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Eletrônica Linear Prof. Fabiano F. Saldanha [2] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Tópicos 3 – Conceitos elétricos básicos 5 – Lei de OHM 10 – Potência elétrica 12 – Resistores 14 – Associação de resistores 16 – Divisor resistivo 17 – Leis de Kirchoff 18 – Teorema Norton e Thévenin 20 – Medindo tensão e corrente 22 – Capacitores 28 – Associação de capacitores 29 – Indutores 30 – Componentes variáveis 32 – Transformadores 33 – Diodos retificadores 37 – Diodo zener 38 – Regulador integrado 78xx e 79xx 42 – Dobradores de tensão 43 – Válvulas eletrônicas 45 – Transistores 56 – Sensores 59 – Relés 60 – Amplificadores operacionais 69 – Circuito integrado 555 73 – Transistores FET 75 – SCR, DIAC e TRIAC 79 – Encontrando base, coletor e emissor de um transistor 83 - Funcionamento dos componentes em corrente alternada [3] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Conceitos elétricos básicos Para compreendermos os conceitos da eletrônica, temos que ter os conceitos básicos da eletricidade, conceitos estes que são adquiridos em curso especifico sobre o tema, não obstante, faremos um resumo sobre os tópicos mais importantes da eletricidade, para um perfeito acompanhamento do estudo da Eletrônica. O átomo Tudo que ocupa lugar no espaço é matéria. A matéria é constituída por partículas muito pequenas chamada de átomos. Os átomos por sua vez são constituídos por partículas subatômicas: elétron, próton e nêutron, sendo que o elétron é a carga negativa (-) fundamental da eletricidade e estão girando ao redor do núcleo do átomo em trajetórias concêntricas denominadas de órbitas. O próton é a carga positiva fundamental (+) da eletricidade e estão no núcleo do átomo. É o número de prótons no núcleo que determina o número atômico daquele átomo. Também no núcleo é encontrado o nêutron, carga neutra fundamental da eletricidade. No seu estado natural um átomo está sempre em equilíbrio, ou seja, contém o mesmo número de prótons e elétrons. Como cargas contrárias se anulam, e o elétron e próton possuem o mesmo valor absoluto de carga elétrica, isto torna o átomo natural num átomo neutro. Leis das Cargas Elétricas Alguns átomos são capazes de ceder elétrons e outros são capazes de receber elétrons. Quando isto ocorre, a distribuição positiva e negativa que era igual deixa de existir. Um corpo passa a ter excesso e outro falta de elétrons. O corpo com excesso de elétrons passa a ter uma carga com polaridade negativa, e o corpo com falta de elétrons terá uma carga com polaridade positiva. CARGAS ELÉTRICAS IGUAIS SE REPELEM CARGAS OPOSTAS SE ATRAEM. [4] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Carga Elétrica Um corpo tem carga negativa se nele há um excesso de elétrons e positiva se há falta de elétrons em relação ao número de prótons. A quantidade de carga elétrica de um corpo é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que um corpo contém. O símbolo da carga elétrica de um corpo é Q, expresso pela unidade coulomb (C). A carga de um coulomb negativo significa que o corpo contém uma carga de 6,25 x 1018 mais elétrons do que prótons. Campo Eletrostático Toda carga elétrica tem capacidade de exercer força. Isto se faz presente no campo eletrostático que envolve cada corpo carregado. Quando corpos com polaridades opostas são colocados próximos um do outro, o campo eletrostático se concentra na região compreendida entre eles. Se um elétron for abandonado no ponto no interior desse campo, ele será repelido pela carga negativa e atraído pela carga positiva. Quando não há transferência imediata de elétrons do/para um corpo carregado, diz-se que a carga esta em repouso. A eletricidade em repouso é chamada de eletricidade estática. Existem vários métodos para que possamos retirar elétrons de um material e transpor para outro. Dentre estes métodos podemos citar: 1. Fricção = ao friccionarmos alguns materiais arrancamos elétrons dele para transferirmos ao outro com falta de elétrons, por exemplo: ao esfregar a lã em um pente transferimos elétrons da lã para o pente, isto pode ser constatado, pois conseguimos atrair pedaços de papel. 2. Reação química = algumas substancia químicas ácidas tem a propriedade de desprender elétrons de alguns metais para outro, exemplo: a bateria de ácido-chumbo possui uma substancia ácida por dentro que arranca elétrons das placas de chumbo e transferem para as placas de dióxido de chumbo, outra experiência que podemos fazer em casa e pegar dois limões e espetar um fio de cobre e outro de zinco no limão e ligar um voltímetro para medir a tensão oferecida pelo sistema. [5] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha 3. Força magnética = quando aproximamos um imã em frente de um (condutor) fio estamos “empurrando” os elétrons deste fio, porém a corrente gerada neste processo é chamada de Corrente Alternada, uma vez que, ao aproximarmos o imã do fio os elétrons irão se mover num sentido, porém ao retiramos o imã, os elétrons tenderão a voltar para o seu lugar de origem, logicamente eles se moverão em sentido oposto ao anterior. Então vimos que para gerar corrente elétrica temos que movimentar os elétrons, seja qual for a técnica utilizada para isto. Mas o que vem a ser: corrente elétrica, tensão elétrica e resistência elétrica, veremos a seguir. Lei de ohm Corrente Elétrica É o movimento ou o fluxo de elétrons. Para se produzir a corrente, os elétrons devem se deslocar. Tensão Elétrica A falta de elétrons em um pólo e o excesso em outro origina uma diferença de potencial (d.d.p) ou tensão elétrica. Resistência Elétrica [6] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha É a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo, Isto é, a dificuldade que um condutor oferece à passagem da corrente elétrica. Para tudo existe uma unidade de medida e para a eletricidade e a eletrônica não poderia ser diferente. Medida é um processo de comparação de grandezas que possuem um padrão único e comum entre elas. Essas grandezas possuem a mesma dimensão. Comprimento mede-se em METROS, massa mede-se em KILOGRAMA, tempo mede-se em SEGUNDOS. Corrente, Tensão e Resistência também têm suas unidades de medidas e para estuda-las utilizamos uma regra chamada LEI DE OHM. Antes de se começar a estudar a lei de ohm, há que se conhecerem as unidades de medida. A tensão é medida em Volts (V), a corrente é medida em Amperes (A) e a resistência em Ohms (ohm). A Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (U) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica (I). Quando essa lei é verdadeira num determinado resistor, este denomina-se resistor ôhmico ou linear. A resistência de um dispositivo condutor é dada pela fómula: onde: U é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou ddp) medida em Volts R é a resistência elétrica do circuito medida em Ohms I é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères E não depende da natureza de tal: ela é válida para todos os resistores, entretanto, quando um dispositivo condutor obedece à Lei de Ohm, a diferença de potencial é proporcional à corrente elétrica aplicada, isto é, a resistência é independente da diferença de potencial ou da corrente selecionada. Diz-se, em nível atômico, que um material (que constitui os dispositivos condutores) obedeceà Lei de Ohm quando sua resistividade é independente do campo elétrico aplicado ou da densidade de corrente escolhida. Um exemplo de componente eletrônico que não possui uma resistência linear é o diodo, que portanto não obedece à Lei de Ohm. Conhecendo-se duas das grandezas envolvidas na Lei de Ohm, é fácil calcular a terceira: [7] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A potência P, em Watts, dissipada num resistor, na presunção de que os sentidos da corrente e da tensão são aqueles assinalados na figura, é dada por Logo, a tensão ou a corrente podem ser calculadas a partir de uma potência conhecida: Outras relações, envolvendo resistência e potência, são obtidas por substituição algébrica: UNIDADES DAS GRANDEZAS ELÉTRICAS MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS Prefixos das Unidades: São múltiplos ou submúltiplos da unidade básica no S.I (Sistema Internacional) [8] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A força eletromotriz É comum vermos profissionais empregarem de forma completamente errada as grandezas elétricas, confundindo tensão, corrente e potência. Quem já não ouviu um profissional "competente" dizer que tal aparelho funciona com uma "corrente" de 110 V ou coisa semelhante? Vamos eliminar essa confusão! Conforme vimos, uma corrente elétrica consiste num fluxo de cargas elétricas. Para medir esta corrente a unidade usada é o ampère (A). Um ampère (1 A) corresponde a uma quantidade de cargas equivalente a 1 Coulomb (1 C) passando por um ponto de um condutor em cada segundo. Levando em conta que cada elétron (ou lacuna) tem uma carga de 1,6 x 10-19 C (Coulombs), podemos ter uma idéia de quantos elétrons estão se movendo num fio e passando por certo trecho dele quando uma corrente de 1 A está sendo conduzida. Esta quantidade é enorme, da ordem de 1 seguido de 18 zeros elétrons em cada segundo! Se você pensa que a velocidade desses elétrons é muito grande, está enganado. É neste ponto que entra então o conceito de Força eletromotriz. Como um fluxo de água num encanamento, a eletricidade precisa ser "empurrada" por uma força externa. A ação externa responsável por isso é justamente o que se denomina força eletromotriz. Em outras palavras, quando pensamos em corrente elétrica, a FEM é a causa e a corrente é o efeito. Temos então diversas formas de expressar essa força externa ou causa da corrente: A tensão elétrica pode ser medida num fio tomando como referência outro, para o qual a corrente circula. É como se tivermos um reservatório de água a 10 metros de altura e estabelecermos um fluxo de água por um cano com a saída em 5 metros de altura. A diferença entre os níveis ou pressões da água é 5 metros, conforme mostra a figura abaixo. [9] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A diferença entre os níveis dos locais entre os quais a corrente circula determina a tensão elétrica. Para a eletricidade podemos ter a caixa de água num "potencial" de 10 volts e a extremidade do fio num "potencial" de 5 volts de modo que a diferença de potencial ou ddp será de 5 volts. Em outras palavras, podemos indicar a diferença de potencial como a diferença de um ponto com mais elétrons do que o outro. E onde fica a FEM (força eletromotriz)? Bom para que a água saia do reservatório precisa existir alguma força que a “empurre”, pois é justamente a força eletromotriz a responsável por mover a água, ou melhor, os elétrons. Na pilha a força da reação química é quem move os elétrons. Nas usinas é a força magnética dos geradores e quem move os elétrons. E assim por diante... A fem também é medida em volts. Mas não confunda FEM com DDP (tensão elétrica), embora as duas medem-se em Volt. Sem termos técnicos, qualquer pessoa sabe que uma corrente de água de 100 litros por segundo é mais forte do que uma corrente de água de 10 litros por segundo. E analisando com cuidado o fenômeno da corrente elétrica, é fácil de constatar que a pilha não tem a função de fabricar elétrons. A pilha apenas armazena os elétrons que proporcionam uma "força" para colocar em movimento os elétrons do condutor, mas ao desligar a pilha, esse movimento de elétrons termina e cada átomo do condutor fica com os elétrons necessários para se neutralizar. A "força" que é capaz de estabelecer corrente elétrica chama-se força eletromotriz, e mais um exemplo: a força eletromotriz pode ser comparada com a pressão gerada por uma bomba centrífuga com a capacidade de manter circulando uma corrente de água pela canalização. Da mesma forma que a bomba centrífuga não fabrica a água, a pilha não produz os elétrons, os dois aparelhos servem apenas para gerar a pressão necessária para que a corrente se estabeleça. A bomba produz apenas uma pressão que faz com que a água se mova pela canalização, então podemso deduzir que a força eletromotriz pode ser comparada com a pressão gerada pela bomba na canalização de água. Quando o gerador elétrico funciona, estabelece uma força eletromotriz que faz circular uma corrente de elétrons pelo condutor, assim como existem bombas de diferentes tamanhos também existem pilhas e outros aparelhos elétricos capazes de produzir forças eletromotrizes diferentes. [10] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A potência elétrica Se um trabalho está sendo executado em um sistema elétrico, uma quantidade de energia está sendo consumida. A razão em que o trabalho está sendo executado, isto é, a razão em que a energia está sendo consumida é chamada Potência. Em eletricidade, a tensão realiza trabalho de deslocar uma carga elétrica, e a corrente representa o número de cargas deslocadas na unidade de tempo. Assim em eletricidade: A unidade fundamental de potência elétrica é o WATT. Resistores desprendem calor (potência) ao serem percorridos por corrente elétrica, por isso temos que tomar cuidado ao especificar um resistor no circuito, caso este resistor desprenda muita potencia. Para facilitar nossa vida, fazemos as vezes de recursos, como o circulo mágico da lei de ohm, onde apresenta-se todas as fórmulas básicas para calculo da lei de ohm. [11] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A corrente continua e a corrente alternada A corrente continua é o tipo de corrente elétrica que circula sempre no mesmo sentido. È unidirecional e conserva seus valores constantes. No circuito externo, circula no sentido do pólo negativo para o pólo positivo do gerador, o que permite afirmar que: a corrente continua tem polaridade. Por isso,antes de se fazer uso de um gerador de corrente continua,devem- se localizar seus pólos para as ligações corretas e desta forma evitar a queima de algum aparelho por inversão de polaridade do gerador de corrente continua. Sua abreviatura é C.C em inglês é conhecida por D.C (direct current). As pilhas, baterias secas e baterias de acumuladores fornecem corrente continua, Os conhecidos eliminadores de pilha que ligamos na rede elétrica para depois então ligarmos em nosso aparelho fornecem corrente continua por retificação, mas isso veremos futuramente. Acorrente alternada se comporta de forma diferente da corrente continua. A corrente alternada varia tanto de valor como de sentido quando circula por um circuito elétrico. De valor porque inicia sua circulação por 0 e alcança um valor Maximo,por exemplo 110 volts e continua sempre no mesmo sentido atevoltar a 0(zero) ;a seguir faz o mesmo porem em sentido contrario.Por isso se diz que a Corrente alternada num instante vai da rede ou gerador para o circuito que a consome e no instante seguinte vai do circuito para o gerador. Cada variação em um sentido corresponde a meio ciclo, e as duas variações ou meio ciclos em 1 segundo correspondem a um Hertz. Veja figura. A linha horizontal representa o valor 0 (zero ) a partir da qual a corrente aumenta e diminui ora em um sentido ora em sentido contrario. O meio ciclo de cima corresponde ao meio ciclo positivo e o de baixo ao meio ciclo negativo. [12] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Outra particularidade que a distingue da corrente continua é que a corrente alternada não tem polaridade. De forma que as ligações para o circuito devem ser feitas sem levar em conta o pólo positivo ou negativo do gerador, em inglês é abreviada AC (alternative current ),e em português CA ( corrente alternada ). Hertz: A quantidade de ciclos produzidos em um segundo corresponde a freqüência da corrente alternada, e sua unidade de medida é o HERTZ. Então: hertz= 1 ciclo por segundo. RESISTORES A função do resistor é limitar corrente elétrica num determinado ponto do circuito. Ele é medido em OHM ( Ω ), e segue uma tabela de código de cores para a leitura de seu valor, pois alguns resistores são pequenos demais para se escrever em seu corpo, por isso se convencionou usar cores para descrever seu valor ohmico. Os resistores podem ser fabricados com filme de carvão, metal filme, fio niquel- cromo dentre outros tipos. Abaixo vemos a construção de um com filme de carvão. Abaixo temos um resistor de fio niquel-cromo. [13] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A simbologia do resistor vem a seguir. ou A partir de agora temos que começar a nos acostumar com simbologias de componentes, uma vez que para fazermos manutenção ou projetar um circuito eletrônico, utilizamos simbolos. Abaixo temos a tabela de código de cores dos resistores. Abaixo temos a forma de leitura para resistores de 4, 5 e 6 aneis. Valor e tolerância Os resistores, a exemplo de qualquer outro componente eletrônico, apresentam pequenas variações na fabricação que fazem com que cada componente apresente valor diferente do outro mesmo que a aparência seja idêntica e que os valores nominais sejam iguais. Devido a isso, além do valor nominal do resistor, é especificada uma tolerância, [14] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha ou seja, quanto o valor daquele resistor pode variar acima e abaixo do valor nominal. Os resistores mais comuns são fabricados dentro da com tolerância de 5 ou 10% e possuem 4 faixas coloridas, enquanto os resistores mais precisos, com tolerância de 2, 1% ou menos, são marcados com 5 faixas coloridas para permitir um digito a mais de precisão. Como ler um resistor de 4 faixas Para os resistores de 4 faixas há uma cor que está mais próxima do extremo. Esta é a primeira cor a ser considerada na leitura e representa o primeiro digito do valor. A segunda cor representa o segundo digito. A terceira cor representa o fator multiplicativo. Por fim, a quarta cor representa o valor da tolerância. Por exemplo: Marrom = 1, Preto = 0, Vermelho = 2, Vermelho = 2% Resistência = 10 x 100 = 1000 O valor deste resistor será 1000, com tolerância de 2% sobre o valor nominal. Como ler um resistor de 5 ou 6 faixas Quando o resistor é de precisão, apresenta 5 faixas coloridas. Como a última faixa destes resistores normalmente é marrom ou vermelha pode haver uma confusão a respeito de onde é o lado certo para iniciar a leitura, já que a primeira faixa que representa o valor do resistor também pode ser marrom ou vermelha. Sendo assim, a exemplo do resistor de 4 faixas, o melhor fazer é observar a faixa que está mais próxima do extremo do resistor. Esta será a primeira faixa, por onde se deve iniciar a leitura. Outra dica é verificar a faixa que está mais afastada das outras. Esta é a última faixa de cor. A leitura nestes resistores é semelhante à dos resistores com 4 cores, mas é adicionada mais uma cor no inicio, fazendo existir mais um algarismo significativo na medição. Assim, os três primeiros dígitos são os algarismos significativos, o que confere maior precisão na leitura. O quarto é o elemento multiplicador. O quinto digito é a tolerância e o sexto digito (quando existir) fará referência ao coeficiente de temperatura, ou seja, como a resistência varia de acordo com a temperatura ambiente. Este último valor é dado em PPM (partes por milhão). Associação de resistores Podemos associar resistores em série e em paralelo para obtermos outros valores de resistencias. Vejamos. - associação em série: Quando resistores são conectados de forma que a saída de um se conecte a entrada de outro e assim sucessivamente em uma única linha, diz-se que os mesmos estão formando uma ligação série. Neste tipo de ligação a corrente que circula tem o mesmo valor em todos os resistores da associação, mas a tensão aplicada se divide proporcionalmente em cada resistor. Os resistores que compõem a série podem ser substituídos por um único resistor chamado de Resistor Equivalente. [15] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha E E E E RxI R xI R xI R xI Como a corrente é comum a todos os termos da equação ela pode ser simplificada (cortada) nos dois lados da igualdade: A Req de uma associação em série é igual à soma das resistências dos resistores. - associação em paralelo: Quando a ligação entre resistores é feita de modo que o início de um resistor é ligado ao início de outro, e o terminal final do primeiro ao termina final do segundo, caracteriza-se uma ligação paralela. Neste tipo de ligação, a corrente do circuito tem mais um caminho para circular, sendo assim ela se divide inversamente proporcional ao valor do resistor. Já a tensão aplicada é a mesma a todos os resistores envolvidos na ligação paralela. Analisando o circuito vemos que: I t = I1 + I2 + I3 . Pela Lei de Ohm temos que a corrente elétrica é igual a tensão dividido pela resistência, então: Como a tensão é a mesma, e é comum a todos os termos da igualdade, ela pode ser simplificada, restando então: O inverso da Req de uma associação em paralelo é igual à soma dos inversos das resistências dos resistores. Para dois resistores em paralelo é possível calcular a Req através de uma outra fórmula: [16] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha - associação mista: É o caso mais encontrado em circuitos eletrônicos. Neste caso há resistores ligados em série e interligados a outros em paralelo. Para se chegar a Req, faz-se o cálculo das associações série e paralelo ordenadamente, sem nunca “misturar” o cálculo, ou seja, associar um resistor em série a outro esteja numa ligação paralela. Considerações finais sobre a Lei de Ohm A Lei de Ohm pode ser definida como a relação entre a Tensão, a Corrente e a Resistência em um circuito elétrico de corrente contínua. Ela pode ser definida como uma constante de proporcionalidade entre as três grandezas. Ela estabelece que: A corrente elétrica em um condutor metálico é diretamente proporcional à tensão aplicada em seus terminais, desde que a temperatura e outras grandezas físicas forem constantes. Divisor resistivo de tensão O divisor de tensão consiste, basicamente, em um arranjo de resistores de talforma, a subdividir a tensão total em valores específicos aplicáveis. Diversas vezes, precisa-se de uma tensão mais baixa do que a tensão que a fonte nos fornece. Esta possibilidade nos é oferecida pelo divisor de tensão (isto também é feito através de transformadores). Seja Ve a tensão de entrada e Vs a tensão de saída do divisor de tensão, como mostra a figura abaixo, podemos escrever (você pode demonstrar !): Divisor de tensão resistivo Se medirmos a tensão de saída no resistor R1 à equação se tornaria: [17] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha No circuito da figura abaixo, mostra um divisor de tensão fixa ligada a uma carga RL. Analisando o circuito temos: Resolvendo! Temos: Leis De Kirchoff Lei de Kirchhoff para Tensão: A tensão aplicada a um circuito fechado é igual ao somatório das quedas de tensão naquele circuito. Ou seja: a soma algébrica das subidas e quedas de tensão é igual a zero (V). Então, se Temos o seguinte circuito podemos dizer que VA = VR1 + VR2 + VR3 Lei de Kirchhoff para Correntes: A soma das correntes que entram num nó (junção) é igual à soma das correntes que saem desse nó. [18] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha I1+I2= I3+I4+I5 Teorema Norton e Thévenin O teorema de Thévenin estabelece que qualquer circuito linear visto de um ponto, pode ser representado por uma fonte de tensão (igual à tensão do ponto em circuito aberto) em série com uma impedância (igual à impedância do circuito vista deste ponto). A esta configuração chamamos de Equivalente de Thévenin em homenagem a Léon Charles Thévenin 1 , e é muito útil para reduzirmos circuitos maiores em um circuito equivalente com apenas dois elementos a partir de um determinado ponto, onde se deseja, por exemplo, saber as grandezas elétricas como tensão, corrente ou potência. Resumindo: qualquer rede linear com fonte de tensão e resistências, pode ser transformada em uma Rth (resistência equivalente de Thévenin) em série com uma fonte Vth (tensão equivalente de Thévenin), considerando-se dois pontos quaisquer. EXEMPLO 1: Calcule o equivalente Thévenin no circuito abaixo: 1. colocando a fonte em curto, podemos calcular a Rth: Rth = 6 4 4.6 = 10 24 = 2,4Ω [19] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha 2. eliminando-se o curto da fonte, calcula-se agora Vth, que é a tensão nos extremos de R2 Vth = 6 4 6 . 20 = 10 120 = 12V O circuito equivalente Thévenin ficará então composto por Vth e Rth conforme ilustra a figura abaixo: Neste caso, a partir deste circuito equivalente, podemos calcular rapidamente a corrente, potência ou tensão em qualquer resistor ligado entre os pontos a e b. O teorema Norton serve para simplificar redes em termos de correntes e não de tensões, como é o caso do método de Thévenin. O teorema de Norton tal como o Teorema de Thévenin permite simplificar redes elétricas lineares, reduzindo-as apenas a um circuito mais simples: um gerador de corrente com uma resistência em paralelo. EXEMPLO 1: Calcule o equivalente Norton no circuito abaixo: (este exercício foi resolvido anteriormente pelo método de Thévenin) 3. colocando a fonte em curto, podemos calcular a RN: [20] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha RN = 6 4 4.6 = 10 24 = 2,4Ω 4. eliminando-se o curto da fonte, e colocando os pontos a e b em curto, calcula-se a corrente equivalente de Norton: IN = 4 20 = 5A O circuito equivalente Norton ficará então composto por IN e RN conforme ilustra a figura abaixo: Neste caso, a partir deste circuito equivalente, podemos calcular rapidamente a corrente, potência ou tensão em qualquer resistor ligado entre os pontos a e b, a exemplo do que ocorria com o método de Thévenin. Medindo Tensão e Corrente MEDIDA DE TENSÕES: A medida de tensões é essencial em todos os trabalhos de Eletrônica. Ela especifica o funcionamento e fornece as características de um circuito elétrico. O aparelho destinado a medir tensões é o voltímetro. A tensão entre dois pontos de um circuito é a medida do desequilíbrio elétrico entre esses pontos. Para medir a tensão entre dois pontos quaisquer de um circuito elétrico, liga-se um voltímetro em paralelo entre esses dois pontos. Todos os instrumentos de medida para utilização em tensão ou corrente contínua, tem em seus terminais uma indicação de polaridade. Essa indicação normalmente é feita com os sinais “+” e “-” ou com as cores vermelha e preta respectivamente. Tal cuidado, no entanto, não precisa ser tomado quando se mede tensões ou correntes alternadas, pois as mesmas não têm polaridade. Quando se mede tensão contínua, deve-se tomar cuidado em ligar o instrumento e conectá-lo corretamente, isto é, o terminal positivo deve ser ligado ao ponto de potencial mais alto e o negativo ao ponto de potencial mais baixo. Se o ponteiro do medidor se deslocar à direita, ele foi conectado corretamente; caso contrário, os terminais estão ligados invertidos. Para medirmos a tensão no resistor R2 ou entre os pontos A e B, utilizaremos um voltímetro. Antes de ligarmos o medidor convém lembrar que, por convenção, nos [21] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha geradores (bateria) a corrente sai do polo positivo e nos receptores (resistores) a corrente entra pelo polo positivo. Portanto, no resistor R2 (figura 1) o ponto A é mais positivo do que o ponto B, pois a corrente entra no resistor pelo ponto A; obviamente o ponto B será negativo em relação ao ponto A. Desta forma, devemos conectar o polo positivo do voltímetro no ponto A e o polo negativo no ponto B, conforme ilustra a figura 2. Se quisermos medir a tensão da associação formada por R1 e R2, isto é, a tensão entre os pontos C e B, devemos ligar o voltímetro conforme mostra a figura 3. Observe que nas três figuras apresentadas a chave interruptora (Sw1) encontra- se aberta. Logo, para que a corrente flua pelo circuito a mesma deverá ser fechada, caso contrário, o instrumento não acusará nenhuma medida. Um voltímetro de boa qualidade deve apresentar uma resistência interna elevadíssima, pois assim a corrente que ele solicita é praticamente nula e não altera o circuito original. MEDIDA DE CORRENTES: O aparelho destinado a medir corrente é o amperímetro. Quando o valor da intensidade da corrente a ser medida é muito pequena, utiliza-se um miliamperímetro ou mesmo ou microamparímetro. A intensidade da corrente que flui em um circuito depende da tensão aplicada e da natureza do circuito, como por exemplo, os resistores nele inseridos. [22] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Para se medir corrente contínua em um circuito, deve-se colocar o medidor em série, observando-se a polaridade, a exemplo do voltímetro, onde são obedecidas as mesmas convenções: sinais ou cores. A figura 4 mostra um circuito contendo uma bateria e dois resistores. Para medirmos a corrente no ponto A ou no resistor R1 ou R2, devemos seguir o seguinte critério: a) desligamos a alimentação b) interrompemos o circuito no ponto A, conforme mostra a figura 5. c) intercalamos o amperímetro, observando a polaridade, conforme mostra a figura 6. Um bom amperímetro deveter uma resistência interna bastante baixa, para não interferir no circuito. Para se medir CA (corrente ou tensão alternada) usamos o “alicate amperímetro”. OBS: voltagem e amperagem são termos incorretos a serem usados, os termos corretos usados pelos profissionais da área são: Tensão e Corrente respectivamente. CAPACITORES O capacitor é constituído por duas placas condutoras paralelas, separadas por um dielétrico. Quando se aplica uma ddp nos seus dois terminais, começa a haver um movimento de cargas para as placas paralelas. A capacitância de um capacitor é a razão entre a carga acumulada e a tensão aplicada. C = Q/V [23] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Deve-se também ter em mente que a capacitância é maior quanto maior for a área das placas paralelas, e quanto menor for a distância entre elas. Desta forma: Onde: C = capacitância A = área da placa d = distância entre as placas k = constante dielétrica do material isolante Vamos agora estudar o comportamento do capacitor quando nele aplicamos uma tensão DC. Quando isto acontece, a tensão no capacitor varia segundo a fórmula: Vc=VT(1-e-t/RC) Isso gera o seguinte gráfico Vc X t Isto acontece porque a medida que mais cargas vão se acumulando no capacitor, maior é a oposição do capacitor à corrente (ele funciona como uma bateria). Note que no exemplo abaixo ligamos um resistor em série com o capacitor. Ele serve para limitar a corrente inicial (quando o capacitor funciona como um curto). O tempo de carga do capacitor é 5t, onde t = RC (resistência vezes capacitância). No exemplo acima, o tempo de carga é: Tc= 5 x 1000 x 10-6 = 5ms. Se aplicamos no capacitor uma tensão alternada, ele vai oferecer uma "oposição à corrente" (na verdade é oposição à variação de tensão) chamada reatância capacitiva (Xc). Xc=1/2fC A oposição total de um circuito à corrente chama-se impedância (Z). Num circuito composto de uma resistência em série com uma capacitância: [24] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Podemos imaginar a impedância como a soma vetorial de resistência e reatância. O ângulo da impedância com a abscissa é o atraso da tensão em relação à corrente. Aplicações: Se temos um circuito RC série, a medida que aumentarmor a freqüência, a tensão no capacitor diminuirá e a tensão no resistor aumentará. Podemos então fazer filtros, dos quais só passarão freqüências acima de uma freqüência estabelecida ou abaixo dela. Estes são os filtros passa alta e passa baixa. Freqüência de corte: é a freqüência onde XC=R. Quando temos uma fonte CA de várias freqüencias, um resistor e um capacitor em série, em freqüências mais baixas XC é maior, desta forma, a tensão no capacitor é bem maior que no resistor. A partir da freqüência de corte, a tensão no resistor torna-se maior. Dessa forma, a tensão no capacitor é alta em freqüências mais baixas que a freqüência de corte. Quando a freqüência é maior que a freqüência de corte, é o resistor que terá alta tensão. Filtro passa baixa: Vsaída=It XC Filtro passa alta: Vsaída=It R Logicamente, se colocarmos um filtro passa alta na saída de um passa baixa, teremos um passa banda. Capacitores em CA serão melhores analisados no curso sobre radiotécnica (telecomunicação). Assim como o resistor têm “resistência” que é a propriedade de oferecer dificuldade à passagem da corrente elétrica, o capacitor tem capacitância, que é a propriedade do capacitor armazenar energia em um campo eletrostático. [25] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Materiais Dielétricos Isolantes ou dielétricos são caracterizados pelo fato de possuírem poucos elétrons livres, isto é, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo. Sem a aplicação de um campo elétrico, um átomo dielétrico é simétrico, mas na presença de um campo elétrico os elétrons se deslocam de forma a ficarem próximos da carga positiva do campo elétrico. Uma medida de como as linhas de força são estabelecidas em um dielétrico é denominada permissividade. A permissividade absoluta (e) é a relação entre a densidade de fluxo no dielétrico e o campo elétrico sobre o mesmo. A constante dielétrica então, é a relação entre permissividade de um material e a permissividade do vácuo, e é definida como: Existe uma relação entre a tensão aplicada entre duas placas paralelas separadas por um dielétrico, e a carga que aparece nestas placas. Analise o circuito abaixo: Ao fecharmos a chave, circulará uma corrente da fonte para as placas, no início alta. Quando houver um equilíbrio de cargas, isto é E = v, a corrente I tenderá a zero. Este processo é chamado “carga”, e leva um tempo muito pequeno. Um gráfico relacionando a tensão e a carga acumulada gera uma relação linear. A constante de proporcionalidade a tensão e a carga acumulada e a tensão, isto é, a inclinação da reta é a capacitância. [26] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha A unidade de capacitância é o Coulomb/ Volt, que é definida Farad. A capacitância é determinada pelos fatores geométricos A (área) e d (distância) das placas que formam o capacitor. Quando a área das placas é aumentada, aumenta a capacitância. Da mesma forma quando a separação entre as placas aumenta, a capacitância diminui. Então temos que: O capacitor assim como o resistor também tem um símbolo que pode ser visto logo a seguir. Polarizados Despolarizado Capacitores polarizados devem ser ligados ao circuito respeitando-se seu lado positivo e negativo, pois caso contrario o mesmo poderá explodir se ligado invertido! Unidade de medida A unidade de capacitância é o farad. Um capacitor de 1 farad pode armazenar um coulomb de carga a 1 volt. Um Coulomb é 6,25E18 (6,25 * 10^18, ou 6,25 bilhões de bilhões) de elétrons. Um ampère representa a razão de fluxo de elétrons de 1 coulomb de elétrons por segundo, então, um capacitor de 1 farad pode armazenar 1 ampère-segundo de elétrons a 1 volt. [27] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Um capacitor de 1 farad seria bem grande. Ele poderá ser do tamanho de uma lata de atum ou de uma garrafa de 1litro de refrigerante, dependendo da tensão que ele pode suportar. Então, normalmente, os capacitores são medidos em microfarads (milionésimos de um farad). Para ter uma idéia de quanto é um farad, pense desta forma: uma pilha alcalina AA comum contém aproximadamente 2,8 ampère-hora. Isto significa que uma pilha AA pode produzir 2,8 ampères durante uma hora a 1,5 volts (aproximadamente 4,2 watts- hora - uma pilha AA pode acender uma lâmpada de 4 watts por pouco mais de uma hora). Vamos pensar em 1 volt para tornar as contas mais fáceis. Para armazenar a energia de uma pilha AA em um capacitor, seriam necessários 3.600 * 2,8 = 10.080 farads para manter, pois um ampère-hora é 3.600 ampères-segundo. Se é necessário algo do tamanho de uma lata de atum para manter um farad, então 10.080 farads precisariam de MUITO mais espaço que uma única pilha AA. Obviamente, não é possível utilizar capacitores que armazenam uma quantidade significativa de energia, a menos que isto seja feito em altas tensões. Um capacitor vem expresso em micro-farads (μF), nano-farads (nF) ou pico- farads (pF). 1 micro-farads é igual à 0,000.001 farads 1 nano-farads é igual à 0,000.000.001 farads 1 pico-farads é igual à 0,000.000.000.001 farads Leitura de capacitores cerâmicos Capacitores cerâmicos (pois seu dielétrico é a cerâmica) vêm expresso em seu corpo o valor em pico farads,como mostra a figura abaixo, onde seu valor seria de 12000pF ou 12nF. Quando houver somente dois digitos o valor sera dado direto em pF. [28] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Neste caso acima o valor do capacitor seria de 12pF, pois não possui o terceiro numero multiplicador. Nos capacitores eletrolíticos, o valor do capacitor vem escrito direto no corpo do mesmo, como mostrado abaixo. Na foto acima temos a polaridade do capacitor, sua capacitância(390uF) sua tensão máxima (400v) e outros dados técnicos. Associação de capacitores Associação em série Quando os capacitores são conectados em série, a fem “E” é dividida pelos capacitores, e a capacitância equivalente ou total Ct, é menor que o menor dos capacitores. Analisando o circuito abaixo: Todos os capacitores adquirem a mesma carga elétrica; ou seja; Q1 = Q2 = Q3. A tensão total é igual a Et = E1 + E2 + E3. Então: [29] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Capacitância equivalente para capacitores em série. Associação em paralelo Quando dois capacitores são conectados em paralelo, a carga total adquirida pela combinação é dividida pelos capacitores da associação, e a capacitância total é a soma das capacitâncias individuais. Analise o circuito ao abaixo: Cada capacitor adquire uma carga dada por: Resumidamente, o capacitor bloqueia a passagem da CC mas “permite a passagem” da CA. INDUTORES A capacidade que um condutor possui de induzir tensão em si mesmo quando a corrente varia é a sua auto-indutância ou simplesmente indutância. O símbolo da indutância é o L e a sua unidade é o Henry (H). Um Henry é a quantidade de indutância que permite uma quantidade de indutância que permite uma indução de 1 V quando a corrente varia na razão de 1 A/ 1s. A fórmula para a indutância e o símbolo do indutor são: [30] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Os indutores em CC se comportam apenas como um condutor comum, suas propriedades são inerentes a CA, onde apresentam uma reatância indutiva a passagem da mesma. Apenas como curiosidade (já que isto é matéria de eletricidade), veja as características de uma corrente ou tensão alternada. PISCA NÉON Com o objetivo de apresentar uma função prática a tudo que estudamos até agora, segue abaixo o esquema de um circuito que utiliza um capacitor, um resistor um diodo retificador (que veremos mais adiante sua função) e uma lâmpada néon. Trata-se de um oscilador de relaxação, onde o capacitor C1 se carrega via R1 até ser atingida a tensão de disparo da lâmpada néon, algo em torno de 80 volts. Quando isto ocorre, a lâmpada produz um flash e o capacitor se descarrega parcialmente. Quando a lâmpada apagar teremos um novo ciclo de carga e depois o disparo. O capacitor C1, em conjunto com R1, determina a frequência de operação do circuito. Se precisar alterar a frequência do circuito, troque C1 e não R1. Componentes Variáveis Todo componente passivo possui também um formato, onde sua resistência, capacitância ou indutância podem ser variáveis, isto é, seus valores podem ser ajustados, quando variamos um eixo. Resistores variáveis ou Potenciômetros: [31] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Seu valor varia de acordo com a posição do eixo central, veja abaixo seu símbolo e sua construção interna. ou Resistores ajustáveis ou trimpots: São resistores iguais ao potenciômetro, porém, eles são utilizados onde necessitamos ajustar um valor de resistência que depois de calibrado, não precisa ser alterada. Seu símbolo é igual ao do potenciômetro. Abaixo temos alguns modelos de potenciômetros e trimpots. [32] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Capacitores variáveis: Assim como o resistor temos o capacitor variável, muito utilizado em rádios, onde necessitamos selecionar a frequência de alguma estação. Seu símbolo é este: E sua construção e aspecto físicos são estes: Capacitores ajustaveis ou trimmers: São capacitores que precisam ser ajustados uma única vez, como os trimpots. Seu símbolo pode ser igual ao do capacitor variável. Transformadores Transformadores são componentes que utilizam-se do fenômeno da auto- indução para transformar valores de tensão e corrente. Na maioria das vezes utilizamos transformadores para reduzir uma tensão, com o objetivo de alimentar um circuito eletrônico. Exemplo: necessitamos ligar um rádio AM-FM, que funciona somente em 9 volts!, teremos que utilizar um transformador (ou Trafo no jargão técnico), para reduzir a tensão da rede elétrica de nossa residência de 127 volts para 9 volts. Os transformadores também são amplamente estudados em eletricidade. Abaixo temos alguns modelos de transformadores utilizados em eletrônica. [33] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Seu principio de funcionamento é simples. Temos um enrolamento que chamamos de primário, onde a tensão que será transformada entra (por exemplo, os 127 da nossa casa) e o outro de secundário que será o enrolamento onde teremos a tensão de saída e transformada ou para mais ou para menos, no nosso exemplo teríamos uma saída de 9 volts. Existem transformadores para diversas tensões de saída. O transformador só funciona em CA, pois necessitamos ter variação de campo magnético para haver o fenômeno da autoindução, ele Não funciona em CC, pois neste tipo de corrente não temos variação. O símbolo do transformador vem a seguir. ou Este símbolo representa transformador com tomada central ou center-tap. DIODOS RETIFICADORES A energia elétrica, hoje disponível em grande quantidade graças às extensas redes de distribuição, apresenta-se sob a forma de Corrente Alternada Senoidal, em geral de 220V ou 110V (valores eficazes)* e frequência de 50 ou 60 Hz. Esta pode ser utilizada diretamente para acionamento de motores, aquecimento resistivo e iluminação. Outras aplicações requerem corrente contínua como, por exemplo, os processos eletrolíticos industriais, o acionamento de motores de alto conjugado de partida (utilizados em tração elétrica e controles industriais), carregadores de bateria e a alimentação de praticamente todos os circuitos eletrônicos. A obtenção de corrente contínua, a partir da corrente alternada disponível, é indispensável nos equipamentos eletrônicos. Estes, invariavelmente, possuem um ou [34] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha mais circuitos chamados Fontes de Alimentação ou Fontes de Tensão, destinados a fornecer as polarizações necessárias ao funcionamento dos dispositivos eletrônicos. Aos circuitos ou sistemas destinados a transformar corrente alternada em contínua damos o nome genérico de Conversores C.A. - C.C. (ou em inglês, A.C. – D.C, alternate current – direct current). Para transformarmos corrente alternada (CA) em corrente continua (CC) , utilizamos o diodo semicondutor ou diodo retificador. Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício). Aparência real do diodo, no mesmo alinhamento que o seu símbolo.O terminal mais próximo da barra fina é o catodo O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A. Na imagem da esquerda o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada. O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está directamente polarizado, e aberta quando o diodo está inversamente polarizado), a diferença mais substancial é que quando diretamente polarizado há uma queda de tensão no diodo muito maior do que a que geralmente há em chaves mecânicas, no caso do diodo de silício, 0,7 V; assim, uma fonte de tensão de 10 V polarizando diretamente um diodo em série com uma resistencia, fará com que haja uma [35] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha queda de tensão de 9,3 V na resistencia, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa acontece o seguinte, o diodo fará papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resitor, a tensão ficará toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo haverá uma tensão de 10 V. A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante, já que no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo fará a função de uma chave aberta, não circulará corrente elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido. RETIFICADOR DE MEIA ONDA Para o ponto A positivo em relação a B, o diodo está polarizado diretamente e conduz. A corrente circula de A até B passando pelo diodo e RL. Para o ponto A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. Tem-se corrente em RL somente nos semiciclos positivos de entrada. Os semiciclos positivos passam para a saída e os semiciclos negativos ficam no diodo. A frequência de ondulação na saída é igual à frequência de entrada. O retificador de meia onda tem baixa eficiência. Invertendo o diodo, a tensão de saída será negativa. O diodo conduz os semiciclos negativos. Os semiciclos positivos ficam no diodo. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA [36] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Este circuito é também denominado de retificador de onda completa convencional. Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB. As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C (0 V). Quando A é positivo, B é negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega ao ponto C. Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega ao ponto C. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada. RETIFICADOR DE EM PONTE O retificador em ponte dispensa o uso do transformador com tomada central. Com isto, pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica. Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D1, RL, D3 e chega ao ponto B. Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D2, RL, D4 e chega ao ponto A.. Conduzem somente dois diodos de cada vez. Quando o ponto A é positivo D1 e D3 conduzem. Quando o ponto A é negativo D2 e D4 conduzem. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada FILTRO CAPACITIVO Em onda completa o capacitor será recarregado 120 vezes por segundo. O capacitor descarrega durante um tempo menor e com isto a sua tensão permanece próxima de VP até que seja novamente recarregado. Quando a carga RL solicita uma alta corrente é necessário que o retificador seja de onda completa. [37] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Abaixo, tem-se o diagrama em blocos de uma fonte de alimentação com tensão de saída regulada. DIODO ZENER Diodo Zener (também conhecido como diodo regulador de tensão, diodo de tensão constante, diodo de ruptura ou diodo de condução reversa) é um dispositivo ou componente eletrônico semelhante a um diodo semicondutor, especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução inversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN, neste caso há dois fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito avalanche. O dispositivo leva o nome em homenagem a Clarence Zener, que descobriu esta propriedade elétrica. Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à geração de pares de elétron-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum, o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais. Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts e 24 Volts. Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodos. Um dado importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência ligada em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível. [38] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Característica corrente-tensão de um diodo zener com a tensão reversa de 17 volts. Note a mudança de escala na tensão direta e reversa. Simbologia e aspecto físico do diodo zener. Calculo do resistor para limitar a corrente no diodo zener. OBS: Na hora da compra do zener temos que ter a potência do mesmo. REGULADOR COM CIRCUITO INTEGRADO 78XX e 79XX As fontes de alimentação constituem uma parte fundamental no funcionamento de qualquer sistema eletrônico, e muitas vezes necessitamos alimentaralgum circuito que exige uma fonte com boa precisão de regulagem da tensão de saída; ou até mesmo [39] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha com algum dispositivo de proteção que nos assegure que a tal fonte, não irá se auto danificar ou até mesmo danificar o circuito que esta alimentando. Para solucionar este problema precisaríamos nos aplicar no desenvolvimento e montagem de uma fonte com alto grau de complexidade e muitos componentes especiais. Esses reguladores de tensão integrados são componentes com alto grau de confiabilidade; com eles conseguimos vários padrões diferentes de tensão juntamente com grau bem baixo de complexidade na montagem da fonte como um todo. A série 78XX são reguladores de tensão positiva, e a série 79XX são reguladores de tensão negativa; poderíamos citar as principais características válidas para as duas séries que são: - Alto grau de precisão na tensão de saída - Limitação de corrente - Proteção contra curto-circuito - Desligamento automático por excesso de aquecimento - Corrente máxima de saída de 1 Amper. As duas séries possuem três terminais de ligação, identificados como input (entrada), common (comum) e output (saída); e deve-se tomar todo cuidado para não inverter os pinos, senão poderá ocorrer a destruição imediata deste componente. Outro detalhe a ser observado é que a pinagem da série 78XX e 79XX são diferentes, e abaixo mostramos a pinagem dos mesmos na Fig abaixo. Pinagem da Série 78XX Pinagem da Série 79XX Este regulador no caso de alta dissipação irá esquentar muito, e neste caso o sistema de proteção o desativará, e após o resfriamento o mesmo voltará à operação normal. Para evitar que isto aconteça, o regulador deverá ser dotado de um dissipador de calor. Cada tipo de regulador possui uma tensão limite de entrada, e se a mesma não for observada o regulador poderá ser danificado. Na prática a tensão de entrada tem que ser pelo menos 3V acima da tensão de saída do regulador utilizado, mas não deverá ser muita alta para não acontecer muita dissipação de energia desnecessária no próprio regulador, consulte sempre o datasheet do fabricante. A carga que será ligada na saída do regulador não poderá drenar mais do que 1 Amper, pois este é o limite do regulador; porém caso seja necessário drenar correntes maiores poderá ser usados drives de saída, como será demonstrado na Fig. Abaixo. [40] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Exemplo típico de utilização do ci regulador Abaixo temos um exemplo de utilização do 79xx regulando uma tensão negativa de -9Volts. [41] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Existem outros ci‟s reguladores, por exemplo o LM317, que podemos utilizar para projetarmos fontes onde a tensão de saída pode ser ajustada. SISTEMA NO-BREAK Alguns sistemas como alarme, computadores e etc, utilizam uma bateria auxiliar no caso da fonte de alimentação principal falhar, a isto chamamos sistema no-break. [42] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Dobradores de Tensão Circuito construído a partir de dois retificadores de meia-onda em conjunto com dois capacitores para proporcionar um valor de tensão combinado. Também denominado de detector de pico-a-pico, fornece uma tensão CC de saída de duas vezes o valor da tensão de pico CA de entrada. Seu funcionamento se baseia no seguinte: em um semiciclo da tensão Vf, o diodo D1 está polarizado diretamente, conduzindo a corrente, e o diodo D2 está polarizado reversamente, bloqueando a passagem da corrente elétrica. Consequentemente, o capacitor C1 está com a polaridade correta, carregando, e o capacitor C2 com a polaridade invertida, descarregando, em série com a carga RL. No semiciclo oposto, ocorre o contrário: diodo D1 polarizado reversamente, bloqueando, diodo D2 polarizado diretamente, conduzindo, capacitor C1 com polaridade invertida, descarregando em série com a carga, e o capacitor C2 com polaridade correta, carregando. Em alternância com os semiciclos, um diodo conduz e outro bloqueia, e um capacitor carrega enquanto outro descarrega na carga a energia armazenada do semiciclo anterior. Observar que o valor dos capacitores (capacitância) deve ser o maior possível, pois se a carga consumir um valor elevado de corrente não será possível manter o valor de tensão estável entre cada semiciclo, ocasionando ondulação. [43] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha VÁLVULAS ELETRÔNICAS Antes de começarmos a falar sobre transistores vamos ver sucintamente o funcionamento de uma válvula tríodo, já que estes dispositivos podem ser considerados os precursores do transistor. Como Funciona uma Válvula Triodo ? O princípio do triodo está indicado na Figura 3-1. Esta válvula possui um catodo, uma placa e uma grade de arame no meio. Urna baixa tensão negativa é aplicada à grade. Esta tensão é chamada tensão de polarização e sua finalidade é limitar o número de elétrons que podem passar do catodo para a placa. Numa válvula triodo, a grade controla a corrente de elétron As setas indicam que muitos dos elétrons irão passar através dos espaços da grade: porém, alguns são repelidos pela carga negativa na grade. Você deve lembrar que “cargas iguais se repelem” e, portanto, a grade negativa repele alguns elétrons negativos de volta para o catodo. Quanto mais negativa for a tensão de polarização da grade, mais elétrons a grade irá repelir e menor será o número de elétrons que atinge a placa. A tensão na grade controla, de fato, o número de elétrons que atinge a placa. O fluxo de corrente é medido pelo número de elétrons que passa por um determinado ponto, a cada segundo. Pode-se ver, assim, que a tensão negativa de polarização da grade controla, de fato, a corrente na placa. Esta corrente é chamada corrente de placa (Ip). As Válvulas Triodo Lee de Forest descobriu um fato interessante ao pesquisar o funcionamento das válvulas. Se entre a placa e o catodo fosse colocada uma tela de [44] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha metal, uma tensão aplicada nesta tela poderia servir para controlar o fluxo de cargas no interior da válvula. Bastava carregar a “tela”, denominada “grade” com tensões apropriadas para se ter um controle total da corrente circulante entre o anodo e o catodo. Estava criada a válvula triodo cuja estrutura interna e símbolo são mostrado na figura 5. Na figura 6 mostramos como o controle das cargas pode ser feito: uma tensão negativa bloqueia o fluxo de cargas e uma tensão positiva deixa os elétrons passarem para o anodo, havendo assim uma corrente. Se um sinal, por exemplo, a corrente que venha de um microfone, for aplicada à grade de uma válvula, a variação da tensão na grade provocará uma variação da corrente que atravessa o dispositivo para a placa ou anodo. Esta corrente tem a mesma forma de onda do sinal aplicado, mas está amplificada. Isso significa que a válvula pode funcionar como um excelente amplificador para sinais elétricos, conforme mostra a figura. Válvula como amplificadora de sinais, comparada ao transistor. Observe as fases dos sinais nos dois casos. Nessa figura mostramos também o circuito amplificador equivalente com o conhecido transistor. [45] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha TRANSISTORES O avanço da tecnologia do estado sólido teve início com o desenvolvimento do TRANSÍSTOR, em 1948, por três cientistas (Shockley, Bardeen e Brattain) do Laboratóriode Pesquisas da "Bell Telefone", nos Estados Unidos. O nome TRANSÍSTOR é uma contração de duas palavras da língua inglesa: TRANSfer-resISTOR (resistência de transferência). Ele realiza praticamente todas as funções confiadas à válvula electrónica (detecção, amplificação, oscilação, etc.), porém com inúmeras vantagens: menor peso e tamanho, permitindo montagens mais compactas; ausência de filamentos, dispensando o aquecimento prévio para entrar em funcionamento; menor consumo de potência; operação com tensões bem reduzidas, etc. Talvez a única desvantagem que o transístor tem, em comparação com a válvula termiônica, é a sua enorme sensibilidade às variações de temperatura. Símbolos utilizados para representar os transístores BIPOLARES A ESTRUTURA DO TRANSÍSTOR BIPOLAR O transístor bipolar, cuja estrutura analisaremos a seguir, é o tipo mais comum. Ele recebe esta denominação de BIPOLAR porque em seu funcionamento participam dois tipos de portadores com cargas opostas: elétrons e lacunas livres. Este transístor é constituído por três cristais de material semicondutor dopado (cristais extrínsecos), de modo a formar duas junções "P-N". Desta forma, podemos ter dois tipos de [46] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha TRANSISTORES DE JUNÇÃO BIPOLARES, dependendo do cristal semicondutor intermédio ser P ou N (figura 1). Figura 1: Os dois tipos de transistores de junções bipolares O transístor "N-P-N" é formado por dois cristais do tipo N e por um cristal intermédio do tipo P (figura 13A), enquanto o tipo "P-N-P" é formado por dois cristais do tipo P e um cristal intermédio tipo N (figura 13B). Tanto no transístor "N-P-N" como no transístor "P-N-P", a espessura do cristal do centro é bem menor do que a dos cristais dos extremos; ela é da ordem de alguns centésimos de milímetro. O cristal do centro recebe o nome de BASE (B) e os outros dois cristais são chamados de EMISSOR (E) e de COLETOR (C). Assim, todo transístor bipolar, seja ele "N-P-N" ou "P-N-P", possui três terminais: EMISSOR, BASE e COLETOR (figura 2), e cada um deles tem um significado especial, de acordo com a função desempenhada pelo correspondente terminal. Figura 2: Os três terminais de um transistor bipolar: E = emissor; B = base; C = Colector As duas junções do transístor bipolar recebem nomes especiais: JUNÇAO BASE-EMISSOR, formada pelos cristais que constituem a base e o emissor, e JUNÇÃO BASE-COLETOR, formada pelos cristais que constituem a base e o coletor. A figura 3 mostra as duas junções, tanto nos transístores "N-P-N" como nos "P-N-P". Figura 3: As duas junções de um transístor bipolar PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSÍSTOR BIPOLAR [47] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Todo transístor bipolar, na situação de funcionamento normal, deve ter as duas junções polarizadas adequadamente. Primeiramente, vamos supor que a junção base-emissor seja polarizada no sentido direto, de acordo com a figura 4 (a figura 4A mostra um transístor "N-P-N" e a 4B um "P-N-P"). Em ambos os casos, temos uma junção "P-N‟ polarizada no sentido direto e, quando isto ocorre, a corrente que atravessa a junção e relativamente alta (10 mA). Formas Físicas dos Transistores Abaixo encapsulamento de alguns Transistores Figura 4: Junção BASE-EMISSOR com polarização direta Em seguida, imaginemos que a junção base-coletor seja polarizada no sentido inverso, conforme ilustra a figura 5 (a figura 5A mostra um transístor "N-P-N’ e a figura 5B um "P-W-P"). Neste caso, temos uma junção "P-N" polarizada no sentido inverso, e [48] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha a corrente que a atravessa é extremamente reduzida, cerca de l0 uA (1.000 vezes menor que a corrente direta). Figura 5: Junção BASE-COLECTOR com polarização inversa Se polarizarmos as duas junções simultaneamente, como geralmente se faz na prática, notaremos que haverá um aumento considerável na intensidade da corrente que atravessa a junção base-coletor, apesar dessa junção estar polariza da no sentido inverso, segundo se pode observar na figura 6 (a figura 6A mostra um transístor "N-P-N" e a figura 6B um "P-N-P"‟. Em ambos os casos, a corrente através da junção base-coletor aumentou, passando de 0,0l mA (ou 10 A, como na figura 17) para 9,5 mA. Além disso, pelo terminal da base circula uma pequena corrente (0,5 mA) e pelo terminal do emissor passa uma corrente cuja intensidade (l0 mA) é igual à soma das anteriores: 9,5 mA + 0,5 mA = l0 mA (I3 + I2 = I1). Figura 6: Junções BASE-EMISSOR e BASE-COLECTOR com polarizadas simultaneamente O fato da corrente medida no terminal do coletor (I3 = 9,5 mA) ser praticamente igual à corrente medida no terminal do emissor (I1 = lOmA), apesar da junção base- coletor estar polarizada no sentido inverso, constitui o chamado EFEITO TRANSÍSTOR. EXPLICAÇÃO DO EFEITO TRANSÍSTOR Para que se possa entender como ocorre o efeito transístor, convém mencionar duas características muito importantes do transístor bipolar: 1) A região do emissor (cristal N no transístor „N-P-N" e cristal P no transístor "P-N-P") é fortemente dopada. Desta forma, o número de portadores majoritários existentes no emissor será bem maior do que o numero de portadores majoritários da base. 2) A região da base (cristal P no transístor "N-P-N" e cristal N no transístor "P- N-P") é feita com uma espessura bem pequena, em comparação com a espessura do emissor e do coletor. Agora, vamos imaginar que um transístor "N-P-N" seja polarizado adequadamente, isto é, junção base-emissor com polarização direta e junção base- coletor com polarização inversa, conforme vemos na figura 7. Os elétrons livres, [49] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha presentes em grande quantidade no emissor (cristal N) e repelidos pelo terminal negativo da bateria V1, deslocam-se em direção à base (cristal P). Ao atingirem esta base, alguns desses elétrons (cerca de 5%) recombinam-se com as lacunas ai existentes. Contudo, corno a região da base é bastante estreita (sua espessura é da ordem de alguns centésimos de milímetro), a maior parte dos elétrons livres provenientes do emissor (cerca de 95%) conseguem atingir a região do coletor (cristal N), sem se recombinarem com as lacunas da base. Ao atingirem o coletor, aqueles elétrons livres são rapidamente atraídos pelo terminal positivo da bateria V2. Figura 7: Movimento dos electrões livres num transístor "N-P-N" À medida que os elétrons livres do emissor penetram na base, novos elétrons são fornecidos ao emissor pelo terminal negativo da bateria V1. Como apenas 5% desses elétrons do emissor se recombinam com as lacunas da base, verifica-se a passagem de urna corrente bastante reduzida através da base. É fácil concluir, por tanto, que os principais responsáveis pelas correntes que se estabelecem num transístor "N-P-N" são elétrons livres (figura 7), pois estes portadores estão em maioria, tanto no emissor como nos elétrons (cristal tipo N). Na pratica, sempre estaremos interessados em fazer com que a corrente que circula pelo terminal do coletor seja a maior possível, o que é conseguido com a alta dopagem do cristal que constitui o emissor e com a espessura bem reduzida do cristal que forma a base. Como o emissor é fortemente dopado, ele "emitirá" um número bem grande de portadores. Por outro lado, como a base é bastante estreita, a maior parte daqueles portadores atravessará sua região, atingindo o coletor. Desta forma, a corrente que passa pelo terminal do coletor será elevada, pois ela épraticamente igual á corrente que passa pelo terminal do emissor. Para o tipo "P-N-P", a explicação do efeito transístor é praticamente a mesma. A única diferença é que, neste caso, os principais portadores das correntes que se estabelecem no transístor são as lacunas, porque estas estão em maioria, tanto no emissor como no coletor (cristais tipo P). A figura 8 ilustra, resumidamente, todo este processo. Figura 8: Movimento das lacunas num transistor "P-N-P" As lacunas do emissor repelidas pelo terminal positivo da bateria V1 deslocam- se em direção a base. Como a região desta é bastante estreita, apenas 5% dessas lacunas [50] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha se recombinam com os elétrons livres aí existentes, e as restantes (95%) penetram no coletor, sendo, então, atraídas pelo terminal negativo da bateria V2. As lacunas que se recombinam provocam uma corrente de intensidade bastante reduzida, a qual passa pelo terminal da base. Nesta altura, já podemos justificar os nomes dados aos três terminais de um transístor bipolar: EMISSOR (E) é o terminal de onde partem (ou são "emitidos") os portadores de corrente (elétrons livres no tipo "N-P-N" e lacunas no tipo "P-N-P"); COLETOR (C) é o terminal onde chegam ou são "coletados"’ aqueles portadores de corrente; BASE (B), assim chamada porque nos tipos mais antigos de transístores servia de apoio ou de "base" aos cristais do emissor e do coletor. POLARIZAÇÕES DO TRANSÍSTOR BIPOLAR O funcionamento normal de um transístor bipolar ("N-P-N" ou "P-N-P") baseia- se no facto de que as duas junções são polarizadas ao mesmo tempo, da seguinte maneira: 1) A junção base-emissor é polarizada no sentido direto e, como ela apresenta uma resistência ôhmica muito baixa, também podemos dizer que ela é polarizada no sentido de baixa resistência (resistência de cerca de 1K.) 2) A junção base-coletor é polarizada no sentido inverso e, neste caso, como ela apresenta uma resistência ôhmica muito elevada, também podemos dizer que ela é polarizada no sentido de alta resistência. (esta é da ordem de l M ). Tendo em vista estes dois fatos, podemos dizer que o transístor "transfere" a corrente de uma região de baixa resistência (junção base-emissor) para uma região de alta resistência (junção base-coletor), recebendo, então, é denominado de RESISTÊNCIA DE TRANSFERÊNCIA. Na figura 9 temos um resumo das polarizações de um transístor bipolar. Figura 9: Resumo das polarizações de um transístor bipolar Existem algumas regras para que se lembre facilmente como se realizam as polarizações de um transístor bipolar. 1) Na polarização direta da junção base-emissor, os polos da bateria, lia ao emissor e à base, tem por iniciais, respectivamente, as mesmas letras que indicam o tipo de cristal: a) No tipo "N-P-N", o pelo negativo (N) da bateria é ligado ao emissor (cristal N) e o polo positivo (P) é ligado é base (cristal P), como indicado na figura 2l A. b) No tipo "P-N-P", o polo positivo (P) da bateria é ligado ao emissor (cristal P) e o polo negativo (N) é ligado é base (cristal N), conforme ilustra a figura 21B. [51] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha 2) Na polarização inversa da junção base-coletor, o polo da bateria, ligado ao coletor, tem por inicial uma letra contrária à que designa o tipo de cristal que constitui o coletor: a) No tipo "N-P-N", o coletor (cristal N) é ligado ao polo positivo (P) da bateria (figura 21A). b) No tipo "P-N -P", o coletor (cristal P) é ligado ao polo negativo (N) da bateria (figura 21B). CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR EM EMISSOR COMUM Na figura 10 temos o circuito típico de um amplificador em emissor comum, com as seguintes características: Vbb é a bateria que alimenta a base e, juntamente com R1, polariza a junção base-emissor no sentido direto; Vcc é a bateria que alimenta o coletor e, juntamente com R2, que é a resistência de carga, proporciona a polarização inversa da junção base-coletor. O sinal a ser amplificado é acoplado pelo condensador C1, à entrada do amplificador, e o sinal de saída (sinal amplificado) é recolhido por intermédio do condensador C2. O circuito com transístor "P-N-P" (parte superior da figura 10) é praticamente igual ao circuito com transístor "N-P-N" (parte inferior da figura 10); a diferença entre eles é a polaridade das baterias Vbb e Vcc. Figura 10 Amplificador em emissor comum CARACTERÍSTICAS DE UM AMPLIFICADOR EM EMISSOR COMUM: a) IMPEDÂNCIA DE ENTRADA (Ze): por definição, ela é igual ao quociente entre a tensão de entrada (Ee = tensão CA do sinal de entrada) e a corrente de entrada (Ie = corrente CA do sinal de entrada): Ze=Ee / Ie Para o amplificador em emissor comum, a impedância de entrada está compreendida entre 10 e 10K. b) IMPEDÂNCIA DE SAÍDA (Zs): por definição, ela é igual ao quociente entre a tensão CA do sinal de saída (Es), quando a saída esta em vazio (isto é, Is = 0) e a corrente CA do sinal de saída (Is), quando a saída está em curto-circuito (Es =0): Zs= Es (saída em vazio) / Is (saída em curto) [52] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha Para o amplificador em emissor comum, a impedância de saída esta situada entre 10K e 100K . c) AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE (Ai): é o quociente entre a corrente CA do sinal de saída e a corrente CA do sinal de entrada: Ai = Is / Ie Para o amplificador em emissor comum, a amplificação de corrente está compreendida entre 10 e 100 vezes. d) AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO (Av): é o quociente entre a tensão CA do sinal de saída e a tensão CA do sinal de entrada: Av = Es / Ee Para o amplificador em emissor comum, a amp1ificação de tensão está situada entre 100 e 1000 vezes. e) AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA (Ap): é igual ao produto entre a amplificação de corrente e a amplificação de tensão: Ap = Ai x Av Para o amplificador em emissor comum, a amplificação de potência está compreendida entre 1.000 e 100.000 vezes. f) RELAÇÃO DE FASE: Num circuito amplificador em emissor comum, ocorre uma defasagem de 18O entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada (180 = 180 graus). CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR EM BASE COMUM No circuito típico de um amplificador em base comum (figura 12), Vee é a bateria que alimenta o emissor e, juntamente com R1, polariza a junção base-emissor no sentido direto enquanto que R2 e Vcc polarizam a junção base-coletor no sentido inverso. O sinal de entrada é aplicado entre o emissor e a base do transístor, por intermédio do condensador C1. 0 sinal de saída é obtido entre o coletor e a base do transístor através do condensador de acoplamento C2. Figura 12: Amplificador em base comum CARACTERÍSTICAS DE UM AMPLIFICADOR EM BASE COMUM: a) IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: entre l0Ω e 100Ω. [53] Eletrônica Linear: Prof. Fabiano F. Saldanha b) IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: entre 100 KΩ e 1MΩ. c) AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: é quase igual à unidade (entre O,95 eO,99). Portanto, neste tipo de circuito não há amplificação de corrente. d) AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: entre 500 e 5.000 vezes. e) AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: entre 100 e 1.000 vezes. f) RELAÇÃO DE FASE: não há defasagem entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada. CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR EM COLECTOR COMUM Temos na figura 13 o circuito típico de um amplificador em coletor comum, também denominado SEGUIDOR DE EMISSOR. O sinal de entrada é aplicado entre a base do transístor e a massa, por Intermédio do condensador de acoplamento C1. Entretanto, devido
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