor C. Nas
montagens seguintes obedeça as indicações do texto e das tabelas para determina-
ção dos valores dos componentes.
V1 é o canal 1 (CH1) do osciloscópio; V2 é o canal 2 (CH2) do osciloscópio. A liga-
ção do osciloscópio (pontos V1 e V2) deve obedecer às orientações dos passos 16,
20, 21, 26 e 29, sob risco de gerar um curto-circuito. LIGUE SEMPRE O TERRA
EM PRIMEIRO LUGAR! O instrumento V3 é o multímetro digital.
14- V3 é o multímetro digital ajustado para o alcance de 20VCC.
15- Configure o osciloscópio como descrito abaixo:
Canal 1 (CH1) V1
medição de sinal pico a pico (PP) e eficaz (RMS)
acoplamento CA
Canal 2 (CH2) V2
medição de sinal pico a pico (PP) e médio
acoplamento CC
16- Ligue APENAS o Canal 1 (PONTEIRA E TERRA) do osciloscópio ao ponto V1.
17- Ligue o transformador à rede elétrica (220V) e ajuste sua saída para 12VCA.
18- Pressione o botão AUTOSET do osciloscópio para que este se ajuste automaticamente
às variáveis medidas.
19- Meça com o osciloscópio (CH1) Vi (em valores de pico e eficaz), desenhe a forma de
onda no local adequado e anote as leituras na tabela.
20- Desligue o Canal 1 do osciloscópio do ponto V1, INCLUSIVE A GARRA DE TER-
RA.
21- Ligue APENAS o Canal 2 (PONTEIRA E TERRA) do osciloscópio ao ponto V2
(pressione novamente AUTOSET).
22- Meça com o osciloscópio (CH2) Vo* (em valores de pico e médio) e Vripple** (em valor
de pico a pico), desenhe as formas de onda no local adequado e anote na tabela. Vo de
pico deve ser medido entre zero e o pico; Vripple deve ser o valor de pico a pico mos-
trado no osciloscópio.
Vo * tabelas das pág. 12, 13 e 14
Vripple ** apenas tabelas das pág. 13 e 14
D1
D3
D2
D4
220V RL C
V2
+
V3
I
Id
V1
TERRA DO OSCILOSCÓPIO
PARA MEDIÇÃO DE V1
TERRA DO OSCILOSCÓPIO
PARA MEDIÇÃO DE V2
TERRA DO CIRCUITO
+-
SÓ AQUI O
CIRCUITO É
ENERGIZADO!
O CAPACITOR
EXPLODIRÁ SE
SUA POLARIDADE
FOR INVERTIDA!
O RESISTOR
ESQUENTA!
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12
23- Meça com o multímetro ajustado para 20VCC a tensão no ponto V3 e anote na tabela.
24- Compare os resultados obtidos com o multímetro e com o osciloscópio.
25- Calcule a corrente I, dividindo Vo (valor médio medido pelo multímetro) por RL e Id (que
para retificação de onda completa será a metade de I) e anote-as na tabela.
26- Desligue o Canal 2 do osciloscópio do ponto V1, INCLUSIVE A GARRA DE TER-
RA.
27- Desligue o transformador.
28- Nas págs. 13 e 14 utilize os resistores de 220 e de 1K e os capacitores de 100µF e
1000µF, de acordo com as tabelas, e repita os passos de 16 a 27.
29- NÃO ESQUEÇA DE SEMPRE DESLIGAR O TRANSFORMADOR E AS PONTAS DE
PROVA DO OSCILOSCÓPIO ANTES DE EFETUAR ALTERAÇÕES NO CIRCUITO!
Retificação de onda completa em ponte sem filtro
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSO 20 23 24 26
C RL Vi Vi VO
VO
(VCC)
VO
(VCC)
I
Id
(I/2)
220
µF
V
(Vp)
V
(Vef)
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
mA
(Iméd)
CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)
C RL V1 V2
220
t
V1
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
µF
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
13
Retificação de onda completa em ponte com filtro (100µF)
* Vpico entre zero e o pico do sinal (não é o do display do osciloscópio)
** Vpp indicado no display do osciloscópio
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSOS 20 23 24 26
C RL Vi Vi VO*
VO
(VCC)
Vripple*
*
VO
(VCC)
I
Id
(I/2)
100
220
1K
µF
V
(Vp
V
(Vef)
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vpp)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
mA
(Iméd)
CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)
C RL V1 V2
100
220
t
V1
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
1K
t
V1
0 2p 3p 4pp
t
V2
0 2p 3p 4pp
µF
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14
Retificação de onda completa em ponte com filtro (1000µF)
* Vpico entre zero e o pico do sinal (não é o do display do osciloscópio)
**Vpp indicado no display do osciloscópio
OSCILOSCÓPIO MULTIM. CALC.
PASSOS 23 24 26
C RL VO*
VO
(VCC)
Vripple**
VO
(VCC)
I
Id
(I/2)
1000
220
1K
µF
V
(Vp)
V
(Vméd)
V
(Vpp)
V
(Vméd)
mA
(Iméd)
mA
(Iméd)
CANAL 2 (CH2)
C RL V2
1000
220
t
V2
0 2p 3p 4pp
1K
t
V2
0 2p 3p 4pp
µF
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15
Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo:
1- Qual a influência do resistor de carga RL no ripple?
2- Qual a influência do capacitor de filtro C no ripple?
3- Qual a influência do tipo de retificação (meia onda e onda completa) no ripple?
4- O que acontece com a tensão Vo (Vméd) à medida que o ripple vai diminuindo?
5- É possível, através das medições efetuadas, observar a queda de tensão no(s) dio-
do(s)?
6- Qual a frequência do sinal retificado em meia onda? E no de onda completa?
7- Calcule os valores teóricos através das fórmulas dadas no capítulo 2 e compare-os aos
resultados obtidos.
8- Simule os circuitos no EWB e compare os resultados com os obtidos experimentalmen-
te.
Outros comentários
Prof. José Daniel S. Bernardo
Básicas dos Relés ..............................................................................
6.2 O Transistor Como Chave- Utilizando o ...................................................................
6.3 O Transistor Como Chave – Utilizando a Reta de Carga ............................................
6.4 O Transistor Como Chave – Acionamento de Cargas Utilizando PWM ......................
6.5 Folha de Características Resumidas de Transistores .................................................
Exercícios ...............................................................................................................
6.6 Configuração Darlington ..............................................................................................
Exercícios ................................................................................................................
6.7 Ponte H com Transistores ...........................................................................................
Exercícios ................................................................................................................
1
1
3
4
5
13
27
27
29
32
33
35
36
41
55
55
56
63
69
69
73
75
76
83
83
84
88
95
99
109
109
114
116
118
119
123
137
145
149
154
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
7 Fonte de Tensão Linear Estabilizada .....................................................................................
7.1 Fonte Estabilizada Convencional .................................................................................
7.2 Reguladores Integrados de Tensão Contínua .............................................................
7.3 Análise de Projeto de Fonte Estabilizada com Regulador Integrado ...........................
Exercícios ............................................................................................................
8 Dispositivos Optoeletrônicos Parte 2 ......................................................................................
8.1 Fotoresistores ..............................................................................................................
8.2 Fotodiodos ...................................................................................................................
8.3 Fototransistores ...........................................................................................................
8.4 Fotoacopladores (Optoisoladores) ...............................................................................
8.5 Chaves Ópticas ............................................................................................................
8.6 Células Fotovoltaicas ...................................................................................................
Exercícios ..............................................................................................................
9 Consolidando o Conhecimento ..............................................................................................
Exercícios ..............................................................................................................
LABORATÓRIO
EXP. 1 - Características do Diodo Semicondutor .............................................................
EXP. 2 - Retificação e Filtragem .......................................................................................
EXP. 3 - Características do Diodo Zener ..........................................................................
157
157
163
171
173
179
180
181
184
186
191
192
193
205
209
1
7
17
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
1
ELETRÔNICA I
1- Materiais Semicondutores e o Diodo Semicondutor
1.1- Condutores, Isolantes e Semicondutores
Já foram vistos anteriormente dois tipos de características elétricas de materiais: conduto-
res e isolantes.
Os condutores são os que permitem a passagem da corrente elétrica quando se aplica a
eles uma diferença de potencial; os isolantes não permitem a passagem de corrente na con-
dição exemplificada anteriormente. Na verdade, não existem nem condutores nem isolantes
perfeitos, mas sim materiais que possuem baixa resistência elétrica (condutores) ou alta resis-
tência elétrica (isolantes). Quando se estuda teoricamente os fenômenos elétricos, muitas
vezes as características dos dispositivos são simplificadas para melhor compreensão, criando
modelos ideais, ou seja, que não apresentam os inconvenientes dos modelos reais. Abaixo
são mostrados exemplos ideais de condutor e isolante.
I
Condutor ideal
Resistência elétrica nula
(0 ohm)
A corrente elétrica será máxima
V
Isolante ideal
Resistência elétrica infinita
(∞ ohm)
A corrente elétrica será zero
V
Corrente elétrica é o movimento ordenado de elétrons em um determinado material. Os
elétrons que se movimentam são os que se situam na última das camadas de partículas que
envolvem o núcleo, denominada camada de valência e se chamam elétrons livres. Essa mo-
vimentação – a corrente elétrica, só é possível quando os elétrons não estão rigidamente li-
gados ao átomo e podem se desprender dele, quando ele recebe algum tipo de energia ex-
terna. A nível de estrutura atômica, é a quantidade de elétrons da última camada de um áto-
mo que define em qual das categorias de condutibilidade ele se encaixa. Os materiais condu-
tores têm, geralmente, poucos elétrons na última camada: Cobre e Prata possuem um; o
Alumínio possui três. Os isolantes possuem na
última camada um número de elétrons próximo
a oito e são, na quase totalidade, substâncias
compostas como borracha, vidro, teflon e mica,
e não elementos químicos puros. Os elétrons
desses materiais dificilmente podem ser deslo-
cados para constituir uma corrente elétrica, o
que só é possível quando grandes diferenças de
potencial (tensões elevadas) são utilizadas.
Os materiais semicondutores apresentam
características que os posicionam entre os iso-
lantes e os condutores, ou seja, possuem uma
resistência elétrica intermediária. Os dois semi-
condutores mais utilizados em eletrônica, o
Germânio (Ge) e o Silício (Si) apresentam na
última camada eletrônica quatro elétrons.
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Ligações
covalentes
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
2
Quando átomos individuais se unem formam-se diversos tipos de ligações entre eles. No
caso de materiais semicondutores, essas ligações são as covalentes, onde os quatro elétrons
da última camada de um átomo se unem, cada um deles, a elétrons da última camada de ou-
tros quatro átomos. Cada átomo ficaria, portanto com oito elétrons na última camada (quatro
seus e quatro “emprestados” dos átomos vizinhos), o que representa estabilidade para o ma-
terial. Na página anterior é mostrado esse arranjo para átomos de Silício, que é chamado de
rede cristalina. A estabilidade gerada (oito elétrons na última camada) faz com que esses ma-
teriais se tornem maus condutores.
A rede cristalina, da forma apresentada não constitui, a princípio, um material semicondu-
tor que possa ser utilizado. Apenas se esse material estiver na temperatura ambiente (25ºC)
ou acima dela, alguns dos elétrons das ligações covalentes podem adquirir energia suficiente
para quebrar essas ligações e se tornarem elétrons livres, que poderiam conduzir a corrente
elétrica. Esse é o motivo pelo qual a maioria dos dispositivos semicondutores não suporta
temperaturas elevadas e apresenta características térmicas inversas às dos metais: em um
metal,
Eletrônica I
16
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
17
Laboratório de Eletrônica I
Experiência 3 - Características do diodo Zener
LEIA TODOS OS PASSOS ANTES DE INICIAR A MONTAGEM E AS MEDIÇÕES.
NÃO LIGUE O CIRCUITO À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS
CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.
Parte 1 – Levantamento da curva característica
a- Polarização direta
1- Preencha as características do diodo Zener 1N4742 na tabela da pág. 18.
2- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 22, 5W.
3- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
4- Ajuste a fonte para obter Vi = 0V no multímetro.
5- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VD.
6- Repita os passos 3 a 5 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO ULTRAPASSE
6V!
7- Calcule os valores de VS = (Vi - VD) e ID = (VS/RS) e anote-os na tabela.
8- Com os valores de VD e ID obtidos, trace a curva de polarização direta do diodo Zener, no
gráfico da pág. 19.
MEDIDOS CALCULADOS MEDIDOS CALCULADOS
Vi VD VS ID Vi VD VS ID
0 1,0
0,5 2,0
0,6 3,0
0,7 4,0
0,8 5,0
0,9 6,0
V V V mA V V V mA
Vi
RS
Z
V1 V2
VDID
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
18
b- Polarização reversa
9- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 , ½ W.
10- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
11- Ajuste a fonte para obter Vi = 0V no multímetro.
12- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VZ.
13- Repita os passos 10 a 12 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO UL-
TRAPASSE 15V!
14- Calcule os valores de VS = (Vi – VZ) e IZ = (VS/RS) e anote-os na tabela.
15- Com os valores de VZ e IZ obtidos, trace a curva de polarização reversa do diodo
Zener, no gráfico da pág. 19.
MEDIDOS CALCULADOS MEDIDOS CALCULADOS
Vi VZ VS IZ Vi VZ VS IZ
0 12,0
4,0 12,5
8,0 13,0
10,0 14,0
11,0 15,0
V V V mA V V V mA
Vi
RS
Z
V1 V2
VZIZ
Características do diodo Zener 1N4742
VZ PZ IZmín IZmáx
V W mA mA
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
19
-0
,0
5
-0
,0
4
-0
,0
3
-0
,0
2
-0
,0
1
0
,0
0
,1
0
,2
0
,3
0
,4
0
,5
-1
4
-1
3
-1
2
-1
1
-1
0
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0
,2
0
,4
0
,6
0
,8
1
Corrente (A)
Te
n
sã
o
(
V
)
C
u
rv
a
ca
ra
ct
e
rí
st
ic
a
d
o
d
io
d
o
Z
e
n
e
r
1
N
4
7
4
2
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
20
Parte 2 – Fonte estabilizada – tensão de entrada variável e carga constante
16- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 e RL é de 1K, am-
bos de 1/2W .
17- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
18- Ajuste a fonte para obter Vi = 13,0V no multímetro.
19- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VO.
20- Repita os passos 17 a 19 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO UL-
TRAPASSE 15V!
21- Calcule os valores de VS = (Vi - VO), IS = (VS/RS), IL = (VO/RL), IZ = (IS – IL) e
rz = VO/IZ e anote-os na tabela.
MEDIDOS CALCULADOS
RS RL Vi Vo VS IS IL IZ rz
68 1000
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
V V V mA mA mA Ω
Vi
RS
RLZ
V1 V2
VO
IS
IZ IL
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
21
Parte 3 – Fonte estabilizada – tensão de entrada constante e carga variável
22- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 e RL é de 1K .
23- Ajuste o multímetro para o alcance de 20VCC e conecte-o ao ponto V1.
24- Ajuste a fonte para obter Vi = 13,5V no multímetro.
25- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VO.
26- Repita o passo 25 para todos os valores de RL da tabela.
27- Calcule os valores de VS = (Vi - VO), IS = (VS/RS), IL = (VO/RL), IZ = (IS – IL) e
rz = VO/IZ e anote-os na tabela.
28- Repita os passos de 25 a 27 para Vi = 15V. NÃO ULTRAPASSE 15V!
MEDIDO CALCULADOS
Vi RL Vo VS IS IL IZ rz
13,5
1000
4700
10000
15,0
10000
4700
1000
V V V mA mA mA Ω
Vi
RS
RL
Z
V1 V2
VO
IS
IZ IL
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22
Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo:
1- Compare a curva do diodo Zener obtida com a teórica.
2- Compare a região de polarização direta da curva do diodo Zener obtida com a de um
diodo convencional.
3- Para a fonte estabilizada com tensão de entrada variável e carga constante da pág. 20,
analise e comente as variações das correntes IL, IS, IZ e também da resistência interna
do Zener, rz.
4- Repita a mesma análise do item anterior para a fonte estabilizada com tensão de entra-
da constante e carga variável da pág. 21.
5- Verifique se em alguma das situações de polarização apresentadas o diodo excedeu ou
chegou próximo de suas características máximas (IZmáx e PZmáx) ou mínimas (IZmín) de
trabalho.
Outros comentários
a resistência elétrica aumenta com o au-
mento da temperatura; em um semicondutor,
ocorre o contrário. Os metais possuem coeficien-
te de temperatura positivo (aumento da resistên-
cia com o aumento da temperatura), enquanto
que nos semicondutores o coeficiente de tempe-
ratura é negativo (diminuição da resistência com
o aumento da temperatura).
A saída do elétron da ligação covalente, mos-
trada ao lado, cria um fenômeno novo: no lugar
do elétron passa a existir uma lacuna (ou buraco,
do inglês hole). Agora, temos nos semiconduto-
res dois portadores de carga (elementos que po-
dem constituir a corrente elétrica): elétrons, de
carga negativa e lacunas, de carga positiva (au-
sência da carga negativa do elétron). O fluxo de
corrente em um semicondutor desse tipo pode
ser observado abaixo.
Podemos então notar que existirão dois fluxos opostos de portadores de carga dentro de
um semicondutor: o de elétrons, do negativo da fonte (onde há excesso de elétrons) para o
positivo (onde há falta de elétrons) e o de lacunas, do positivo para o negativo da fonte.
- Si
-
-
-
-
Si -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Ligações
covalentes
Elétron livre
Lacuna
CALOR
- - - - - -
+ - + -+ -
-- - - - -- - - - - -
Corrente de elétrons
do negativo para o positivo
(é a corrente real)
Corrente de lacunas
do positivo para o negativo
(equivale ao sentido da corrente convencional)
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
3
1.2- Dopagem
Como já foi dito, os cristais semicondutores puros (conhecidos como intrínsecos) não têm
aplicação na confecção de dispositivos eletrônicos.
É necessário criar, de forma controlada, portadores de carga nesses cristais. A maneira de
se conseguir isso é inserindo impurezas no cristal de forma a gerar ou lacunas ou elétrons. A
esse processo dá-se o nome de dopagem (do inglês dopping) e os materiais semicondutores
dopados resultantes são também conhecidos como extrínsecos.
Os cristais semicondutores produzidos atualmente já apresentam impurezas, visto ser ain-
da impossível obter materiais intrinsecamente puros. Essas imperfeições são da ordem de um
átomo de impureza para 109 átomos do semicondutor. A dopagem faz com que essa relação
aumente para algo como um átomo de impureza para 106 átomos do semicondutor.
Existem duas formas de dopar um cristal semicondutor: com impurezas doadoras, que
possuem cinco elétrons na camada de valência ou impurezas receptoras (ou aceitadoras),
que possuem três elétrons na última camada.
Quando uma impureza receptora como o Índio, o Alumínio (Al), o Gálio (Ga) ou o Boro (B),
todos com três elétrons, é utilizada na dopagem, um elétron ficará faltando na ligação cova-
lente, criando um portador de carga positiva (uma lacuna). Isso gera um semicondutor do tipo
P (de positivo). As lacunas são os portadores majoritários no material tipo P, e os elétrons
que eventualmente estejam livres no material, os minoritários.
Quando uma impureza doadora como o Fósforo (P), o Antimônio (Sb) ou o Arsênio (As),
todos com cinco elétrons, é utilizada na dopagem, um elétron irá sobrar na ligação covalente,
criando um portador de carga negativa. Isso gera um semicondutor do tipo N (de negativo).
Os elétrons são os portadores majoritários no material tipo N, e as lacunas que eventual-
mente estejam livres no material, os minoritários.
A tendência dos elétrons livres é a de ficar se movimentando randomicamente pelo cristal;
a tendência das lacunas é a de serem completadas por um eventual elétron livre.
Semicondutores do tipo N têm, portanto, átomos com elétrons livres, enquanto que os do
tipo P têm átomos com falta de elétrons (lacunas).
Ga -
-
-
Si -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Ligações
covalentes
Lacuna
Semicondutor tipo P dopado com Gálio
P
-
-
-
-
Si -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Si- -
-
-
Ligações
covalentes
Elétron livre
-
Semicondutor tipo N dopado com Fósforo
--
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
4
1.3- Junções PN
Ao lado são mostradas as represen-
tações adotadas para os semiconduto-
res tipo P e N, com seus respectivos
portadores de carga, lacunas e elétrons.
Apenas os átomos das impurezas são
mostrados. No material tipo P, átomos
de impurezas que são neutros, mas que
se tornarão negativos se receberem elé-
trons livres em suas lacunas; no material
tipo N, átomos de impurezas que são
neutros, mas que se tornarão positivos
se perderem os elétrons livres.
Quando as duas regiões, P e N, são criadas em um mesmo bloco de cristal intrínseco, te-
mos a chamada junção PN, que constitui o dispositivo semicondutor mais simples, o diodo.
Na região da junção, os elétrons livres do material tipo N são atraídos pelas lacunas do
material tipo P, num processo chamado difusão de cargas.
Forma-se então, ao redor da junção, uma região ionizada denominada região ou camada
de depleção ou também barreira de potencial, cuja polaridade é oposta à do material respecti-
vo (negativo no material tipo P, que recebeu elétrons em suas lacunas; positivo no material
tipo N, que perdeu elétrons).
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Átomo da impureza doadora
Elétron livre
Semicondutor tipo N
Lacuna
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
Átomo da impureza aceitadora
Semicondutor tipo P
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Junção PN
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
P N
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
Barreira de potencial
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
P N
+-
{
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
5
1.4- O Diodo Semicondutor
O diodo semicondutor nada mais é, como já foi visto, que a união de um material semi-
condutor do tipo P com outro do tipo N, formando uma junção PN. Esse dispositivo, o diodo,
pode ser polarizado de duas maneiras, direta e reversa, mostradas a seguir.
1.4.1- Polarizações direta e reversa
Na polarização direta, mostrada ao
lado, o positivo da fonte é ligado ao
material tipo P e o negativo ao material
tipo N. As lacunas do lado P são repeli-
das pelo positivo da fonte, enquanto
que os elétrons do lado N são repelidos
pelo negativo. Isso empurra lacunas e
elétrons (portadores majoritários) em
direção à região da junção e, desde
que a tensão aplicada seja superior à
tensão de barreira de potencial (para
vencer essa barreira existente na jun-
ção), lacunas e elétrons se recombinam
na junção, formando uma corrente elé-
trica. Nessa situação, a barreira de po-
tencial diminui. Em outras palavras, um
diodo semicondutor polarizado direta-
mente permite a passagem da corrente
elétrica (VD significa tensão direta, e ID corrente direta; em inglês, são utilizadas as notações
VF e IF, sendo o F de forward que significa direto em inglês).
Na polarização reversa, o opos-
to em relação ao caso anterior, e
que pode ser vista à esquerda, la-
cunas e elétrons são atraídos pela
fonte externa, agora chamada de
VR. Isso faz com que a barreira de
potencial aumente, limitando a
passagem da corrente. Existe uma
pequena corrente de fuga (formada
pelos portadores minoritários),
chamada de corrente reversa IR.
Essa corrente pode aumentar, em
função da geração de mais porta-
dores de carga livres, caso a tem-
peratura do semicondutor aumente.
Portanto, um diodo semicondu-
tor polarizado reversamente não
permite a passagem da corrente
elétrica (VR significa tensão rever-
sa, e IR corrente reversa).
A corrente reversa de um diodo também é chamada de corrente de fuga e
é normalmente
muito menor do que a corrente direta.
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
+ +
-
+
-
Polarização DIRETA
Barreira de potencial DIMINUI
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
P N
+-
{
VD
ID ID
+ + +
-
+ + +
-
+ + +
-
Polarização REVERSA
Barreira de potencial AUMENTA
-
+
- -
-
+
- -
-
+
- -
P N
+-
{
VR
IRIR
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
6
1.4.2- Símbolo e Polarização do Diodo Semicondutor
O símbolo do diodo semicondutor é mostrado ao
lado, com sua correspondência com os materiais P e
N da junção.
Os nomes dos terminais têm a ver com o tipo de
portador existente em cada material. Quando átomos
perdem ou recebem elétrons tornam-se íons, que
podem ser de dois tipos, ânions ou cátions. Anodo (A) vem de ânion, que é um átomo que
recebeu elétrons e se tornou negativo. É isso que acontece quando os átomos do material P
recebem elétrons para ocupar as lacunas existentes. Catodo (K) vem de cátion (ou kation),
que é um átomo que perdeu elétrons e ficou positivo. Como o material tipo N tem elétrons li-
vres e vai perdê-los para que uma corrente circule pelo semicondutor, os átomos desse mate-
rial ficarão positivos.
A partir de agora utilizaremos apenas o símbolo do diodo apresentado.
É conveniente notar que a seta do símbolo representa o sentido convenci-
onal de corrente elétrica (do positivo para o negativo) quando o dispositivo
é polarizado diretamente. Isso vale para todos os dispositivos semicondutores.
O comportamento dos diodos em um circuito elétrico, nas duas polarizações, pode ser
visto a seguir.
Na polarização direta, o diodo permite a passagem
da corrente. A tensão sobre ele nessa situação (tensão
direta ou VD) é da ordem de 0,7V para diodos de Silício (os
mais comuns) e cerca de 0,2V para os de Germânio (pouco
utilizados atualmente). A tensão sobre a carga (resistor)
será, portanto, a diferença entre a tensão de alimentação
(V) e a tensão direta sobre o diodo (VD).
Na polarização reversa não existe corrente
apreciável através do diodo (apenas a corrente de
fuga, que é muito pequena). A tensão sobre o diodo
(VR) será a tensão da fonte, e a tensão sobre a car-
ga será praticamente zero.
Utilizando uma fonte de 12V e uma lâmpada como carga, teremos a situação mostrada a
seguir. Como se pode ver, na polarização direta a lâmpada acenderá, mas haverá uma queda
de tensão sobre o diodo que resultará em uma diminuição na tensão entregue à lâmpada; na
polarização reversa a lâmpada permanecerá apagada, e toda a tensão da fonte estará sobre
o diodo.
O valor atribuído à tensão de barreira de potencial quando um diodo de Silício está polarizado
diretamente (VD=0,7V) é aproximado, mas pode ser utilizado na grande maioria dos projetos.
Quando se fala em diodos ideais, a tensão direta adotada será de 0V (VD=0V). Se a tensão da
fonte for muito maior que 0,7V, pode-se adotar esse critério. A forma mais exata de determinar a
tensão direta sobre um diodo é o traçado da reta de carga, que será visto adiante.
Anodo
(A)
Catodo
(K)
P N
A K
A K
ID
V V = 0
VR = V
IR = 0
Polarização reversa
V V- VD
VD
ID
Polarização direta
12V 11,3V
0,7V
ID V = 0
12V
IR = 0
Polarização direta Polarização reversa
12V
Lâmpada
acesa
Lâmpada
apagada
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7
1.4.3- Curva característica de um diodo
Um componente eletrônico linear, como um resistor, não necessita de uma curva caracte-
rística para representá-lo, já que a relação entre corrente e tensão nele será sempre constan-
te, ou seja, sua resistência possui um valor fixo. Já os semicondutores, por serem componen-
tes não lineares, apresentam variações em suas resistências internas em função da tensão
e/ou corrente de polarização, sendo necessário, para uma análise mais detalhada, que se
utilize uma curva que expresse suas características.
A curva característica básica para diodos semicondutores é apresentada abaixo. Na regi-
ão de polarização direta, o diodo começa a conduzir em valores próximos aos da ten-
são de barreira de potencial (para o Silício, cerca de 0,7V). Antes disso a corrente direta é
muito baixa.
Na polarização reversa, a corrente no diodo é extremamente baixa enquanto a tensão
sobre ele fica abaixo do limite de ruptura. Quando alcançamos essa tensão (de ruptura ou
breakdown) ocorre um fenômeno chamado avalanche (dos portadores de carga do se-
micondutor), a corrente aumenta bruscamente e a junção quase sempre é destruída
(existe uma tipo de diodo denominado Zener, que será estudado posteriormente, que trabalha
de forma controlada dentro da região de ruptura).
A tensão de ruptura reversa (VR) também é grafada como VBR (tensão de
breakdown) em literatura técnica e exercícios.
VDVR
ID
IR
Polarização
direta
Polarização
reversa
Tensão de
ruptura
(breakdown)
Tensão de
barreira de
potencial
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
8
1.4.4- Características e limitações de diodos
As características básicas de um determinado diodo podem ser encontradas nas folhas
de informação (datasheets) fornecidas pelos fabricantes, e mostradas nas duas páginas se-
guintes. São apresentados dois tipos de diodos, para aplicações diferentes, as séries 1N400X
e 1N4148/1N4448/1N914/1N916. A primeira é de diodos de uso geral (General Purpose Rec-
tifiers) para trabalhos em baixa freqüência e a outra um modelo para frequências mais eleva-
das e baixa potência (Small Signal Diode).
Os dois principais limites operacionais de um diodo são a máxima corrente direta
que ele suporta (ID ou IF onde o F representa Forward, ou Direta) e a máxima tensão re-
versa (VR) que pode ser aplicada sobre ele.
A família 1N400X (que vai do 1N4001 até o 1N4007) apresenta para cada um dos dis-
positivos uma tensão reversa máxima diferente (VRRM de 50V até 1000V), mas uma mesma
corrente direta máxima para todos (IF(AV) de 1A). Esses dois parâmetros são geralmente as-
sociados a sinais alternados senoidais da rede elétrica (VRRM é o valor de pico reverso repeti-
tivo e IF(AV) o valor médio da corrente através do diodo.
Alguns dos outros parâmetros do componente são definidos em certas condições opera-
cionais. O componente pode dissipar no máximo 3W (PD) e a tensão direta (VF) sobre ele será
de 1,1V, quando a corrente direta (IF) for de 1A (Forward Voltage @ 1.0A). A corrente reversa
(IR), como já foi visto, dependerá da temperatura. Nas tensões limites de cada modelo (Re-
verse Current @ Rated VR): para 25ºC será de 5µA e para 100ºC será de 50µA, mostrando a
influência da temperatura nos semicondutores.
Temos também, a capacitância da junção (todos os dispositivos elétricos apresentam,
além da resistência, capacitâncias que podem afetar seu funcionamento, principalmente
quando trabalham com sinais de freqüências elevadas). Para uma tensão reversa de 4V e
uma freqüência de sinal de 1MHz, a capacitância da junção (CT) será de 15pF (15.10-12F).
A série 1N4148/1N4448/1N914/1N916 é de diodos conhecidos como de chaveamento,
termo que indica que podem ser utilizados com sinais elétricos que variam rapidamente, como
ondas quadradas e sinais de frequência elevada. Para poder trabalhar dessa forma, sua ca-
pacitância de junção (CT) deve ser baixa, o que se confirma com os valores de 2pF a 4pF
mostrados. Outra indicação da resposta rápida do diodo é o seu tempo de recuperação rever-
sa (trr), que indica quanto tempo o dispositivo demora em parar de conduzir quando a polari-
dade sobre ele se inverte da direta (aonde o diodo conduz) para a reversa (aonde ele deve se
comportar como um isolante). Esse
tempo no 1N4148 é de 4ns (4.10-9s). A folha de informa-
ções da família 1N400X mostrada não apresenta esse parâmetro (trr), que é, para esse mode-
lo, da ordem de 1µs a 30µs (1.10-6s a 30.10-6s), dependendo do fabricante, ou seja, bem su-
perior ao desta série.
Outras características máximas como tensão reversa, corrente direta e potência dissipada
mostram que este dispositivo foi desenvolvido para trabalhar realmente com pequenos sinais
(baixa potência).
As folhas de informações mostradas estão incompletas, pois os gráficos que as acompa-
nham não foram mostrados. Eles podem ser obtidos nos sites dos fabricantes, lembrando que
existem várias outras empresas que produzem esses componentes, utilizando os mesmos
códigos.
Existem muitos outros parâmetros desses componentes. Apenas os principais e mais
usados foram comentados.
Obs. A Fairchild, fabricante cujas folhas de informação são mostradas, foi vendida, em
2016, para a ON Semiconductor. O material foi mantido por não existirem grandes diferenças
entre ele e o disponível atualmente no site do fabricante.
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
9
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
10
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
11
1.4.5- Traçado da Reta de Carga
Quando um componente não apresenta uma característica linear, não é possível equaci-
oná-lo de uma forma simples como foi feito com os resistores. É necessário levar em conta
como ele varia para alterações de tensão, corrente, temperatura, etc. A curva do dispositivo
expressa essas variações (geralmente para a temperatura ambiente: 25º) e a forma de asso-
ciá-las ao circuito que se deseja projetar é através do traçado da reta de carga desse circuito.
Em seguida é apresentado um roteiro para o traçado e a utilização da reta de carga em
diodos.
Suponha a situação ao lado, onde é pedida a
tensão sobre o resistor do circuito (VRes). Como o dio-
do é um componente não linear, não sabemos qual o
valor de sua resistência interna. Apenas utilizando a
curva característica do dispositivo, poderemos deter-
minar (com as aproximações criadas pelo traçado da
reta de carga no gráfico) os valores de VD e ID, para
em seguida obter o valor desejado (VRes).
Método para o traçado da reta de carga
1º passo- Considerar o diodo um curto (Vd = 0) e determinar a corrente no circuito; marcar
o valor encontrado no gráfico.
𝐼𝑑 =
𝑉
𝑅
=
10𝑉
50Ω
⟹ 𝐼𝑑 = 0,2𝐴 ⟶
2º passo – Considerar o diodo um circuito aberto (Vd = Vcc =10V).e determinar a tensão
sobre ele; marcar o valor encontrado no gráfico.
𝑉𝑑 = 𝑉 = 10𝑉 ⟶
3º passo- Unir os dois pontos com uma reta, que será a reta de carga do circuito.
4º passo- O ponto onde a reta de carga intercepta a curva do diodo é denominado ponto
quiescente (ou de repouso), que é o ponto estável de operação ou de funcionamento do cir-
cuito. A partir desse ponto, desenhando uma linha vertical até o eixo das tensões, determina-
mos VdQ; desenhando outra linha, agora horizontal, até o eixo das correntes, determinamos
IdQ. Os valores encontrados, VdQ = 0,7V e IdQ = 0,18A são os valores quiescentes ou de fun-
cionamento do circuito.
Sabendo os valores de corrente e tensão no circuito, podemos determinar a tensão no re-
sistor de duas maneiras:
𝑉𝑅𝑒𝑠 = 𝑅. 𝐼𝑑𝑄 = 50Ω. 0,18𝐴 ⟹ 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 9𝑉 ou 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 𝑉 − 𝑉𝑑𝑄 = 10𝑉 − 0,7𝑉 ⟹ 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 9,3𝑉
A diferença entre os dois resultados (cerca de 3%) deve-se às imperfeições do traçado da
reta no gráfico e às consequentes leituras dos valores obtidos.
Lembramos as três formas de determinar a tensão direta sobre um diodo:
valor genérico, para o Silício Vd=0,7V e para o Germânio Vd=0,2V
para qualquer diodo ideal: Vd=0V
através da reta de carga (o mais exato, mas pouco usado para diodos)
10V 50
VD
ID VRes
Id = 0,2A; Vd = 0
Id = 0; Vd = 10V
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12
P
o
n
to
q
u
ie
s
c
e
n
te
I d
Q
=
0
,1
8
A
V
d
Q
=
0
,7
V
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
13
Exercícios
1.1- Complete a tabela com informações das pág. 9 e 10.
IF VR VF@IF=1A VF@IF=100mA
IR@VR=VDIODO
T=100ºC
IR@VR=20V
T=150ºC
CT
ENCAP-
SULAM.
1N4001
1N4007
1N4148
1N4448
A V V V A A pF
Para os exercícios 1.2 até 1.7 considere a tensão VD dos diodos igual a 0,75V
1.2- Determine as correntes I1, I2 e I3. Os resistores são todos de 100Ω.
Resp.: 52,5mA, 45mA, 37,5mA
1.3- Determine as correntes I1, I2 e I3. Os resistores são todos de 100Ω.
Resp.: 52,5mA, 45mA, 0mA
1.4- Determine as correntes I1, I2 e I3. Os resistores são todos de 100Ω.
Resp.: 75mA, 60mA, 45mA
6V
I1 I2 I3
D1 D2 D3
6V
I1 I2 I3
D1 D2 D3
9V
I1 I2 I3
D1 D2 D3
D6 D5 D4
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14
1.5- Determine as correntes I1, I2 e I3. Os resistores são todos de 100Ω.
Resp.: 75mA, 60mA, 0mA
1.6- Determine as correntes I1 e I2. O resistor é de 100Ω.
Resp.: 0mA, 112,5mA
1.7- Dada a forma de onda VG do gerador, desenhe ao
lado as formas de onda entre os pontos BC e AB
do circuito.
9V
I1 I2 I3
D1 D2 D3
D6 D5 D4
12V
I1
I2
D1 D2
D3
D1
D2
A
B
C
0 1 2
t (s)
VBC (V)
10
10
0 1 2
t (s)
VAB (V)
10
10
0 1 2
t (s)
VG (V)
10
10
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
15
1.8- Qual a possível utilidade de um circuito como o da questão 1.7?
1.9- Circuitos de lógica TTL trabalham com tensões de alimentação de 5V, com tolerância de
±5%. Precisando com urgência montar uma fonte para alimentar um circuito desse tipo,
e não tendo no momento nada além de uma fonte de 9V e de alguns diodos, um enge-
nheiro precisou improvisar um circuito que atendesse sua necessidade temporariamen-
te. As características da carga e a curva dos diodos disponíveis são mostrados abaixo.
Complete o circuito com a possível solução pensada pelo engenheiro, e verifique se a
tensão na carga TTL está realmente dentro dos parâmetros desse tipo de circuito.
Resp.: Atende exatamente dentro do limite inferior
9V CARGA
TTL
VL = 5V±5%
PL = 2,5W@5VVX
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
C
o
rr
e
n
te
d
ir
e
ta
(
A
)
Tensão direta (V)
Curva característica do diodo - Polarização direta
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
16
1.10- Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos – Boylestad & Nashelsky, 8ª Edição pág.
89
Resp.: 9,55V, 7V
ATENÇÂO: as tensões são em relação ao terra comum das fontes
1.11- Obtido da Lista de Exercícios Resolvidos
sobre Diodos, da Disciplina de Eletrônica Ge-
ral I, do Prof. César M. Vargas Benítez da Universidade Federal Tecnológica do Paraná
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
17
1.12- Dada a forma de onda (f. o.) do gerador G abaixo, determine as f. o. sobre os diodos e
resistores dos circuitos. Considerar VD = 0,7V para todos os casos.
G B
G A
G C
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
0 1 2
t (s)
VG (V)
5
5
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18
G D
G E
G F
G G
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
G H
vd (V)
0 1 2
t (s)
5
5
vRes (V)
0 1 2
t (s)
5
5
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19
Os dois próximos exercícios devem ser feitos através do traçado da reta de carga,
utilizando o gráfico da próxima página.
1.13- Determinar a potência dissipada no resistor.
Resp.: (0,465A, 0,85V) ~5,18W
1.14- Dado o circuito, e sabendo que rid é a resistência interna do diodo, que é variável e
depende da polarização do componente no circuito (rid é o quociente de VdQ por
IdQ, encontrados no gráfico):
complete a tabela (itens a até d) e analise os resultados obtidos;
explique qual a relação entre a corrente Id e a resistência rid de um diodo;
com base nas conclusões anteriores, adote valores para V e R no item e da tabela,
de forma a obter um valor de rid maior que os outros encontrados.
VRes
V R IdQ VdQ R.IdQ V-VdQ rid
a 6 10
b 10 10
c 6 20
d 10 20
e
V A V V V
12V 24
V R
Vd
VRes
Id
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
20
0
,0
0
,1
0
,2
0
,3
0
,4
0
,5
0
,6
0
,7
0
,8
0
,9
1
,0
0
0
,5
1
1
,5
2
2
,5
3
3
,5
4
4
,5
5
5
,5
6
6
,5
7
7
,5
8
8
,5
9
9
,5
1
0
1
0
,5
1
1
1
1
,5
1
2
Corrente direta (A)
Te
n
sã
o
d
ir
e
ta
(
V
)
C
u
rv
a
ca
ra
ct
e
rí
st
ic
a
d
o
d
io
d
o
-
P
o
la
ri
za
çã
o
d
ir
et
a
Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I
21
1.15- Exercício obtido de uma apostila da Faculdade de Engenharia Electrotécnica da Univer-
sidade Nova de Lisboa.
Resp.: 9,53V, 953µA; 9,53V, 953µA
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22
1.16- Concurso Analista de Planej. e Desenv. Operac. Jr., Eng. Elétrica e Eletrônica, CPTM
2013
Resp.: A
1.17- Concurso Analista Judiciário, Eng. Eletrônica, TRF2, 2012
Resp.:
No gabarito, (C);
a resposta (A)
me parece mais
correta (ver cur-
va do diodo)
1.18- Concurso Analista Trainee, Eng. Eletro-Eletrônica, CPTM, 2012
Resp.: A
(mal formulada)
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23
1.19- Concurso Técnico em Eletrônica, Eletrobrás, 2010
Resp.: (A)
1.20- Concurso Técnico em Eletrônica, Metro-DF, 2014
1.21- Concurso Admissão ao Curso de Praças da Marinha, Eletrônica, Marinha do Brasil, 2014
Resp.: (D)
Resp.: (C)
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24
1.22- Concurso Admissão ao Curso de Praças da Marinha, Eletrônica, Marinha do Brasil, 2014
Resp.: (C)
1.23- ENADE, Provão 2000
Resp.: 20mA
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25
1.24- Concurso Eng. Equip. Jr., Eletrônica, Petrobrás, 2012
Resp.: (D)
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26
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27
2- Retificação e Filtragem de Sinais Alternados
Praticamente todos os equipamentos eletrônicos funcionam alimentados com tensões con-
tínuas, que podem ser obtidas de baterias químicas ou de fontes de alimentação. Estas últimas,
geralmente transformam a tensão alternada da rede elétrica em tensão contínua. A distribuição
de energia elétrica é feita através de tensão alternada senoidal (ver revisão de sinais alternados
senoidais a seguir), por ser esta mais fácil de gerar, transmitir e transformar para valores mai-
ores ou menores de tensão. O processo de aumentar ou rebaixar tensões alternadas é feito
com dispositivos indutivos denominados transformadores (ver noções a seguir).
Existem basicamente dois tipos de fontes de alimentação: lineares e chaveadas. As chave-
adas são bem mais complexas e necessitam de conhecimentos adicionais para serem compre-
endidas. Vamos estudar, aqui e nos capítulos seguintes, os princípios básicos das fontes de
alimentação lineares, cujos módulos constituintes são: transformador, retificador, filtro e regu-
lador (ou estabilizador) de tensão.
2.1 – Revisão de Sinais Alternados Senoidais
As representações abaixo (valores de pico a pico, pico, eficaz e médio) servem tanto para
tensão quanto para corrente e potência elétricas. As fórmulas mostradas são APENAS para
sinais senoidais puros ou retificados.
SINAL SENOIDAL
𝑉𝑝 =
𝑉𝑝𝑝
2
𝑉𝑒𝑓 =
𝑉𝑝
√2
𝑉𝑚 = 0
zeroVpp
+Vp
Vef
-Vp
0
2p
p
zero
+Vp
VmVef
0 2pp
SINAL SENOIDAL RETIFICADO
EM ONDA COMPLETA
𝑉𝑒𝑓 =
𝑉𝑝
√2
𝑉𝑚 =
2𝑉𝑝
π
+Vp
zero
VmVef
0 2pp
SINAL SENOIDAL RETIFICADO
EM ½ ONDA
𝑉𝑒𝑓 =
𝑉𝑝
2
𝑉𝑚 =
𝑉𝑝
π
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28
As representações mostradas na página anterior são diferentes na língua inglesa, como
mostra a tabela comparativa abaixo (outras formas podem também ser encontradas):
PORTUGUÊS INGLÊS
pico a pico VPP VPK-PK Peak to Peak
pico VP VMAX ou VM ou VPK Maximum ou Peak
eficaz Vef VRMS Root Mean Square*
médio Vm VAV ou VAVG Average
Deve-se ter cuidado para, em manuais e data sheets em inglês, não confundir VM que sig-
nifica tensão de
pico com Vm que representa, para nós, a tensão média.
* RMS ou Root Mean Square indica o valor obtido a partir de um algoritmo que efetua a
raiz quadrada (ROOT) da média aritmética (MEAN) de uma série de valores previamente ele-
vados ao quadrado (SQUARE). A partir dele se obtêm o valor eficaz (ou RMS) de uma variável
elétrica (tensão, corrente ou potência).
Um valor eficaz de tensão, corrente ou potência equivale, em energia, a um valor contínuo:
10VCC aplicados a um resistor produzem, nesse resistor uma certa quantidade de calor
idêntica a 10Vef ou 10VRMS.
Um voltímetro na escala contínua, indicará o valor médio dos sinais da página anterior:
zero para o sinal alternado e diferente de zero para os retificados.
Um voltímetro na escala alternada indicará corretamente apenas o valor eficaz do sinal
senoidal, e apresentará erro na indicação do valor eficaz para os sinais retificados.
Exemplo: A tensão de 220V da rede elétrica representa o valor eficaz do sinal senoidal da
rede. Seu valor de pico será:
𝑉𝑝 = 𝑉𝑒𝑓𝑥 √2 = 220𝑉𝑥 √2 ⟹ 𝑽𝒑 = 𝟑𝟏𝟏, 𝟏𝟑𝑽
E o valor de pico a pico, o dobro do valor de pico:
𝑉𝑝𝑝 = 𝑉𝑝𝑥 2 = 311,13𝑉𝑥2 ⟹ 𝑽𝒑𝒑 = 𝟔𝟐𝟐, 𝟐𝟓𝑽
QUANDO UMA TENSÃO ALTERNADA APARECE EXPRESSA COMO 127V, ESTÁ SE
INDICANDO O VALOR EFICAZ DA TENSÃO. SÓ SERÁ UTILIZADO UM COMPLEMENTO
(VP, VPP, Vm) CASO SE DESEJE INDICAR UMA FORMA DE REPRESENTAÇÃO DIFERENTE
DA EFICAZ.
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29
2.2- Conceitos Básicos de Transformadores Monofásicos
Um transformador é um dispositivo elétrico, para utilização exclusiva em corrente alternada,
que permite aumentar ou abaixar tensões elétricas. É constituído de indutores (bobinas) isola-
dos entre si. Seu princípio de funcionamento baseia-se na transferência de energia através do
campo eletromagnético (indução eletromagnética).
O transformador mais simples possui duas bobinas (ou enrolamentos), denominados pri-
mário e secundário. No enrolamento primário é aplicada uma tensão alternada que faz circular
nele uma corrente, a qual produz um campo magnético variável. Esse campo se expande, con-
traia, inverte de polaridade, e repete o ciclo de expansão e retração, acompanhando as varia-
ções do sinal alternado aplicado.
O campo produzido no primário, atua sobre o enrolamento secundário e o resultado é a
geração, por indução eletromagnética, de corrente e tensão nesse enrolamento. A tensão pro-
duzida no secundário pode ser maior (transformador elevador) ou menor (transformador abai-
xador) do que a aplicada ao primário, em função da quantidade de espiras das bobinas de cada
enrolamento.
A relação entre o número de espiras e a tensão pode ser vista nos diagramas abaixo:
O NÚMERO DE ESPIRAS DAS BOBINAS DE UM TRANSFORMADOR É, GERAL-
MENTE, DA ORDEM DE CENTENAS. OS VALORES USADOS AQUI SÃO APENAS EXEM-
PLOS.
A potência no primário (P1 = V1 x I1) será igual à do secundário (P2 = V2 x I2) para um
transformador ideal, ou seja, que não apresente perdas (P1 = P2). Na prática isso não existe e
a relação entre as potências do primário e do secundário será: P1 = P2 + perdas. As perdas
nesse tipo de dispositivo são geralmente entre 5% e 15%, ou de outra forma, possuem eficiên-
cia () de 95% a 85% (valores dados apenas como exemplos). I1 e I2 são, respectivamente, as
correntes de primário e de secundário.
ENROLAMENTO
PRIMÁRIO COM
6 ESPIRAS
ENROLAMENTO
SECUNDÁRIO COM
3 ESPIRAS
CAMPO ELETROMAGNÉTICO
GERADO PELO PRIMÁRIOTENSÃO
ALTERNADA
APLICADA AO
PRIMÁRIO:
12V
TENSÃO ALTERNADA
OBTIDA NO SECUNDÁRIO:
6V
V
TRANSFORMADOR ABAIXADOR
ENROLAMENTO
PRIMÁRIO COM
3 ESPIRAS
ENROLAMENTO
SECUNDÁRIO COM
6 ESPIRAS
CAMPO ELETROMAGNÉTICO
GERADO PELO PRIMÁRIO
TENSÃO
ALTERNADA
APLICADA AO
PRIMÁRIO:
12V
TENSÃO ALTERNADA
OBTIDA NO SECUNDÁRIO:
24V
V
TRANSFORMADOR ELEVADOR
A relação entre V2 e V1 (ou entre N2
e N1) é denominada relação de trans-
formação (n).
É também representada pelas ex-
pressões N1:N2 (ou V1:V2). O transfor-
mador acima, seria 6:3 (ou 12:6) ou
2:1. O ao lado, 3:6 (ou 12:24) ou 1:2.
A relação entre a tensão e o nú-
mero de espiras de cada enrolamento
é denominada relação Volt por espira
(V/esp).
Essa relação é representada por:
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
onde:
V1 = tensão de entrada (primário)
V2 = tensão de saída (secundário)
N1 = número de espiras do primário
N2 = número de espiras do secundário
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Considerando P1 = P2 (transformador sem perdas), podemos escrever as relações entre
primário e secundário de um transformador como:
ATENÇÃO: na fórmula acima a relação com as correntes I1 e I2 só é válida se existirem
apenas um primário e um secundário.
Para os diagramas da página anterior, caso os secundários sejam ligados a cargas de 1Ω,
teremos:
As bobinas de um transformador são ge-
ralmente enroladas em um carretel que é de-
pois inserido em um núcleo laminado de
ferro, cuja função é concentrar o campo mag-
nético gerado no primário, de forma a fazê-lo
incidir sobre o enrolamento secundário, como
mostrado à direita. Existem também transfor-
madores com núcleos de ar e de ferrite (ge-
ralmente utilizados em altas frequências),
materiais que possuem capacidades diferen-
tes de concentrar campo magnético.
Abaixo, o aspecto construtivo de um
transformador real.
Abaixo, são mostrados os símbolos
mais comuns para transformadores, o da
esquerda para circuitos eletrônicos e o da
direita para diagramas elétricos unifilares.
ENROLAMENTO
PRIMÁRIO
CAMPO
ELETROMAGNÉTICO
GERADO PELO PRIMÁRIO
NÚCLEO DE FERRO PARA
CONCENTRAR O CAMPO
ELETROMAGNÉTICO
ENROLAMENTO
SECUNDÁRIO
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
=
𝐼2
𝐼1
Para o secundário de 6V
𝐼2 =
𝑉2
𝑅
=
6𝑉
1Ω
⇒ 𝑰𝟐 = 𝟔𝑨
𝑃2 = 𝑉2 𝑥 𝐼2 = 6𝑉 𝑥 6𝐴 ⇒ 𝑷𝟐 = 𝟑𝟔𝑾
𝑷𝟏 = 𝑷𝟐 = 𝟑𝟔𝑾
𝐼1 =
𝑃1
𝑉1
=
36𝑊
12𝑉
⇒ 𝑰𝟏 = 𝟑𝑨
Para o secundário de 24V
𝐼2 =
𝑉2
𝑅
=
24𝑉
1Ω
⇒ 𝑰𝟐 = 𝟐𝟒𝑨
𝑃2 = 𝑉2 𝑥 𝐼2 = 24𝑉 𝑥 24𝐴 ⇒ 𝑷𝟐 = 𝟓𝟕𝟔𝑾
𝑷𝟏 = 𝑷𝟐 = 𝟓𝟕𝟔𝑾
𝐼1 =
𝑃1
𝑉1
=
576𝑊
12𝑉
⇒ 𝑰𝟏 = 𝟒𝟖𝑨
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31
A seguir podem ser vistos diversos tipos de transformadores. À esquerda, modelos mono-
fásicos utilizados em circuitos eletrônicos e à direita um modelo trifásico utilizado para distribui-
ção elétrica.
Exemplos de cálculo com transformadores.
A partir do diagrama abaixo, de um transformador sem perdas, determinar:
a- a corrente e o número de espiras do primário;
b- as potências no primário e no secundário.
𝐼2 =
𝑉2
𝑅
=
12
6
⇒ 𝐼2 = 2𝐴
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
⇒
220
12
=
𝑁1
100
⇒ 𝑵𝟏 = 𝟏𝟖𝟑𝟑𝒆𝒔𝒑
𝑉1
𝑉2
=
𝐼2
𝐼1
⇒
220
12
=
2
𝐼1
⇒ 𝑰𝟏 = 𝟏𝟎𝟗, 𝟏𝒎𝑨
𝑃1 = 𝑉1 𝑥 𝐼1 = 220 𝑥 0,1091 ⇒ 𝑷𝟏 = 𝟐𝟒𝑾
220V
12V
100esp
6W
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32
2.3- Retificação de Meia Onda
Quando se deseja uma fonte de 12V, tensão contínua (Vdc ou Vcc), é necessário um transfor-
mador que abaixe a tensão da rede elétrica (geralmente 110V, 127V ou 220V) para um valor bem
menor, de forma a se obter a tensão (Vdc) desejada na saída da fonte.
O diodo, como já foi visto, permiteMais conteúdos dessa disciplina
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