aula 01 - Eletrônica

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Introdução 
(Eletrônica 1) 
GRECO-CIN-UFPE 
Prof. Manoel Eusebio de Lima 
O que são sistemas eletrônicos? 
  Sistemas elétricos, como os circuitos da sua casa, usam corrente 
elétrica para alimentar coisas como lâmpadas, aquecedores, 
ventiladores, etc. 
  Os sistemas eletrônicos são sistemas que controlam a corrente 
elétrica, modificando suas flutuações, direção e tempo, de várias 
formas, para realizar uma série de funções, tais como: 
–  diminuir o brilho de lâmpada 
–  comunicar-se com satélites 
–  amplificar sons 
–  ……… 
Sistema eletrônico 
A eletrônica do dimmer 
neste circuito controla o 
fluxo da corrente elétrica 
para a lâmpada. 
Sistemas eletrônicos Sistemas elétricos 
Por que estudar Eletrônica 1? 
  Para entermos como manipular de forma adequada a corrente 
elétrica em sistemas que interagem, em nosso cotidiano, como 
usuários de sistemas computacionais: 
–  Amplificadores 
–  Interface de comunicação 
–  Conversão AD e DA 
–  Famílias lógicas 
–  ……………… 
  Como gerar esta corrente elétrica? 
-  Reação química 
-  Força eletromagnética 
-  ………… 
Sistemas eletrônicos 
  Estes sistemas precisam de fontes de tensão e corrente 
constantes, ou seja, fontes que possam garantir a entrega de 
energia necessária para o funcionameto correto de um 
determinado circuito. 
  Podemos assim definir dois conceitos importantes: 
–  Fonte de tensão 
–  Fonte de corrente 
Fontes de alimentação 
  Fonte de alimentação 
–  Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário 
uma fonte de energia: 
•  Fonte de tensão 
–  Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a 
ela. 
•  Fonte de corrente 
–  Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a 
ela. 
Fonte de tensão 
  Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão 
constante ao circuito conectado a ele, “independente” de sua 
carga elétrica. 
–  Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta 
uma resistência interna igual a “zero”. Ou seja, apenas a corrente 
muda no circuito em função da carga RL. 
0 Ω 
∞ 
? 
Não existe fonte de tensão capaz de fornecer 
uma corrente de valor infinito desde que toda 
fonte de tensão possui uma resistência interna 
RS 
–  Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma 
 corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a 
 mesma sempre possui uma pequena resistência interna. 
VL < V 
+ V 
RL 
I = V/RL 
- 
Fonte de tensão Real 
  Características 
–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a 
resistência de carga. 
–  Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da 
fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a 
resistência equivalente da carga do circuito. 
V=12V RL ≥ 6 Ω 
I = V/RL 
+ RS = 0,06 Ω 
Exemplo: 
 VL < V 
VL = 12 - IRS 
RL >> RS 
Fonte de corrente 
  Fonte de corrente é um equipamento que fornece uma 
corrente constante ao circuito conectado a ela, “independente” 
de sua carga elétrica. 
–  Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta 
uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda 
no circuito em função da carga RL 
–  Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase 
 constante quando o valor da resistência de sua carga é bem 
 inferior a sua resistência interna. 
+ V 
RL 
I = V/(RS+RL)≈ Constante 
RS ∞ 
Como RL é bem menor que a resistência 
interna da fonte, a corrente quase não se altera 
no circuito (I constante) 
<< RS 
Fonte de corrente 
  Características 
–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal 
seria RS -> ∞) que a resistência de carga. 
–  Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de 
carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que 
a resistência interna da fonte. 
+ V=12V 
RL = 10KΩ 
RS = 10 MΩ 
I = 12 
 (10x106+RL) 
Exemplo: 
Fonte de corrente Real 
 (simbologia) 
RS 
Fonte de corrente 
RS (10M Ω) RL 
I RL (KΩ) I(µA) 
0 1,200 
1 1,199 
10 1,198 
100 1,188 
1000 1,090 
I = 12 µA 
 (10x106+RL) 
RL (KΩ) 
I(µA) 
100 
Ponto de 99% 
Região quase ideal 
V=12V 
Como obter fontes de alimentação DC? 
  Bateria 
  Fonte AC/DC 
∼ ∼ 220V Vac + 
- 
∼/± 
Circuito retificador 
Vdc 
AC DC 
+ 
- 
Fontes de alimentação AC-DC 
  Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no 
Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz 
(senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes 
valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de 
redução aplicado. 
  Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa 
tensão, o que implica na necessidade de um transformador 
para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a 
retificação. 
∼ ∼ 220V Vac + 
- 
∼/± 
Circuito retificador 
Vdc 
Transmissão de energia elétrica 
  A energia elétrica produzida 
nas usinas hidrelétricas é 
levada, mediante condutores 
de eletricidade, aos lugares 
mais adequados para o seu 
aproveitamento. Para o 
transporte da energia até os 
pontos de utilização, não 
bastam fios e postes. Toda a 
rede de distribuição depende 
estreitamente dos 
transformadores, que ora 
elevam a tensão, ora a 
reduzem. 
http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm 
Transformador 
(eleva a tensão) 
Transformador 
(baixa a tensão) 
Linhas de transmissão 
 de alta tensão 
O transformador 
Onde: 
N2 = Número de espiras do secundário do transformador 
N1 = Número de espiras do primário do transformador 
Considere que “não há perda” no circuito magnético do transformador 
(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída 
(P1=P2). 
Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ; 
Relação tensão/número de espiras em um transformador: 
como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja, 
I1 = (N2 /N1). I2 e I2 = (N1 /N2). I1 
Voltagem 
secundária 
espiras N2 
espiras N1 
Voltagem 
primária 
∼ ∼ V1 
N1 : N2 
V2 
primário secundário 
I1 I2 
carga 
Transformador 
  Transformador isolador 
–  Este transformador se chama isolador 
porque separa galvanicamente a tensão 
de entrada da tensão de saída, através 
de dois enrolamentos totalmente 
separados, colocados em volta de um 
núcleo magnético que realiza a 
transferência de energia. O enrolamento 
da tensão de entrada é chamado de 
primário e o da tensão de saída, 
secundário. 
  Auto-Transformador 
–  O transformador que só apresenta um 
enrolamento, onde o primário e o 
secundário são eletricamente 
conectados, é chamado de 
autotransformador. 
Transformador X Auto-transformador 
  Vantagens econômicas do Auto-transformador => transformador 
–  Economiza-se cobre, correspondente ao enrolamento secundário. 
No entanto é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na 
parte comum (secundárioxprimário) circula a mesma corrente de 
antes. 
–  Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e 
portanto as perdas no ferro e o tamanho físico. 
–  Com perda menor, o rendimento também melhora. 
  Desvantagens do Auto-transformador => transformador 
–  Os autotransformadores tem o inconveniente de manter 
eletricamente unidos os circuitos primário e secundário. 
–  Se houver um rompimento nas bobinas no secundário a tensão do 
primário fica igual a do secundário. 
Tensão/Corrente Alternada (AC) 
  Tensão/corrente alternada 
Corrente: i = Ip sen(wt) 
Tensão: v = Vp sen(wt + ø) 
Legenda: 
v - tensão instantâneai - corrente instantânea 
Vp - tensão de pico 
Ip - corrente de pico 
f - freqüência 
w - freqüência angular 
t - tempo 
ø - ângulo de fase 
T - período (1 / f) 
Valores de tensão/corrente gerados 
  Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada é o valor 
equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma 
dissipação de calor em um resistor. 
  A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante 
um ciclo é dada por 
  A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na 
mesma resistência é dada por: 
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt 
2π 
0 
P= R.I2. 
+ V 
R 
I = Constante 
P= R.I2 V 
R 
i(t) = alternada 
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt 
2π 
0 
≡ 
- 
  Assim: 
  A corrente I define a corrente alternada em função da razão 
média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado 
de “valor médio quadrado (vmq ou rms)” , Irms. 
R.I2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt => I = √ (1/T)∫ i(t)2. dt = √ i(t)2médio 
2π 
0 
Valores de tensão/corrente gerados 
Irms = √ i(t)2médio 
√ i(t)2médio = Irms 
i(t)2médio 
i(t)2 
i(t) 
 RI2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt, 
Irms2 = (1/T)∫ ip2sen2(ωt) dt => Irms2 = (1/T) ip2 ∫sen2(ωt) dt => 
Irms2 = (1/T) ip2 ∫((1/2-1/2.cos(2ωt)) dt => 
Irms2 = (1/T) ip2 [ ((1/2.T-1/4.sen2(2π/T)) ] => Irms2 = ip(t)2/2 
Irms = ip(t)/ √ 2 Valor Eficaz ou valor RMS 
  Se i = i(t) = ipsen(ωt), em termos de potência: 
ip(t) 
Valores de tensão gerados 
  Corrente e tensão eficazes: 
  Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo 
(tensão de pico), ou seja, 70%. 
  Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, faz-
se referência ao seu valor eficaz. 
–  A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro 
representam seus valores eficazes. 
–  Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS). 
Irms= ip(t)/√2 Vrms = Vp(t)/√2 
o  Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas. 
 Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para 
 alimentar nossos circuitos eletrônicos? 
∼ ∼ 220V Vac + 
- 
∼/± 
Circuito retificador 
Vdc 
AC DC 
Programa do curso 
  Introdução (conceitos) 
–  Fonte de tensão 
–  Fonte de Corrente 
–  Resistores/capacitores (revisão) 
  Diodos 
–  Diodo de retificação 
–  Diodo Zener 
–  Aplicações 
  Transistor bipolar 
–  Polarização, amplificadores, 
seguidor de emissor, ... 
  Famílias lógicas: 
–  DL, DTL, TTL, CMOS 
  Amplificadores Operacionais e 
aplicações 
  Conversões AD e DA 
  Instrumentação/ferramentas 
–  Osciloscópio Digital 
–  Fontes de alimentação 
–  Gerador de funções 
–  Multímetro Digital 
  Ferramenta de CAD (Multsim) 
  Laboratórios 
  Projetos do curso 
  Dois Exercícios escolares 
Programa do curso 
  Aplicações/projetos 
–  1a unidade 
•  Fontes de alimentação 
•  amplificador 
–  2a Unidade 
•  Conversores A/D e D/A 
•  Interfaces 
  Projeto da disciplina 
–  Casa Inteligente/granja 
  Referências 
1.  Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4a Edição, Pearson Education – 
Makron Books, 2004. 
2.  Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad, 
Loius Nashelsky, 8a edição, Pearson Education – Prentice Hall, 2004. 
3.  Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 4ª edição. 
  Avaliação 
–  2 Unidades 
–  Cada unidade: 
•  1 exercício teórico 
•  1 exercício prático 
•  1 Projeto 
•  Laboratórios (listas) 
Retificação de tensão 
  Existem várias formas de retificação de onda alternada para 
contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos 
semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica 
por seu corpo em uma só direção. 
  Dentre as formas de retificação podemos destacar: 
–  Retificação de meia onda 
–  Retificação de completa com tap central 
–  Retificação de onda completa em ponte 
Retificação de meia onda 
  Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo 
valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com 
uma componente não zero, é chamado retificador. 
∼ RL V2(rms) V1(rms) 
N1 : N2 
 5 : 1 
Vdc = ? ∼ 
 0 
V(volts) 
α=ϖt π 2π 
Vp 
α=ϖt π 2π 
Retificação de meia onda 
Tensão de pico no primário: 
 Vp1 = Vrms.√2 => (120.1,414) V = 170 V 
Tensão de pico no secundário: 
 Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V 
A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha: 
 f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms 
Considere que o diodo é um diodo ideal 
∼ ∼ 
RL 
1N4001 
V2 = 24 V V1 = 120V 
N1 : N2 
 5 : 1 
Vdc = ? 
rms rms 
Retificação em meia onda 
T = 16.7 ms 
T/2 T 
V1 
170 
- 170 
V(volts) 
t(ms) 
= 16.7 
∼ 
1N4001 
V2 = 24 V 
N1 : N2 
 5: 1 
RL 
∼ V1 = 120V 
Vdc =10,8 V 
O valor médio de uma função periódica é dado por 
Vdc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área 
da meia onda) dividido pela base (T= 2 π ) 
 Vdc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π. 
 para meia onda (onda retificada): 
 Vdc=(1/T)∫ Vp sen(wt). dt = Vp/π = 0,318 Vp . 
Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V 
 Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz 
T/2 
0 
rms rms 
V(volts) 
t(ms) 
T = 16.7 V2 
34 
- 34 
Fator de ondulação 
Vdc = Vp/π = 0,318 Vp = 10,8 V 
Retificação em meia onda 
T = 16.7 ms 
T/2 T 
Fator de Ondulação(F.O) é dado por: 
tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(Vp /π) = π 
 170 
- 170 
V(volts) 
t(ms) 
= 16.7 
∼ ∼ 
RL 
1N4001 
V2 = 24 V V1 = 120V 
N1 : N2 
 5 : 1 
rms rms 
Retificação de onda completa 
  Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é 
equivalente a dois retificadores de meia onda. 
  O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador 
superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o 
semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo. 
RL Vdc V1 = 120V ∼ ∼ 
∼ 
N1 : N2 
 5 : 1 
1N4001 
1N4001 24 V 
+ 
- 
+ 
- 
=12V 
=12V 
As duas tensões V1 e v2 são idênticas 
RL Vdc=10,4V 
1N4001 
17V 
- Tensão de pico no primário: 
 Vp1 = (120.1,414) V = 170 V 
- Tensão de pico no secundário: 
 Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V (total) 
- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário 
 tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V. 
-  O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é 
 dado por: 
 Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp = 10,8V 
A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: 
 f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms 
 Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/π) = π/2 
V1 = 120V ∼ 
∼ 
N1 : N2 
 5 : 1 
1N4001 
(f1 = 60Hz) 
(f2 = 120Hz) 
diodo 
Retificação de onda completa em ponte 
  Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que 
diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um 
trafo sem tap central (tomada central aterrada). 
  A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada 
na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com 
tomada central. 
D1 
D2 
D3 
D4 
V 
∼ ∼ V1 = 120V (6OhZ) 
24 V 
- 
+ 
- 
34 V 170V 
-170V 
Tensão reversa 
Tensão reversa 
+ 
- 
D1 
D2 
D3 
D4 
V 
∼ ∼ 
Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por: 
Vp = 24/0.707 = 34 V 
Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga 
 é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V 
Vantagens deste modelo: 
1.  saída em onda completa 
2.  Tensão ideal de picoigual a tensão de pico no secundário 
3.  Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário. 
-  O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por: 
 Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp .Observe que a tensão de pico aqui é duas 
vezes a tensão de pico na retificação com tap central. 
Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora 
 é dada por: 
 f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms 
 Fator de ondulação ≈ Vp/(2.Vp/π) = π/2 
34V 
Comparação dos métodos de retificação 
Obs: Vp na retificação em ponte é igual ao dobro do valor 
de Vp para as retificação meia onda e onda completa 
com tap central. 
(Tap central) 
Tensão de 
ondulação 
Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico) 
Tp = tempo entre picos na tensão de saída 
Funcionamento: 
1.  Inicialmente o capacitor está descarregado. 
2.  Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo 
 permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico. 
3.  Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave 
 aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente 
 o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl). 
4.  O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do 
 capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o 
 período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco 
 até o próximo ciclo. 
Reduzindo Fator de ondulação - filtro 
Redução do F.O através da 
introdução de um capacitor em 
paralelo com a carga do circuito 
Capacitor – curva de carga 
  Equação de carga do capacitor 
V 
V0 
0,63 V0 
Em t = RC V0 V0 V0 
Em t = 2RC 0,86V0 
  Equação de descarga do capacitor 
V 
Vo 
Vo 
 
A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta 
como na descarga do capacitor, dada por: 
Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial 
como Assim, 
Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então 
a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por: 
Vmax Vmin 
A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin: 
T1-T2 
Vr(pp) = Vmax-Vmin= Vmax (1- e - ) 
(T2-T1) 
 RC 
=> Vr(pp) = VmaxT/2RC=Vmax/2fRC 
Fator de ondulação 
Para um circuito com retificação de meia onda 
Vr(pp) = Vmax/fRC 
Retificação em meia onda 
T = 16.7 ms 
Vmax Vmin 
Circuito retificador em ponte 
  A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte 
retificadora: 
–  Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda 
de tensão. 
 Vdc = Vp – 1.4V 
–  Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos 
estimar que: 
 Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2 
 Este é um valor médio utilizado na prática. 
 O valor de pico a pico da tensão de ondulação é menor que 10% 
do valor de pico. 
Circuito retificador em ponte 
  Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por: 
–  ID= 0,5.IL 
–  Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo. 
–  Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga 
máxima do circuito deveria ser de 2 A. 
  Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução. 
–  PIV = Vp2 
  Corrente de surto 
–  Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o 
capacitor está descarregado. 
–  O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo 
determinado. 
•  Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de 
surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo. 
•  Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários 
ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo. 
Tutorial 
  Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características: 
–  Tensão: 9*1.414 = 12.76 V DC (Trafo: 220/18V (9V-0-9V)) 
–  Retificação onda completa com tap central 
–  Corrente máxima = 100mA (plena carga) 
  Retificação: 
–  Ondulação máxima menor que 5%Vmax 
–  Considerar apenas a retificação com capacitores 
  Obs: 
–  Utilizar a retificação onda completa 
–  Demonstrar projeto no Multsim 
  Material disponível 
–  Transformador 220/18 V (com tap central (9V-0V-9V)) 
–  Diodos retificadores 1N4001 
–  Capacitor (a ser especificado) 
–  Carga para teste 
Cálculos 
  Cálculo dos componentes: 
–  Capacitor retificador: 
 Dado que o valor de ripple é 5% do valor de pico, temos que: 
Assim, o valor da capacitância da fonte pode ser dado por: 
C = Vmax/(2fRVr(pp)) 
Onde: 
f= 60 Hz 
R(carga máxima) V/I = (12.76/100*10-3)Ω = 127.6 Ω 
Vmax = 12.76V 
Daí: 
 C = 12.76/(2*60*127.6*0.635) = 0.001312 F ≅ 1312 µF 
* Utilizamos o valor comercial de 1500µF 
Vr(pp)= 5% de Vmax => Vr(pp) = 0.635V Vr(pp)=Vmax/2fRC 
Conversão AC – DC - Exemplo 
Inversão de fase 
Conversão AC - DC 
Vr(pp) 
Canal B 
(ripple) 
Canal B 
Canal A 
Revisão 
http://wiki.cecm.usp.br/wiki/Integral_do_quadrado_de_seno