ELETRÔNICA VOL. 2 - ELETRONICA ANALOGICA.pdf

5/19/2018 ELETR NICA VOL. 2 - ELETRONICA ANALOGICA.pdf

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2

www.mecatronicadegaragem.blogspot.com.br


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www.meca ron ca egaragem. ogspo .com. r


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EletrnicaVolume2



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EletrnicaEletrnica analgica

Luiz Fernando Teixeira Pinto

Rmulo Oliveira Albuquerque

2011



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Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)(Bibliotecria Silvia Marques CRB 8/7377)

P659

Pinto, Luiz Fernando TeixeiraEletrnica: eletrnica analgica / Luiz Fernando Teixeira Pinto,

Rmulo Oliveira Albuquerque (autores); Luiz Tetsuharu Saito(revisor); Jun Suzuki (coordenador). -- So Paulo: Fundao PadreAnchieta, 2011 (Coleo Tcnica Interativa. Srie Eletrnica, v. 2)

Manual tcnico Centro Paula Souza

ISBN 978-85-8028-046-3

1. Eletrnica analgica I. Albuquerque, Rmulo Oliveira II. Saito,Luiz Tetsuharu III. Suzuki, Jun IV. Ttulo

CDD 607

DIRETORIA DE PROJETOS EDUCACIONAIS

Direo: Fernando Jos de AlmeidaGerncia:Monica Gardelli Franco, Jlio MorenoCoordenao Tcnica:Maria Luiza GuedesEquipe de autoria Centro Paula SouzaCoordenao geral:Ivone Marchi Lainetti RamosCoordenao da srie E letrnica:Jun SuzukiAutores:Luiz Fernan do Teixeira Pinto, RmuloOliveira AlbuquerqueReviso tcnica: Luiz Tetsuharu Saito

Equipe de EdioCoordenao geral:Carlos Tabosa Seabra,

Rogrio Eduardo AlvesCoordenao editorial:Luiz Marin

Edio de texto:Roberto Matajs

Secretrio editorial:Antonio Mello

Revisora:Marcia Menin

Direo de arte:Bbox Design

Diagramao:LCT Tecnologia

Ilustraes:Nilson Cardoso

Pesquisa iconogrfica:Completo Iconografia

Capa

Fotografia:Eduardo Pozella, Carlos PiratiningaTratamento de imagens:Sidnei Testa

Abertura captulos: Lize Streeter/Dorling Kindersley/Getty Images

PresidnciaJoo Sayad

Vice-presidnciaRonaldo Bianchi, Fernando Vieira de Mello

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa oferece aos alunos da instituio contedo relevante formao tcnica, educao e cultura nacional, sendo tambm sua finalidade a preservao e a divulgao desse contedo, respeitados os direitos de terceiros.O material apresentado de autoria de professores do Centro Paula Souza e resulta de experincia na docncia e da pesquisa em fontes como livros,artigos, jornais, internet, bancos de dados, entre outras, com a devida autorizao dos detentores dos direitos desses materiais ou contando com a per-missibilidade legal, apresentando, sempre que possvel, a indicao da autoria/crdito e/ou reserva de direitos de cada um deles.Todas as obras e imagens expostas nesse trabalho so protegidas pela legislao brasileira e no podem ser reproduzidas ou utilizadas por terceiros, porqualquer meio ou processo, sem expressa autorizao de seus titulares.Agradecemos as pessoas retratadas ou que tiveram trechos de obras reproduzidas neste trabalho, bem como a seus herdeiros e representantes legais,pela colaborao e compreenso da finalidade desse projeto, contribuindo para que essa iniciativa se tornasse realidade . Adicionalment e, colocamo-nos disposio e solicitamos a comunicao, para a devida correo, de quaisquer equvocos nessa rea porventura cometidos em livros desse projeto.

GOVERNADORGeraldo Alckmin

VICE-GOVERNADORGuilherme Afif Domingos

SECRETRIO DE DESENVOLVIMENTOECONMICO, CINCIA E TECNOLOGIA

Paulo Alexandre Barbosa

Presidente do Conselho Deliberativo

Yolanda SilvestreDiretora SuperintendenteLaura Lagan

Vice-Diretor SuperintendenteCsar Silva

Chefe de Gabinete da SuperintendnciaElenice Belmonte R. de Castro

Coordenadora da Ps-Graduao,Extenso e PesquisaHelena Gemignani Peterossi

Coordenador do Ensino Superiorde GraduaoAngelo Luiz Cortelazzo

Coordenador de Ensino Mdio e TcnicoAlmrio Melquades de Arajo

Coordenadora de Formao Inicial eEducao ContinuadaClara Maria de Souza Magalhes

Coordenador de Desenvolvimentoe Planejamento

Joo Carlos Paschoal Freitas

Coordenador de InfraestruturaRubens Goldman

Coordenador de Gesto Administrativae FinanceiraArmando Natal Maurcio

Coordenador de Recursos HumanosElio Loureno Bolzani

Assessora de ComunicaoGleise Santa Clara

Procurador Jurdico ChefeBenedito Librio Bergamo

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de So Paulo, resulta de umesforo colaborativo que envolve diversas frentes de trabalho coordenadas pelo Centro Paula Souza e editado pela Fundao Padre Anchieta.A responsabilidade pelos contedos de cada um dos trabalhos/textos inseridos nesse projeto exclusiva do autor. Respeitam-se assim os diferen-tes enfoques, pontos de vista e ideologias, bem como o conhecimento tcnico de cada colaborador, de forma que o contedo exposto pode norefletir as posies do Centro Paula Souza e da Fundao Padre Anchieta.



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Apresentao

Em cursos anteriores, abordamos os temas circuitos eltricos em corrente cont-nua e em corrente alternada. Vimos que a montagem de um circuito eltrico feita interligando, com fios, componentes passivos diversos. Nos circuitos eltri-cos, os dispositivos que controlam o fluxo da corrente costumam ser mecnicos,tais como chaves, potencimetros e outros.Em um circuito eletrnico, mesmo tendo alguns componentes mecnicos, ofluxo de corrente , em geral, controlado por outros dispositivos, chamadosde ativos, interligados em uma placa. Em eletrnica, em vez de usar apenascomponentes mecnicos no circuito para controlar o fluxo de corrente, so uti-lizados tambm dispositivos eletrnicos, isto , podemos dizer que a eletricida-de controla a eletricidade. Essa a principal diferena entre circuito eltrico ecircuito eletrnico.

A eletrnica fundamentada em dispositivos semicondutores, ou seja, compo-nentes feitos de um material denominado semicondutor, que apresenta caracte-rsticas totalmente distintas dos materiais condutores metlicos e dos isolantes.

A partir da decada de 1950, a utilizao dos dispositivos eletrnicos semicondu-tores provocou mudanas significativas na sociedade, pois possibilitou a monta-gem de aparelhos eletrnicos com aplicaes em ramos de atividade industrial,comercial e residencial, entre outros.O avano em pesquisa e desenvolvimento de dispositivos semicondutores pos-sibilitou o surgimento de empresas especializadas em eletrnica, conhecidas,em conjunto, como indstria eletrnica. Essa s empresas comearam a produzirbens de consumo eletrnicos, como aparelhos de rdio e televiso, telefones ecomputadores. ambm modificaram significativamente os meios de comu-nicao, sobretudo com a criao do satlite e, mais tarde, da internet. H50 anos um acontecimento local levava horas para ser difundido e chegar aoconhecimento de outras pessoas de comunidades distantes. Hoje sua transmis-so praticamente instantnea ou com atraso de poucos segundos, e tudo issograas pesquisa e ao desenvolvimento de dispositivos semicondutores e outroscomponentes da indstria eletrnica.

Bons estudos!

Os autores



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Sumrio17 Captulo 1

Instrumentos

1.1 Osciloscpio analgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2 Composio de movimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3 Tenso dente de serra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4 Osciloscpio padro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.5 Medio de tenso contnua. . . . . . . . . . . . . . . . . 281.6 Medio de tenso alternada . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.7 Gerador de funes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.7.1 C iclo de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.8 Offsetde tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.9 Multmetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.9.1 Instrumentos True RMS . . . . . . . . . . . . . . . 33

35 Captulo 2Semicondutores

2 .1 Classificao dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2 .2 Semicondutor intrnseco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2 .3 Semicondutor extrnseco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2 .3.1 Semicondutor tipo N . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2 .3.2 Semicondutor tipo P . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4 Juno PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.4.1 Juno PN com polarizao reversa . . . . . 43

2.4.2 Juno PN com polarizao direta . . . . . . . 43

2.5 D iodo de juno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.1 Curva caracterstica do diodo . . . . . . . . . . 45

2.5.2 Diodo polarizado diretamente . . . . . . . . . 47

2.5.3 Diodo polarizado reversamente . . . . . . . . 48

2.5.4 Modelos (circuitos equivalentes) para

diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.5.5 Anlise grfica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.5.6 Teste de diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.6 Diodo varicap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.7 Diodo Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

59 Captulo 3Aplicaes de diodos semicondutores

3.1 Retificador de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2 Retificador de meia onda com filtro capacitivo . . 63

3.3 Ret ificador de onda completa . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.3.1 Retificador de onda completa com

center tap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

3.3.2 Retificador de onda completa em ponte . . 68

3.4 Retificador de onda completa com filtro

capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.5 Ponte retificadora como componente . . . . . . . . . 71

3.6 Dobrador de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.7 G rampeador de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.8 Limitadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.9 Diodo Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

81 Captulo 4Transistores bipolares

4.1 Construo bsica e princpio de funcionamento 82

4.1.1 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2 Operao do transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

GORDONHEELEY/SHUTTERSTOCK

VILAX/SHUTTERSTOCK

VILAX/SHUTTERSTOCK

Capa:Thais Alves de Godoyaluna do Centro Paula SouzaFoto:Eduardo Pozella eCarlos Piratininga



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Sumrio4.3 Curvas caractersticas de coletor . . . . . . . . . . . . 87

4.4 Regies de operao: reta de carga . . . . . . . . . . . 88

4.5 Potncia dissipada: dissipadores . . . . . . . . . . . . . . 92

4.6 Conexo Darlington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.7 Teste de transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.8 Leitura dos cdigos em semicondutores . . . . . . . 95

4.8.1 Pro-Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.8.2 Joint Electron Device Engineering

Council ( Jedec) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.8.3 Japanese Industrial Standard (JIS) . . . . . . . 97

4.8.4 Outras formas de especificao . . . . . . . . . 98

4 .9 Circui tos de polarizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.9.1 Polarizao por corrente de base

constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.9.2 Polarizao por divisor de tenso na base 101

4 .10 Regu ladores de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.10.1 Regulador de tenso em srie . . . . . . . . 104

4.10.2 Reguladores integrados de trs

terminais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

111 Captulo 5

Amplificadores5.1 Capacitores de acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . .112

5.2 Capacitores de desacoplamento . . . . . . . . . . . . .113

5.3 Amplificador emissor comum de pequenos

sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

5.3.1 Modelo simplificado do transistor em

baixas f requncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.4 Anl ise de amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116

5.4.1 Circuito equivalente CC de um

amplificador emissor comum . . . . . . . . . . .116

5.4.2 Circuito equivalente CA de um amplificador

emissor comum para pequenos sinais . . . .117

5.4.3 Amplificador EC com realimentao

parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.4.4 Mais sobre amplificador EC com resistncia

de fonte e carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.5 Ampl ificador coletor comum . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.6 Ampl ificadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . .131

5.6 .1 Amplificador cl asse A . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.6 .2 Amplificador cl asse B . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.6.3 Amplificador classe AB. . . . . . . . . . . . . . . 134

5.6.4 Amplificador classe C. . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.6 .5 Amplificador classe D . . . . . . . . . . . . . . . 136

139 Captulo 6Transistor efeito de campo

6.1 Transistor efeito de campo de juno . . . . . . . . 140

6.1.1 Curvas caractersticas de dreno . . . . . . . . 143

6.1.2 Curva caracterstica de transferncia . . . 1446.1.3 Transcondutnci a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.1.4 O princpio de funcionamento como

amplificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

6.1.5 Polarizao do JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6.1.6 Amplificador de pequenos sinais . . . . . . . 155

WIKEMEDIA.ORG



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Sumrio6.2 Transistor MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

6.2.1 Funcionamento do MOSFET tipo

crescimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.2.2 Funcionamento do MOSFET tipo

depleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

6.2.3 Polarizao e amplificador . . . . . . . . . . . . 163

6.2.4 Inversor CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.2.5 MOSFET de potnci a . . . . . . . . . . . . . . . . 164

167 Captulo 7Amplificadores diferenciais e operacionais

7.1 Amplificador diferenci al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7.1.1 Amplificador diferencial com fonte de

corrente simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

7.1.2 Amplificador diferencial com

realimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

7.2 Amplificador operacional integrado . . . . . . . . . . .176

7.2.1 Amplificadores bs icos . . . . . . . . . . . . . . . 179

7.2.2 Caractersticas de um amplificador

operacional real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

7.2.3 Erros de offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197

7.2.4 Aplicaes lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.2.5 Apl icaes no l ineares . . . . . . . . . . . . . . 231

245 Captulo 8Temporizador 555

8.1 Circuito integrado 555 como monoestvel . . . . 249

8.1.1 Aplicaes do monoestvel . . . . . . . . . . . 251

8.1.2 Cadeia de monoestveis . . . . . . . . . . . . . . 254

8.2 Circuito integrado 555 como astvel . . . . . . . . . 255

8.3 Circuito integrado 555 como biestvel . . . . . . . 259

261 Captulo 9Transistor unijuno

9.1 Oscilador de re laxao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

9.2 Gerador de dente de serra . . . . . . . . . . . . . . . . 265

269 Captulo 10Tiristores

10.1 SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

10.1.1 Modos de operao . . . . . . . . . . . . . . . . 271

10.1.2 SCRs comerci ais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10.1.3 Teste do SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

10.1.4 Disparo por CC e carga CC . . . . . . . . . . 275

10.1.5 Disparo por CC com carga CA . . . . . . . 277

10.1.6 Disparo CA com carga CA . . . . . . . . . . 278

10.1.7 Retificador de onda completa

controlado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

10.1.8 Circuitos de disparo em CA . . . . . . . . . . 283

10.1.9 D isparo por pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28510.1.10 Transformador de pulsos . . . . . . . . . . . 286

10.2 DIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

10.2.1 DIACs comerci ais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

10.3 TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

10.3.1 Modos de operao . . . . . . . . . . . . . . . . 290

10.3.2 TRIACs comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

SERGEI DEVYATK

BRAGINAXELEY/SHUTTERSTOCK



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Captulo 1

Instrumentos

Sumrio10.4 Aplicaes do DIAC e do TRIAC . . . . . . . . . . 292

10.4.1 Chave esttica CA assncrona . . . . . . . . 292

10.4.2 Chave esttica CA sncrona . . . . . . . . . . 293

10.4.3 Controlador de luminosidade dimmer 294

10.4.4 L uz automtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

10.5 PUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

10.6 Circuito integrado TCA 785 . . . . . . . . . . . . . . 29810.7 IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

10.7.1 Corrente de cauda . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

10.7.2 Diodo em antiparalelo . . . . . . . . . . . . . . 302

10.7.3 IGBT ligado em paralelo . . . . . . . . . . . . . 303

305 Captulo 11

Optoeletrnica

11.1 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

11.1.1 F otorresistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

11.1.2 Fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

11.1.3 F ototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

11.1.4 Clula solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

11.2 Emissores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

11.3 Acoplador ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314

11.4 I nterruptor ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31811.5 Refletor ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

321 Referncias bibliogrficas

DAVID J.GREEN - ELECTRICAL/ALAMY/OTHER IMAGES



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ELETRNICA 2

18

N este captulo, apresentaremos uma breve introduo sobre trs ins-trumentos frequentemente utilizados nos cursos de eletrnica e naindstria: o osciloscpio, o gerador de funes e o multmetro.O primeiro empregado para observar e medir as formas de onda de tenso; osegundo, para gerar diversas formas de onda de tenso; e o terceiro, de uso mai s

comum, para medir tenso, corrente e resistncia, entre outras funes.

1.1 Osciloscpio analgicoO osciloscpio um instrumento utilizado para visualizar a forma de onda dossinais, possibilitando anlises qualitativa e quantitativa dos c omponentes eletr-nicos que geram as diversas formas de onda (figura 1.1).

Figura 1.1(a) Osciloscpio analgico

e (b) osciloscpio digital.

Existem diferentes modelos de osciloscpios. Vamos conhecer alguns de seuscomponentes e as respectivas funes. Os modelos mais simples so dotadosde um tubo de raios catdicos (RC) com uma tela transparente revestida dematerial fluorescente. Quando o feixe de eltrons incide em sua superfcie, dei xauma impresso (um ponto luminoso) visvel na parte externa da tela do tubo.

A trajetria do feixe de eltrons pode ser alterada antes de atingir a tela fluores-cente. O desvio ocorre em decorrncia das tenses aplicadas entre placas coloca-das horizontal e verticalmente, permitindo que a forma de onda seja visualizada.

O material empregado para cobrir a tela do RC chamado de fsforo. Existemvrios tipos de fsforo, um para cada aplicao. Por exemplo, o P1 usado paraobservao visual de fenmenos de mdia velocidade e tem persistncia de cercade 15 ms depois de o feixe ser removido. J o P7 utilizado para observao defenmenos lentos, com persistncia de cerc a de 10 s, ideal para uso em equipa-mentos de monitorao de pacientes em hospitais. O grande inconveniente quea tela pode ser danificada caso o feixe de eltrons seja mantido em um mesmo

ponto por muito tempo.

Ao redor do RC existe uma blindagem magntica feita de uma lig a especialde ao. Sua funo inibir a ao de campos magnticos externos que possamdistorcer o feixe de eltrons. importante ressaltar que a deflexo do feixe deeltrons (desvio) pode ser efetuada com a aplicao de um campo eltrico pormeio de placas ou um campo magntico gerado por bobinas indutoras. No casodo osciloscpio, a deflexo eletrosttica, ou seja, d-se atravs de placas, poisbobinas so adequadas somente em bai xas frequncias. Por exemplo, nos tubosde V, a frequncia da ordem de 15 kHz, enquanto, no osciloscpio, atingecentenas de MHz.

A figura 1.2 uma representao esquemtica do RC e seus principais eletro-dos de controle do feixe de eltrons.

grade de

controle

placas de

deflexo

vertical

filamento e

catodo

anodo de

focalizao

anodo de

acelerao

placas de

deflexo

horizontal

revestimento interno de Aquadag

tela revestidade material

fluorescente

MAT

Figura 1.2Estrutura simplificada deum tubo de raios catdico

GORDONHEELEY/SHUTTERSTOCK

VILAX/SHUTTERSTOCK

a)

b)



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ELETRNICA 2

20

Uma tenso aplicada entre as PDV provocar um movimento do feixe na verti-cal. A figura 1.3 mostra as PDV submetidas a vrias condies de tenso, inclu-sive tenso nula.

MAT(muito alta tenso) uma tenso aplicada na superfcie do Aqua-dag. O circuito fechado por meio dela.

Catodo Fonte de emisso do feixe de eltrons. Consiste em um pequenocilindro coberto por uma camada de material (xido de terras raras) queemite eltrons ao ser aquecido.

Filamento Est localizado no interior do catodo, mas isolado dele. Aoser submetido a uma tenso, o filamento se aquece e emite ca lor. O catodo,por estar prximo, tambm se aquece, provocando a emisso do feixe deeltrons.

Grade de controle Permite aumentar ou diminuir o fluxo de eltrons docatodo para o anodo.

Anodo de focaliza o Eletrodo que funciona como uma lente, direcio-

nando o feixe para a tela.

Anodo de acelerao Ligado a uma tenso positiva, esse eletrodo tem afuno de acelerar os eltrons em d ireo tela, para que adquiram energiasuficiente para produzir um ponto e gerar a fluorescncia.

Placas de deflexo vertical (PDV) Nelas aplicada a tenso do sinalque se deseja ver na tela. O movimento do feixe de eltrons na vertical de-pende da polaridade e intensidade da tenso.

Placas de deflexo horizontal (PDH) Nelas aplicada a tenso dentede serra. A finalidade dessas placas manter constante a velocidade do feixe deeltrons e possibilitar que ele se desloque da esquerda para a direita na tela.

Aquadag Material condutor base de grafite que tem a funo de coletaros eltrons emitidos pelos tomos da tela de fsforo (emisso secundria,que ocorre depois de os eltrons provenientes do catodo atingirem a tela).

a) b) c) d)

Figura 1.3PDV submetidas a tenses

contnuas e alternada:(a) tenso nula,

(b) placa superior positiva,(c) placa superior negativa e

(d) tenso senoidal

entre as placas.

Se for aplicada uma tenso senoidal de frequncia suficientemente alta entreas placas verticais, o ponto se deslocar rapidamente de baixo para cima e, porcausa da rapidez do movimento e da persistncia da luminosidade na tela, servisualizada uma linha contnua na vertical.

A figura 1.4 apresenta as imagens observadas na tela frontal em quatro situaes:quando a tenso aplicada nas PDV nula, quando a placa superior positiva, quan-do a placa superior negativa e com a tenso senoidal de frequncia suficientemen-te alta. importante notar que o tamanho do trao est relacionado amplitude datenso: quanto maior a tenso, maior o tamanho do trao na vertical. Portanto, possvel medir o valor da tenso.

O mesmo raciocnio utilizado na anlise das PDV vale para as PDH, isto ,aplicando uma tenso entre essas placas, o feixe se deslocar na horizontal. Afigura 1.5 mostra as placas vistas de cima e de frente.

Na figura 1.6, observam-se as vrias t rajetrias dos feixes (imagens superiores) eas possibilidades para a tenso aplicada nas PDH (imagens inferiores).

a) b) c) d)

Figura 1.4Vista frontal da telado osciloscpio:(a) tenso nulaentre as PDV,(b) placa superior positiva,(c) placa superior negativa (d) tenso senoidal.

VC

VF

Figura 1.5Vista de cima (VC) e vistafrontal (VF) das PDH.



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ELETRNICA 2

22

1.2 Composio de movimentos

Se for aplicada tenso ao mesmo tempo nas PDV e PDH, haver uma composi-o de movimentos. Como resultado, o feixe de eltrons se deslocar de acordocom a intensidade e polaridade das tenses aplicadas, como exemplificado nafigura 1.7.

VC

VF

a) b) c) d)

Figura 1.6Vista de cima e vista frontal quando as PDH so submetidas a tenses contnuas e alternadas:(a) tenso nula, (b) placa esquerda positiva, (c) placa esquerda negativa e (d) tenso senoidal.

Figura 1.7Tela frontal mostrando o

ponto de incidncia dofeixe de eltrons para

diferentes combinaesde tenses aplicadas

nas PDV e PDH.

1.3 Tenso dente de serra

Uma tenso dente de serra (DS), indicada na fig ura 1.8, cresce linearmente como tempo, sendo usada como base de tempo para deslocar linearmente o feixe deeltrons na horizontal.

Caso seja aplicada entre as PDH uma tenso dente de serra de frequncia suficien-temente alta, aparecer, por causa da persistncia do material qumico depositadona superfcie da tela, uma linha contnua na horizontal. Se a tenso entre as PDVfor nula, o feixe estar centralizado (figura 1.9a). Caso a placa superior seja positivaem relao inferior, o feixe ser atrado para cima (figura 1.9b). Se a placa superiorfor negativa em relao inferior, o feixe se deslocar para baixo (figura 1.9c).

Se um osciloscpio estiver calibrado, possvel medir a tenso observando o des-locamento do feixe na tela. Levemos em conta os exemplos da figura 1.9. Supon-do que o ganhoesteja calibrado em 2 V/diviso, no primeiro caso, sem tenso(referncia 0 V), o trao permanecer no meio. No segundo exemplo, como ofeixe subiu trs divi ses, a tenso medida 2 (V/div) 3(div) = 6 V (em relao referncia adotada). No terceiro caso, adotando a mesma referncia, como o des-locamento foi trs divises para bai xo, o valor o mesmo, mas negativo: 6 V.

+V

0

V

Figura 1.8Tenso dente de serra (DS

DS DS

DS

DSDS

DS DS

DSDS

+V

a) b) c)

0

V

Figura 1.9Tela frontal com tenso dede serra aplicada nas PDH(a) tenso nula nas PDV,(b) tenso positiva nas PDV(c) tenso negativa nas PD

Ganho, no casodo osciloscpio,refere-se amplitudedo sinal visto na tela.



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ELETRNICA 2

24

Se fosse aplicada uma tenso quadrada (+6 V/6 V) de mesma frequncia dodente de serra, o que seria observado na tela do osciloscpio? E se o dente deserra tivesse a frequncia reduzida pela metade? As figuras 1.10a e 1.10b mos-tram essas possibilidades.

Podemos concluir que, para visualizar determinada forma de onda na tela do os-ciloscpio, a frequncia da forma de onda deve ser maior que a do dente de serra.Na prtica, para isso, ajustamos a fre quncia do dente de serra (base de tempo)at aparecer na tela mais de um ciclo da forma de onda.

1.4 Osciloscpio padro

Vamos conhecer outras particularidades do osciloscpio analgico padro. Esseequipamento apresenta, na maioria das vezes, um painel frontal semelhante aoda figura 1.11 (osciloscpio de dois canais); a posio dos botes no painel decontrole pode ser diferente, dependendo do fabricante. Antes de tudo, precisosaber identificar as funes dos botes no painel de controle frontal e como seestabiliza a imagem da forma de onda na tela.

PDV PDV

PDH PDH

1avarredura

2avarredura

2avarredura

1avarredura

a) b)

Figura 1.10Tenso dente de serraaplicada nas PDH com

(a) tenso quadradade mesma frequncia

nas PDV e(b) tenso quadrada

de frequncia duasvezes maior nas PDV.

Volts/div Volt s/div

DC

Time/div

GNDAC INT E XT REDE + SINCR

Liga Foco Cal.Canal A Canal B

Entr.VerticalEntr.Horiz. (Sincr.Ext.).

Figura 1.11Tela frontal do osciloscpio

analgico padro.

Os principais controles do osciloscpio so:

Chave Liga Liga/desliga o osciloscpio e possibilita o ajuste de intensidade debrilho.

Chave AC/GND/DC Na posio AC, insere internamente um c apacitor, im-pedindo a passagem de tenses contnuas; deve ser usada para medir a ondula-o (ripple) de uma tenso. Na posio GND, aterra o amplificador vertical, es-tabelecendo o zero de referncia. Na posio DC, deixa passar o sinal e a com-ponente contnua deve ser utilizada quando se deseja observar um sinal de valormdio. A figura 1.12 mostra as trs condies.

Volts/div Permite alterar a sensibilidade na vertical, associando cada divisona vertical a um valor em volts. Por exemplo, 1 V/div significa que, se o sinalocupar uma diviso, porque a tenso aplicada entre as placas verticais 1 V.

Controle de posio vertical (Y pos) Desloca o trao na vertical.

Controle de posio horizontal (X pos) Desloca o feixe horizontalmente.

Time/div Varredura ou base de tempo. Gradua, em segundos, cada divisoda tela na horizontal. Essencialmente, muda a frequncia do dente de serra. Porexemplo, o valor 1 ms/div significa que, se um ciclo do sinal oc upar uma divisona horizontal, seu perodo ser de 1 ms.

Chave INT/EXT/REDE Na posio IN, permite a utilizao do sincronis-mo interno. Na posio EX, d acesso entrada de sincronismo externo. Naposio REDE, sincroniza a varredura com a rede eltrica.

Chave +/ Permite selecionar a polaridade de sincronismo da forma de ondana tela.

Nvel de sincronismo (SINCR) Permite o ajuste de sincronismo, ou seja, destabilidade para a forma de onda, mantendo a onda parada na tela.

entrada

verticalpara o amplificador vertical

AC

DC

GND

Figura 1.12Chave seletora de entrada



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ELETRNICA 2

26

Cal. Sada de um sinal (onda quadrada) interno de frequncia e amplitudesdefinidas (em geral 1 VPP/1 kHz); utiliz ado para calibrao (figura 1.13).

Na figura 1.13, a sada calibrada est ligada ao canal 1 por pontas de prova, pelasquais o osciloscpio recebe a informao do meio exterior (o sinal). As pontaspodem ser atenuadas ou no. Ponta atenuada significa que um sinal de 10 VPPdividido por 10 e, portanto, efetivamente o osciloscpio recebe 1 VPP. Ento, aoler esse valor na tela do osciloscpio, necessrio multiplic-lo por 10. Na pontade prova sem atenuao, o valor que aparece na tela igual ao valor medido.

As pontas de prova com atenuao possuem uma chave que pode estar na posi-o x1 ou x10. Alm disso, existe outro ajuste na ponta de prova, que o c apaci-tor de compensao, explicado a seguir.

De maneira geral, o circuito da figura 1.14a representa a ponta de prova com aimpedncia de entrada (R2) do osciloscpio (que normalmente MM) ea resistncia de atenuao (R1, que vale9 M se a impedncia de entrada for1M). C2representa a capacitncia parasitria, que decorrente da fiao.

Na figura 1.14b observa-se o circuito com compensao. Sem nenhuma com-pensao, a forma de uma onda quadrada apresenta uma distoro que podeocorrer por sobretenso (overshoot) ou subtenso (undershoot). A compensao feita por um capacitor varivel colocado na ponta de prova para que resulte emuma forma de onda per feitamente quadrada. A figura 1.14c representa as formasde onda.

Para que a compensao resulte em uma forma de onda quadrada perfeitana tela do osciloscpio, a relao entre os componentes da figura 1.14b dada por:

C R

RC

1

2

1

2= (1.1)

Canal 1CaL Canal 2

Volts/div

Volts/div

Time/div

1ms

Figura 1.13Sada calibrada,

ligada ao canal 1.

muito comumo uso apenas do

mltiplo da unidadenos casos em que

ela est claramentesubentendida(nesse caso, o

ohm). A inteno

do emprego nestelivro proporcionarao leitor uma viso

ampla do que seencontra na prtica.

A figura 1.15 mostra o aspecto de uma ponta de prova.

Entradas verticais Conectores que permitem entrar com um sinal no amplifi-cador vertical antes de ser aplicado nas PDV. No caso de osciloscpio duplo ca-nal, so duas entradas. Por exemplo, ligando o sinal calibrado (1 VPP/1 kHz) aocanal 1 e ajustando Volts/div = 1 V/div e ime/div = 1 ms/div, aparecer na telado osciloscpio a forma de onda da figura 1.16a. Caso os ajustes sejam Volts/div= 0,5 V/div e ime/div = 0,5 ms/div, a mesma onda quadrada aparecer como na

para osciloscpio para osciloscpio

Ve

R1

R1 C1

Ve

R2

R2

C2

C2

a) b)

c)

(1 M) (1 M)

(9 M)(9 M)

C1correto

C1muito pequeno

C1muito alto

Figura 1.14Circuito de entradado osciloscpio:(a) sem capacitor decompensao,(b) com capacitor decompensao e(c) formas de ondacom compensao esem compensao. Osvalores das resistnciasesto em megaohm.

Figura 1.15Ponta de prova.

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ELETRNICA 2

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figura 1.16b. Na figura 1.16c, os ajustes considerados foram Volts/div = 0,2 V/dive ime/div = 0,2 ms/div.

Qual das trs imagens mai s adequada para visualizao? Com certeza a da telarepresentada na figura 1.16c, pois apresenta mais preciso. Portanto, as escolhasdo ganho vertical e da base de tempo so dois fatores importantes para boa vi-sualizao da imagem.

1.5 Medio de tenso contnua

Uma tenso contnua aparece na tela do osciloscpio como uma linh a contnua.Para medir seu valor, conta-se na tela o nmero de divises, a parti r da refernciazero, e multiplica-se esse nmero por volts/diviso:

medida n dedivises volts

diviso

o=

Para realizar a medio, deve-se obter a linha c ontnua ajustando a base de tem-po em 1 ms/div, manter a entrada em GND e deslocar o trao para uma posioadequada na primeira linha, por exemplo.

Escolha um ganho vertical c ompatvel com o valor a ser medido. Em geral, a telatem oito divises. Portanto, a mxima tenso que pode ser medida se o ganhovertical for 1 V/div ser 8 V; qualquer valor acima de 8 V far com que o traosaia da tela (levando em conta que o zero est na primeira linha). Evite utilizarum valor muito pequeno, pois fica difcil ler o nmero de divises.

a) b)

c)

Figura 1.16Sinal quadrado de

1 Vpp /1 kHz:(a) 1 V/div e 1 ms/div,

(b) 0,5 V/div e 0,5 ms/div e(c) 0,2 V/div e 0,2 ms/div.

De acordo com a fig ura 1.17, para obter a mxima preciso, deve-se escolher omenor V/div possvel que permita o su rgimento do trao na tela (figura 1.17a).

1.6 Medio de tenso alternada

A tenso alternada apresenta duas variveis bsicas que podem ser mensuradas:a tenso de pico a pico e o perodo.

O procedimento para medir a tenso alternada semelhante ao utilizado para me-dir a tenso contnua, ou seja, escolher adequadamente o ganho vertical (V/div) ea base de tempo (ms/div). A figura 1.18 mostra uma tenso senoidal de 10 VP(20 VPP) e frequncia de 1 kHz para diferentes ajustes do ganho vertical. Emtodos os casos a base de tempo est fixada em 0,2 ms/div e o ganho verticalvaria em 5 V/div (figura 1.18a), 20 V/div (figura 1.18b) e 2 V/div (fig ura 1.18c).Claramente o melhor ajuste do ganho vertical o primeiro, em que o sinalocupa a maior parte da tela sem perder informao.

Para a medida do perodo, ou seja, o inverso da frequncia, a esc olha da base detempo fundamental. Na figura 1.19, em todos os casos o ganho vertical estfixado em 5 V/div e a base de tempo varia em 0,2 ms/div, 2 ms/div e 50 s/div.

5 divises1 diviso

2,5 divises

a) b) c)

Figura 1.17Medindo 5 V:(a) 5 V/div,

(b) 1 V/div e(c) 2,5 V/div.

4 divises

5 divises

1 diviso

a) b) c)

Figura 1.18Trs representaesmedindo uma tensosenoidal de 20 VPP/1 kHzcom ganho vertical ajustadem: (a) 5 V/div, (b) 20 V/dive (c) 2 V/div.



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Observe que a figura 1.19a permite melhor visualizao para efetuar medidas detempo e tenso.

1.7 Gerador de funes

um instrumento utilizado para gerar sinais eltricos de diversas formas deonda (senoidal, quadrada, triangular) de diferentes frequncias (normalmente,de 1 Hz a 10 MHz) e amplitudes variadas.

As ondas quadradas e triangulares permitem adicionar um ciclo de trabalho etambm uma tenso CC (offset).

Em geral o painel do gerador de funes tem um frequencmetro digital (figura1.20), que permite visualizar o valor da frequncia que est sendo ajustada. Osinal sai do gerador de funes atravs de um cabo com conector BNC igual aousado no osciloscpio.

1.7.1 Ciclo de trabalho

O ciclo de trabalho ou duty cicle(DC) definido apenas para as ondas quadradae triangular.

a) b) c)

Figura 1.19Trs representaes

medindo perodo desenoide de 1 kHz com

ganho horizontal ajustadoem: (a) 0,2 ms/div,

(b) 2 ms/div e(c) 50 s/div.

display: f requncia/amplitude ajuste:ampl itude/frequncia

Power

Ampli Freq offset %Duty

botes de controle sada de sinal

Figura 1.20Aspecto geral de umgerador de funes.

No caso de onda quadrada, definido c omo:

DC T

T

H% = 100 (1.2)

em que TH a durao do tempo alto e To perodo.

A figur a 1.21 mostra exemplos de valores de ciclo de trabalho de uma ondaquadrada.

Para a onda triangular, o ciclo de trabalho definido como:

DC T

T% =

+100 (1.3)

em que T+ o tempo que a onda fica com inclinao positiva e To perodo daonda triangular.

A figura 1.22 apresenta exemplos de valores de ciclo de trabalho de uma ondatriangular.

TH

TT

TH

T

TH

a) b) c)

Figura 1.21Ciclo de trabalho de umaonda quadrada em:(a) 80%,(b) 50% e(c) 20%.

a) b) c)

Figura 1.22Ciclo de trabalho de umaonda triangular em:(a) 80%,(b) 50% e(c) 20%.



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ELETRNICA 2

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O painel frontal de um gerador de funes se assemelha ao d a figura 1.23.

1.8 Offsetde tenso

Se a uma tenso alternada for adicionada uma tenso CC, ela passa a ter umoffset(deslocamento), que pode ser positivo ou negativo. A figura 1.24 mostra astrs situaes possveis: sinal sem offset (0 V), com offsetpositivo (4 V) e comoffsetnegativo (4 V).

1.9 Multmetro

O multmetro um dos instrumentos mais usados em eletrnica, podendo serdigital ou analgico. A figura 1.25a mostra o painel frontal de um multmetroanalgico e a figura 1.25b, o de um multmetro digital.

O multmetro analgico tem um ponteiro que se desloca sobre um painel comescalas graduadas que permitem a leitura do valor mensurado. No multmetrodigital a leitura do valor medido aparece em um displaydigital.

Figura 1.23Gerador de funes

comercial.

4 V

0

4 V

a) b) c)

Figura 1.24Onda senoidal(a) sem offset,

(b) com 4 V de offsete(c) com 4 V de offset.

Em geral, os multmetros analgicos so usados para medir as trs principaisgrandezas tenso, corrente e resistncia eltrica , assim como para efetuartestes em transistores. Nos primrdios da indstria eletrnica, os multmetrosanalgicos eram amplamente utilizados, pois o preo dos digitais era elevado.

Atualmente os digitais so mais robustos e baratos que os analgicos.

Os multmetros digitais permitem realizar as mesmas medidas dos analgicose tambm: capacitncia, indutncia, frequncia, temperatura, entre outras. Osmultmetros digitais apresentam impedncia de entrada da ordem de 10 M,bem maior que a maioria dos analgicos (a impedncia depende da escalausada).

1.9.1 Instrumentos True RMS

Os instrumentos digitais possuem outro recurso que os analgicos no tm: apossibilidade de medida do valor eficaz de tenses no senoidais. Os instrumen-tos No True RMSmedem apenas o valor eficaz de uma tenso alternada pu-ramente senoidal (sem distoro); se o sinal apresentar distoro, a medida serincorreta. Um instrumento True RMSmede o valor eficaz de qualquer forma deonda. A tabela 1.1 mostra uma comparao entre as leituras realizada s por essesinstrumentos. Observe que existem dois tipos de instrumentos rue RMS, umcom acoplamento CA e o outro com acoplamento CA + CC (quando a tensoCA tem nvel CC).

Figura 1.25(a) Multmetro analgicoe (b) multmetro digital.

BRAGINAXELEY/SHUTTERSTOCK

DMITRYELIUSEEV/SHUTTERSTOCK

WIKEMEDIA.ORG

(a) (b)



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Captulo 2

Semicondutores

ELETRNICA 2

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Sinal de entrada

True RMS

No True RMSAcoplamento

CA+CCAcoplamento

CA

Senoide pura verdadeiro verdadeiro verdadeiro

Retificada completa verdadeiro 56,5% abaixo 57,9% abaixo

Retificada meia onda verdadeiro 22,9% abaixo 22,2% abaixo

Quadrada verdadeiro verdadeiro 11,0% abaixo

Triangular verdadeiro verdadeiro 4,0% abaixo

Como se v na tabela 1.1, apenas para uma senoide pura as leituras so coinci-

dentes. Nos outros casos, h uma diferena quando o instrumento usado Norue RMS.

Tabela 1.1

Comparao entre

instrumentos No TrueRMS e True RMS.



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ELETRNICA 2

36

2.1 Classificao dos materiais

De maneira bem simples, a classificao dos materiais em relao a seu compor-tamento eltrico feita dividindo-os em i solantes e condutores.

Os condutores so materiais que permitem a passagem da corrente eltrica emseu interior quando submetidos a uma diferena de potencial, pois possuemcargas eltricas livres. Exemplos: alumnio, cobre, ferro etc.

Os isolantes so materiais que, em condies normais, no permitem a passagemda corrente eltrica em seu interior, pois no possuem cargas eltricas livres.Exemplos: madeira, plsticos, porcelana, fenolite etc.

Existe outro tipo de material que apresenta caractersticas eltricas intermedi-rias entre os isolantes e os condutores: os semicondutores (que tambm poderiamser chamados de semi-isolantes). Esses materiais tm sido muito utilizados na in-

dstria eletrnica desde a decada de 1950, tanto na construo de componentescomo na de circuitos integrados. Os principais semicondutores so o silcio e ogermnio, apesar de existir grande variedade de outros materiais.

A classificao dos materiais quanto capacidade de conduzir ou no a correnteeltrica pode ser feita de acordo com sua condutividade ou resistividade. A figu-ra 2.1 mostra a classificao dos materiais segundo sua condutividade.

2.2 Semicondutor intrnseco

O semicondutor em seu estado puro chamado de intrnseco, tendo pouca ounenhuma utilidade quando est nessas condies. Como dissemos, os princi-pais semicondutores usados so o silcio (Si) e o germnio (Ge); existem outros,porm no sero abordados neste livro. O estudo de semicondutores pode serfeito de duas maneiras: por meio do conceito de bandas de energia (anlise queutiliza conceitos da Fsica) ou por meio do conceito de ligao covalente (que uma abordagem da Qumica). Usaremos a segunda por apresentar significadomais concreto.

Isolantes Semicondutores Metais

1020 10 16 10 12 108 104 100 104 10 8

Slicafundida

Diamante

Vidro

Silcio

Germnio

Ferro

Cobre

Condutividade ( ohm1 cm 1 )

Figura 2.1Classificao dos materiais

segundo sua condutividade.

A figura 2.2a mostra, de maneira simplificada, a estrutura do tomo de Si, quepossui quatro eltrons na ltima camada, conhecida como camada de valncia.Para facilitar o entendimento, representamos, na figura 2.2b, o tomo de silciosomente com o ncleo e a camada de valncia.

Como o nmero de eltrons igual ao nmero de prtons, o tomo dito neu-tro. Muitas vezes nos referimos ao silcio como cristal de silcio, porque o ar-ranjo geomtrico de seus tomos feito de forma simtrica e regular em todas asdirees, motivo pelo qual chamado de cbico. Nesse arranjo um tomo de Sise liga a quatro tomos vizinhos por ligaes covalentes, em que cada tomofornece um eltron, formando, na ltima camada, oito eltrons, o que configurauma situao estvel. A figura 2.3 ilustra, no plano, o arranjo espacial dessaconfigurao.

importante notar que, nas condies indicadas na fig ura 2.3, o silcio se com-porta como isolante, pois no existem carga s livres. No entanto, com o aumentoda temperatura, a energia trmica fornecida ao cristal provoca a quebra de

Si

Ncleo

(a) (b)

Figura 2.2Estrutura simplificadado tomo de Si(a) com todas as camadase (b) com o ncleo e acamada de valncia.

Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Figura 2.3Estrutura cristalina do Si temperatura de0 K (273 C) comportamentode isolantes.



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ELETRNICA 2

38

algumas ligaes covalentes, liberando, assim, eltrons de valncia. Os espaosvazios deixados por causa de tais rompimentos se comportam como cargas el-tricas positivas, denominadas lacunas ou buracos.

A figura 2.4 representa a mesma estrutura da figura 2.3, mas com alg umas dasligaes covalentes rompidas. A quantidade de energia necessria para quebraruma ligao depende do tipo do semicondutor; no caso do Ge, 0,72 eV e, nodo Si, 1,1 eV.

A aplicao de uma diferena de potencial na estrutura do silcio possibilita o mo-vimento dessas cargas eltricas (eltron livre e lacuna): os eltrons se dirigem para opolo positivo da fonte externa e as lacunas, para o polo negativo. A maneira comoocorre a movimentao dos eltrons j foi abordada em eletrodinmica, mas e aslacunas, como se movimentam contribuindo para a formao da corrente eltrica?

Para entendermos o mecanismo de conduo de eltrons e lacunas, considere-mos as figu ras 2.5, 2.6 e 2.7.

Na figura 2.5, o eltron livre est representado por um ponto preto e sua ausn-cia (a lacuna), na ligao covalente, por um ponto branco. O sentido do campoeltrico tal que o eltron se movimenta para a esquerda, onde est o polo posi-tivo da bateria que fornece a ddp.

lacuna

eltron livre

Si

Si

Si Si Si

Si

SiSi

Si

Figura 2.4Estrutura do Si a uma

temperatura acima de 0K(acima de 273 C)

gerao de pareseltron-lacuna.

campo eltrico

eltron livre

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.5Cristal de Si submetido aum campo eltrico (tensoeltrica) em um instante t1.

A figura 2.6 mostra o instante seguinte, em que u m eltron de valncia c omenergia suficiente pode preencher a lacuna, demonstrando que ela se deslocoupara a direita, no sentido do polo negativo da bateria.

Esse fenmeno se repete para outro eltron de valncia, como ilustra a figura2.7. Assim, existe no semicondutor uma corrente de eltrons livres da direitapara a esquerda e uma corrente de lacunas da esquerda para a direita, e essascorrentes se somam. importante notar que os eltrons de valncia que sedeslocam para a esquerda eventualmente encontraro a borda do cristal e,portanto, o polo positivo da bateria, transformando-se em eltrons livres. Acorrente total no cristal ser a soma do fluxo de eltrons com o fluxo de lacu-nas: IT= Ie+ Il.

2.3 Semicondutor extrnseco

Na prtica, no usamos o semicondutor intrnseco, e sim o extrnseco. Osemicondutor extrnseco obtido pela adio de elementos chamados deimpurezas (tipos de tomos), cuja principal finalidade alterar algumas pro-priedades eltricas, principalmente a resistividade em relao ao fluxo deeltrons. Existem dois tipos de semicondutores extrnsecos: o material N eo material P.

campo eltrico

eltron livre

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.6Cristal de Si submetidoa um campo eltrico(tenso eltrica) numinstante t2> t1.

campo eltrico

eltron livrelacuna

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.7Cristal de Si submetidoa um campo eltrico(tenso eltrica) emum instante t3> t2.



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ELETRNICA 2

40

2.3.1 Semicondutor tipo N

obtido adicionando ao cristal puro (de silcio ou germnio) um material pen-tavalente, isto , que tem em sua ltima camada cinco eltrons de valncia. Emgeral, o material mais uti lizado o fsforo (P).

O que acontece, ento, quando tomos de fsforo so adicionados ao cristal dosemicondutor? omemos como exemplo um semicondutor de silcio. Alguns deseus tomos sero substitudos pelo tomo do fsforo, e, como o nmero de to-mos da impureza muito menor que o de tomos do semicondutor, essa impu-reza se ligar a quatro tomos de silcio, conforme ilustra a figura 2.8a. Observeque cada tomo de silcio contribui com um eltron para que ocorra uma ligaocompartilhada, sobrando um eltron. Esse quinto eltron est fracamente ligadoao tomo, bastando uma energia diminuta para torn-lo livre. O importantedessa situao que no foi gerada nenhuma lacuna (figur a 2.8b).

Esse processo pode ser mais bem compreendido se imaginarmos a temperaturavariando do zero absoluto. A partir desse valor, o quinto eltron est preso;portanto, no existe portador de carga livre e o material se comporta como iso-lante. Aumentando gradativamente a temperatura, o quinto eltron liberado

e o material passa a conduzir corrente eltrica. Quanto mais a temperatura au-menta, mais ligaes covalentes comeam a se quebrar, gerando mais eltronslivres e lacunas. Assim, o material torna-se neutro, motivo pelo qual recebe onome de semicondutor tipo N. Observe na figura 2.8 que o cristal neutro,pois para cada quinto eltron liberado a impureza fica ionizada positivamente.

Como os eltrons esto em maioria no material, so chamados de portadoresmajoritrios e as lacunas, de portadores minoritrios. extremamente impor-tante notar que a quantidade de impureza adicionada determina a principal ca-racterstica eltrica, que a condutividade, pois, quanto maior o nmero deeltrons livres existentes, maior a capacidade de conduzir. Outro ponto funda-

SiSi

Si

Si

Si Si

Si

Si

quinto eltron

quinto eltron livre

(a) (b)

P P+

Figura 2.8(a) tomo de fsforo ligado

a quatro tomos de silcio;(b) o quinto eltron livre

gera um on positivo preso estrutura cristalina.

mental que a temperatura afeta significativamente essa propriedade, porque,quanto maior a temperatura, maior o nmero de eltrons e de lacunas.

Dependendo da aplicao, essa uma condio indesejvel. Nos computadores,por exemplo, uma falha no cooler(responsvel por evitar o superaquecimentodos componentes semicondutores) pode causar travamento. Essa uma desvan-tagem do semicondutor quando comparado com a vlvula terminica, masmesmo assim os pontos positivos superam de longe os negativos.

2.3.2 Semicondutor tipo P

obtido adicionando quantidades controladas de impureza trivalente ao ma-terial puro (semicondutor intrnseco). Um exemplo desse tipo de impureza oboro (B). Como o boro trivalente, seus tr s eltrons de valncia sero compar-tilhados com quatro tomos de silcio das vizinhanas, porm uma das ligaesno se completar. A ausncia de um eltron nessa ligao poder se comportar

como lacuna (figura 2.9). E como isso acontece?

Inicialmente, em temperaturas prximas do zero absoluto, os eltrons de valn-cia de um tomo vizinho ao da impureza no tm energia suficiente para preen-cher a ligao, e, portanto, o material se comporta como isolante. Conforme atemperatura aumenta, um eltron de valncia do tomo vizinho recebe energiasuficiente para se deslocar e oc upa a vaga na ligao no completada com um doseltrons do boro. Desse modo, como o tomo estava neutro e passa a ter umeltron a mais, torna-se um on negativo. A vaga deixada por esse eltron podese comportar como lacuna. Ento, foi gerada lacuna sem o aparecimento deeltron livre, e por isso o material chamado de P.

Se a temperatura aumentar mais ainda, alm da temperatura de ionizao, serogerados os pares eltron-lacuna. Nesse caso, as lacunas so port adores majorit-rios e os eltrons livres, portadoresminoritrios.

Vlvula terminica um dispositivoeletrnico constitudode um flamento, um

catodo e um anodono interior de umtubo de vidro no qualh vcuo ou gs sobbaixa presso. Nela,a corrente eltricas pode passarem um sentido.

ligao no

completada

o eltron de valncia

desta posio se moveu

para outra posio

BBSiSi

Si

Si

SiSi

Si

Si

SiSi

Si

Si

Si

Si

(a) (b)

Figura 2.9(a) tomo de boro ligadoa quatro tomos de Siabaixo da temperaturade ionizao;(b) a vaga (lacuna) preenchida por umeltron de valncia de umtomo prximo, gerandoum on negativo preso estrutura cristalina acima d

temperatura de ionizao.



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ELETRNICA 2

42

2.4 Juno PN

Se uma barra de material P ligada metalurgicamente a uma barra de materialN, cria-se uma juno PN, cujas caractersticas permitem a produo de todosos dispositivos eletrnicos.

A diferena de concentrao de lacunas e eltrons livres entre as duas regies dajuno PN possibilita a ocorrncia de um fenmeno chamado de difuso: des-locamento (corrente eltrica) de lacunas do lado P para o N e de eltrons livre sdo lado N para o P.

A difuso no um processo contnuo, pois o deslocamento de eltrons e lacunasfaz surgir uma regio de cargas negativas (tomos de impurezas receptoras queaceitaram esses eltrons) e positivas fixas (figura 2.10). Nessa regio, denomina-da regio de cargas espaciais (RCE) ou regio de depleo, no existem cargaslivres, uma vez que, em razo do campo eltrico gerado pelas cargas espaciais,

caso aparea uma carg a livre (eltron livre ou lacuna), ela ser acelerada por essecampo, deslocando-se para o lado N ou P. As cargas fixas criam uma barreirade potencial que se ope difuso de mais portadores majoritrios lacunas nolado P e eltrons livres no lado N. E ssa corrente representada por IDifuso.

Os portadores minoritrios de ambos os lados d a juno esto movimentando-sealeatoriamente por causa da temperatura. Se algum dos portadores minoritrios(aqueles gerados pela temperatura) eltrons livres no lado P ou lacunas no ladoN se aproximar da RCE, ser acelerado pelo campo eltrico existente nessa re-gio e passar para o outro lado da juno. Essa corrente chamada de correntede deriva (IDeriva).

As duas correntes podem ser observadas na figura 2.10.

Quando a juno est em equilbrio, a soma das correntes da juno zero, isto, IDeriva=IDifuso.

IDifuso

IDeriva

P N

Figura 2.10Juno PN em aberto

mostrando as duascorrentes: de difuso

e de deriva.

2.4.1 Juno PN com polarizao reversa

Quando a tenso aplicada tem polaridade como a indicada na figura 2.11,isto , o lado P negativo em relao ao lado N, a largura da regio de deple-o aumentar, elevando a altura da barreira de potencial e dificultando apassagem dos portadores majoritrios de um lado da juno para o outro.

Atravs da ju no exist ir uma corrente constit uda de por tadores minori-trios, os quais dependem apenas da temperatura. Essa corrente chamadade corrente reversa de saturao (IS) e sua intensidade da ordem de nA (Si)ou A (Ge).

2.4.2 Juno PN com polarizao direta

O que acontece se invertermos a polaridade da tenso na figura 2.11? Imagine

a tenso da bateria comeando de zero. Inicialmente, como a corrente des-prezvel, toda a tenso externa aplicada na juno, diminuindo a barreira. Noentanto, a corrente comea a aumentar quando a tenso aplicada na juno forde aproximadamente 0,6 V.

A princpio, toda a tenso estar aplicada diretamente na re gio da ju no,baixando a barreira de potencial e tornando desprezvel a queda de tenso nomaterial N e no P. Desse modo, a corrente controlada pela variao da alturada barreira (regio no linear da curva caracterstica). medida que a corren-te aumenta, a tenso externa se distribui entre o material e a barreira. Nesseinstante a corrente comea a ser controlada pela resistncia direta do material,passando a ter comportamento aproximadamente linear com a tenso.

largura com polarizao

largura sem

polarizao

IDeriva

= ls

P N

Figura 2.11Juno PN compolarizao reversa.



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ELETRNICA 2

44

A corrente total atravs da juno (I) constituda de duas correntes: a de sa-turao e a de difuso (figura 2.12). A corrente de difuso muito maior que ade saturao.

Da figura 2.12, podemos concluir que:

I = ID- IS (2.1)

em que ID a corrente de difuso.

A equao da corrente atravs da juno dada por:

I I eS

V

VD

T= ( - ) 1 (2.2)

em que:

IS a corrente reversa de saturao, VDa tenso aplicada na juno, uma constante que vale aproximadamente 1 para Ge e 2 para Si. VTuma constante que depende da temperatura, valendo 26 mV tempera-

tura ambiente ( = 300 K).

Com a juno polarizada diretamente (VD> 0), I positiva; com a juno pola-rizada reversamente (VD< 0), I negativa.

IDifuso

P N

IDeriva

= ls

Figura 2.12Juno PN com

polarizao direta.

2.5 Diodo de juno

Diodo de juno um componente constitudo de uma juno PN, tendo todasas suas caractersticas, ou seja, permite a passagem da corrente em um nicosentido quando adequadamente polarizado (polarizao direta) e bloqueia a cor-rente quando a polaridade da tenso inverte (polarizao reversa).

A figura 2.13 mostra a representao esquemtica do diodo de juno com seusterminais hmicos anodo (A) e c atodo (K) , seu smbolo e exemplos de dio-dos comerciais.

2.5.1 Curva caracterstica do diodo

O grfico da figura 2.14 mostra a curva caracterstica de u m diodo de juno de

silcio, que corresponde equao:

I I eS

V

V

D

T=

( - )

1

No grfico da figura 2.14, possvel observar a corrente resultante da tensoaplicada no diodo em trs regies bem definidas:

1. Regio de polarizao direta: VD> 0,6 V2. Regio de polarizao reversa: VD


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ELETRNICA 2

46

Quando em polarizao direta, a expresso matemtica que representa o com-portamento do diodo a mesma equao dada para a corrente atravs da juno,ou seja:

I I eS

V

V

D

T= ( - ) 1 (2.2)

em que:

IS a corrente reversa de saturao, VDa tenso aplicada no diodo, uma constante que depende da forma como o diodo foi construdo e VTuma c onstante que depende da temperatura, valendo aproximadamente

26 mV a 20 C.

Portanto, para VD> 0 e VD>> 26 mV, o termo negativo dentro dos parnteses desprezado:

I I eS

V

V

D

T= ( )

Para VD


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ELETRNICA 2

48

2.5.3 Diodo polarizado reversamente

Quando o diodo est polarizado reversamente, a corrente que se estabelece atra-vs dele da ordem de nA, ou seja, praticamente nula (figura 2.16). Essa corren-te reversa, tambm chamada de corrente de fuga, depende de aspectos fsicos domaterial, como dopagem e dimenses, e de fatores externos, entre eles a tempe-ratura de trabalho (o valor dobra a cada aumento de 10 C). Importante:quan-do o diodo est polarizado reversamente, a tenso da fonte est aplicada nosterminais do diodo, o qual deve ter capacidade para suportar a tenso reversa;caso contrrio, pode ocorrer um fenmeno denominado avalanche, que, em ge-ral, causa a ruptura d a juno.

A corrente de fuga a soma da corrente reversa de saturao com a correntesuperficial. A corrente de satur ao depende da dopagem do semicondutor e datemperatura de trabalho; a corrente superficial, das d imenses fsicas do diodo,variando de acordo com a tenso aplicada. Por essa razo, observando a curva dodiodo em polarizao reversa, possvel notar uma ligeira inclinao, que indicaum pequeno aumento na corrente quando a tenso aumenta.

2.5.4 Modelos (circuitos equivalentes) para diodo

Estabelecer um modelo para um componente eletrnico (resistor, fonte de tenso,fonte de corrente, capacitor e indutor) significa represent-lo em um circuito pormeio de componentes bsicos, o que permite usar as leis de circuito para analis-lo.

Alm do modelo adotado pelo fabricante do simulador, existem modelos simples

que o projetista de circuitos pode utilizar, dependendo da complexidade e dapreciso que ele deseja obter.

Por exemplo, no caso do diodo, quando polarizado reversamente, representadopor um circuito aberto (chave aberta); quando ligado em polarizao direta,utiliza-se um dos modelos ou circu itos equivalentes descritos a seguir.

Modelo1 Diodo ideal

o circuito equivalente (modelo) mais simples. Consiste em representar o d iodopor uma chave fechada (curto-circuito), quando polarizado diretamente, e porum circuito aberto, quando polarizado reversamente.

RD 1 k

R1 k

| 0 ==~

10 V 10 V

10 VVD

Figura 2.16Circuito com diodo

polarizado reversamente.

O grfico da figura 2.17 representa a curva caracterstica para esse modelo e ocircuito equivalente.

A figura 2.18a representa um circuito com um diodo real (1N4001) ligado a umabateria de 100 V e a figura 2.18b mostra o mesmo circuito, porm com o diodosubstitudo por uma chave fechada. No primeiro caso, a c orrente vale 99,2 mAe, no segundo, 100 mA, mas na prtica essa diferena de valores desprezada, oque significa que o modelo pode ser usado.

Existe alguma limitao no uso desse modelo? Essa forma de representar umdiodo pode sempre ser usada? Na figura 2.19, em vez de 100 V, a bateria utiliza-da de 1,5 V. Nesse caso, a diferena entre as duas medidas alta (66%), o quesignifica que o modelo no adequado.

ID

p ol ar iz a o p ol ar iz a o

a) b)

reserva direta

< > 00 _VD

VD VD

Figura 2.17Diodo ideal (chave):(a) curva caracterstica e(b) circuito equivalente.

1 k 1 k

1N4001

99,2 mA

a)

chave

100 mA

100 V 100 V

b)

Figura 2.18(a) Simulao e(b) circuito como modelo 1.

1 k 1 k

1N4001

chave

0,95 mA1,5 mA

1,5 V 1,5 V

a) b)

Figura 2.19(a) Simulao e(b) circuito com omodelo1(inadequado).



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ELETRNICA 2

50

Ento, conclui-se que, se o valor da tenso da bateria for da mesma ordem degrandeza da barreira de potencial (0,6 V), o modelo de chave no pode ser usado.

Modelo2 Bateria

Um modelo mais elaborado considera o diodo conduzindo corrente eltricacomo se fosse uma pequena bateria de 0,6 V (valor a parti r do qual o diodo i ni-cia a conduo). Portanto, se a tenso aplicada no diodo for menor que 0,6 V, elese comportar como uma chave aberta; se a tenso estiver acima de 0,6 V, odiodo ser substitudo por uma bateria de 0,6 V. A figura 2.20 mostra a curvacaracterstica representativa desse modelo e o circuito equivalente.

Na figura 2.21, pode-se verificar que os valores obtidos no diodo real e no mo-delo so muito prximos.

O modelo com bateria deve ser usado quando a tenso de polarizao for ma iorque 0,6 V e da mesma ordem de gr andeza.

Modelo3 Bateria e resistncia (modelo linearizado portrechos de reta)

Pode-se obter maior preciso levando em conta a resistncia do diodo quando estem conduo. A figura 2.22a ilustra a curva caracterstica linearizada por doistrechos de reta, que representa a bateria em srie c om resistncia de baixo valor.

VD VD

< > 0,6 V

0,6 V

0,6V

0 _V

D

ID

a) b)

Figura 2.20Modelo com bateria:

(a) curva caracterstica e(b) circuito equivalente.

1 k 1 k

1N4001

0,95 mA

0,6 V

0,90 mA

1,5 V 1,5 V

a) b)

Figura 2.21(a) Simulao e

(b) circuito com o modelo 2.

A figura 2.23a mostra o valor da corrente em um diodo real e no circuito com omodelo, com resistncia direta de 5 e resistncia de carga de 1 k.

A figura 2.24 reproduz a mesma anlise, porm com uma re sistncia de cargamenor, 100 .

Podemos observar que, nos dois casos (1 k e 100 ), os valores das correntesso muito prximos; no primeiro (1 k), a diferena se deve ao fato de que otrecho linearizado no coincide com a curva. Assim, quanto maior o valor dacorrente, mais a curva coincide com a reta.

VD

RD

VD

< > 0,6 V

0,6 V0,6 V

0 _

VD

ID

a) b)

Figura 2.22Modelo que consideraresistncia direta:(a) curva caracterstica e(b) circuito equivalente.

1 k 1 k

1N4001

0,95 mA

0,6 V

0,89 mA1,5 V 1,5 V

5

a) b)

Figura 2.23(a) Simulao e (b) circuitocom o modelo 3.

100100

1N4001

8,54 mA

0,6 V

8,57 mA

1,5 V 1,5 V

5

a) b)

Figura 2.24(a) Circuito com diodosimulao no MicroCape (b) circuito com omodelo que representadois trechos de reta.



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ELETRNICA 2

52

2.5.5 Anlise grfica

Um circuito com diodo pode ser examinado de duas maneiras: analitica-mente, usando qualquer um dos modelos apresentados no item 2.5.4, ou gra-ficamente, por meio de sua curva caracterstica. importante conhecer essetipo de anlise, pois apresenta alguns conceitos que sero utilizados na anlisede circuitos com transistores.

A anlise grfica consiste em representar no mesmo grfico a curva do diodo ea curva do gerador. O gerador tem fora eletromotriz igual a VCCe resistnciainterna R. A interseo dos dois gr ficos a soluo (corrente e tenso nos doisbipolos).

Consideremos que a equao do diodo seja:

I I eD S

V

V

D

T= ( ) 1

e a do gerador:

VD= VCC R ID,

cujo grfico uma reta conhecida como reta de c arga. A representao grfica dafigura 2.25b ilustra a interseo dos dois gr ficos.

50

40

30

20

10

0

reta decarga

0,0000,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000

VD

VD

D

(V)

|D

|D

(mA)

Vcc

R

b)

a)

Figura 2.25Anlise grfica:

(a) circuito e(b) curva caracterstica

e reta de carga.

A i nterseo entre a r eta e a curva do diodo determina um ponto, cha ma-do ponto Q (ponto quiescente), que a soluo. Considerando VCC= 3 V,R= 80 e o diodo 1N4001, a soluo ID= 28 mAe VD= 0,7V. Essasoluo apresenta os mesmos valores encontrados no modelo com bateria, ana-lisado no item 2.5.4.

2.5.6 Teste de diodos

Em muitas situaes de trabalho na rea eletrnica, necessrio realizar testesem semicondutores para saber quais so seus terminais (anodo e catodo) e ve-rificar se esto com defeito (aberto em curto-circuito ou com fuga). O teste desemicondutores baseia-se no fato de que, sob polarizao direta, uma junoPN apresenta resistncia baixa (10 , por exemplo) e, sob polarizao reversa,resistncia alta (> 1 M).

O teste de semicondutores pode ser realizado com um multmetro digital ou

analgico na posio ohmmetro. Por exemplo, ao selecionar ohmmetro emum multmetro analgico e posicionar as pontas de prova nos terminais de u mdiodo, ocorrero as duas situaes indicadas na figura 2.26.

Ateno: a polaridade indicada no ohmmetro na figura 2.26 a polaridade dabateria interna, que o contrrio da indicao externa, ou seja, o terminal ver-melho est ligado internamente ao polo negativo da bateria.

A figura 2.27 mostra como realizar o teste usando o multmetro digital, coma chave posicionada no smbolo do diodo. Quando o diodo est em boas con-dies, em polarizao direta, o displayexibe um valor de tenso de 650 a 700mV e, em polarizao reversa, uma barra vertical do lado esquerdo, indicandoresistncia muito alta (figura 2.27a). Se no displayaparecem zeros, o diodo estem curto-circuito (figura 2.27b). Quando se v a barra vertical nos dois sentidos,o diodo est aberto (figura 2.27c).

08

08

a) b)

Figura 2.26Diodo polarizado(a) diretamente e(b) reversamente.



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ELETRNICA 2

54

2.6 Diodo varicap

Um diodo varicap ou varactor uma juno PN que funciona com polarizaoreversa (figura 2.28). Sua principal caracterstica permitir que a capacitnciaassociada regio de carga espacial seja alterada de acordo com a tenso rever-sa aplicada. A capacitncia associada regio de carga espacial inversamenteproporcional raiz quadrada da tenso aplicada. Esse tipo de diodo u sado emcircuitos de sintonia de rdio, Vs, osciladores controlados por tenso (VCO),sintetizadores de frequncia e qualquer aparelho em que for necessrio obteruma capacitncia varivel controlada por meio eletrnico.

a)

b)

c)

Figura 2.27Teste com multmetro digital:

(a) diodo em bom estado,(b) diodo em curto-circuito e

(c) diodo aberto.

A figura 2.29 ilustra a aplicao tpica de varicap em circuito de rdio AM. Osdiodos podem ser localizados por seu smbolo caracterstico.

MBRP3045NSchottky Barrier Rectifier

12

1

2

3 TO220

1.anodo

1.anodo3.anodo

2.catodo2.catodo

MVAM108

MVAM109MVAM115

MVAM125CASE 182-02, STYLE 1

(TO-226AC)

anodo catodo

Reserva Voltage

0 10 20

200

300

30 40

400

500

600

700800900

1000T = 25 oC

a) b)

Figura 2.28Varicap:(a) smbolo;(b) curva de capacitnciae tenso reversa;(c) exemplos devaricaps comerciais.

Tuning Voltage

MVAMxxx

MVAMxxx

MVAMxxx

To IFAGC

+

Figura 2.29Aplicao tpica dediodo varicap emcircuito de rdio AM.

c)



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ELETRNICA 2

56

2.7 Diodo Schottky

O diodo Schottky ou de barreira usado para c omutar em alta frequncia, poisnele no ocorre recombinao (lacuna encontrando eltron livre). Esse fenmenono observado porque o dispositivo feito de um material N e um metal. A

juno resultante se comporta como um diodo, em que o anodo o metal e ocatodo o semicondutor, permitindo que o dispositivo seja comutado de cortadopara em conduo e vice-versa muito mais rpido que um diodo comum. Outracaracterstica do diodo de barreira est relacionada queda de tenso. Nesse mo-delo, o valor da ordem de 0,3 V, menor que em diodos tradicionais. O diodoSchottky utilizado em fontes chaveadas que operam em dezenas de quilohertze na proteo contra transientes de tenso elevados. A figura 2.30 mostra os as-pectos construtivo e fsico desse d iodo e seu smbolo.

metal

anodomaterial N

catodo anodo catodo

DO-204AL(DO-41)

Major Ratings and Characteristics

Characteristics 1 0DF. Units

A

V

A

V

1

100to 800

C

ns

34

1.2

100

-65to150

lF(AV)

FSM

ange

ange

VRRM

l

VF @1A,T

J

J

=25C

=25C@T

T J

a) b)

c)

Fonte: http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/I/O/D/F/IODFI.shtml

Figura 2.30Diodo Schottky:

(a) aspecto construtivo,(b) smbolo e

(c) aspecto fsico.

Exemplos

1. Determine a corrente no diodo D (ideal) da figu ra 2.31.

Soluo:

Para resolver o circuito, basta aplicar o teorema de Tvenin entre os pontos A eB, chegando ao circuito da figura 2.32.

O diodo est polarizado diret amente (o anodo positivo em relao ao catodo).A corrente ser igual a (considerando diodo ideal):

I V V

kmA=

=

12 6

23

3 k

R1

18 V

A D

6 V

B

6 k

R2

Figura 2.31

RTh

D1

2 k A

B

VTh

12 V6 V

Figura 2.32



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Captulo 3

Aplicaes

de diodos

semicondutores

ELETRNICA 2

58

2. Determine a tensoVsno esquema da figura 2.33, considerando os diodos ideais .

Soluo:

O circuito ser analisado de acordo com os possveis estados para os diodos.Como so trs diodos, admitem-se oito combinaes, pois cada diodo pode estarem conduo ou cortado. A lgumas dessas combinaes so altamente improv-veis ou impossveis e, portanto, sero descartadas. Por exemplo, aparentemente, abateria de 20 V promove a conduo dos trs diodos. Iniciemos a anlise imagi-nando que os trs diodos esto conduzindo. Para essa situao, h uma incon-sistncia, pois o ponto A estaria com tr s valores de tenso (5 V, 0 V e 5 V), oque no possvel.

Vamos considerar outra combinao (aparentemente a mais provvel), que D1e D2cortados e D3em c onduo (figura 2.34).

Nesse caso, se o diodo D3est em conduo, seu anodo est em 5 V. Conse-quentemente,D2est em polarizao reversa com 5 V e D1, com 10 V. Assim,a suposio inicial (D1e D2cortados e D3em conduo) verdadeira.

Resposta final: Vs=5V.

20 V

3 k

D1

5 V

D3

5 VVs

A D2

Figura 2.33

20 V

3 k

D1

5 V

D3

D2

5 VVs

A

Figura 2.34



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ELETRNICA 2

60

Para essa mesma forma de onda, o valor da tenso eficaz (medida por um volt-metro rue RMS) dado por:

V

V

RMS

P

= 2 (3.3)

Obs.:a tenso eficaz medida por um voltmetro rue RMS AC + DC.

As expresses anteriores so verdadeiras quando o valor de pico muito maiorque 0,7V; caso contrrio, deve-se subtrair 0,7Vde VP(figura 3.2). Nesse caso,os valores da tenso mdia e da tenso eficaz so calculados, respectivamente, por:

V V

CC

P=

0 7,

V V

RMS

P=

0 7

2

,

D

a)

b)

c)

D

D

Vrede

Vrede

Vrede

Ve

Ve

RL

RL

RL

VL

VL

VL V

eVD

Ve V

D

VD

VL

Ve

VP

VP

VP

VCC

VP

0

0

0

0

+

+

Ve

= 0

= =

diodo conduz diodo corta

d)

Figura 3.1(a) Circuito retificadorde meia onda;(b) circuito equivalenteno semiciclo positivo;

(c) circuito equivalenteno semiciclo negativo;(d) formas de ondade entrada, na cargae no diodo.

A alimentao de todos os circuitos eletrnicos feita por meio detenso contnua, porm a tenso na rede alternada. Os circuitosque convertem tenso CA em CC so chamados de conversoresou retificadores. Sua funo converter a tenso senoidal em pulsante, que,

em seguida, filtrada e eventualmente aplicada em um regulador de tenso. Odispositivo utilizado para obter a retificao o diodo de juno, estudado nocaptulo anterior.

3.1 Retificador de meia onda

O circuito retificador de meia onda composto por um nico diodo acopladona sada de um transformador. Graas a essa configurao, aps a passagempelo diodo, observam-se somente semiciclos positivos, pois durante o semiciclonegativo a tenso na carga nula.

Quando a tenso de entrada (Ve) for positiva, o diodo conduzir e a tenso nacarga ser igual tenso de entrada descontando 0,7 V. Se a tenso de pico deentrada (VP) for muito maior que 0,7 V, a tenso na carga ser praticamente iguala Ve. No semiciclo negativo (Ve< 0), o diodo estar cortado e toda a tenso estaraplicada entre seus terminais; por isso, o diodo deve ter uma tenso de rupturamaior que VP. A figura 3.1 apresenta situaes do circuito e formas de onda.

A funo de um retificador manter uma tenso contnua na sada. A tenso nacarga tem um componente contnuo, aqui denominado VCC(VDC, em ingls),que se calcula por:

V V

CC

P=

(3.1)

Portanto, a corrente na carga vale:

I V

RCC

CC

L

= (3.2)

Obs.:a tenso mdia (VCC) medida por um voltmetro CC.



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ELETRNICA 2

62

Consideremos que no circuito da fig ura 3.1 VP= 17 Ve o diodo 1N4001 comRL= 100.

Os valores so:

V VCC =

=17 0 7

5 2,

,

, I V

mACC > =5 2

10052

,e

valoreficaz= =17

28 5

VV,

Podemos observar que esses valores esto bem abaixo dos limites.

3.2 Retificador de meia onda com filtro capacitivoEsse tipo de reti ficador apresenta, alm do diodo retificador, um capacitor asso-ciado em paralelo com a carga. A funo do capacitor diminuir o ripple. Quan-to menor for o ripple da tenso de sada de um retificador, melhor ser sua qua-lidade. A figura 3.3 ajuda a entender o que ripple. Nela, uma tenso senoidal de1 V de pico est sobreposta a uma tenso CC (tambm chamada de nvel deoffset) de4 V. Se usarmos um voltmetro CC par a medir essa tenso, ele indica-r exatamente 4 V.

Para uma tenso retificada de meia onda, se o valor de pico for muito maior queo ripple, este pode ser estimado aproximadamente por:

V V

f C Rripple

P=

(3.4)

rippleV (V)

5

4

3

2

1

0

Figura 3.3Tenso senoidal comnvel de offsetilustrandoo conceito de ripple.

importante lembrar que o diodo deve ser dimensionado de acordo com seusvalores de corrente e tenso.

Dimensionamento do diodo

Os principais limites eltricos encontrados em um datasheetde diodo so:

VRRM=mxima tenso de pico reversa VRMS=mxima tenso eficaz VCC=mxima tenso CC reversa IAV=mxima corrente contnua IFSM=mxima corrente de surge

Para esse retificador de meia onda, os valores das tenses e corrente do diododevem ter no mnimo os seguintes limites:

VRRM> VP

I

V

RAV

P

L

>

VRMS>VP

2

VCC>VP

Para o diodo 1N4001, por exemplo, os limites so:

VRRM= 50 IAV= 1A VRMS= 35 V VCC= 50 V

V VV

CC= =

PVP 0,7 0,7

RMS2

VP

0,7 V

VP

0,7 V

Figura 3.2Formas de onda de entrada

e sada quando a entrada da ordem de grandezada barreira de potencial.

Datasheet umdocumento com

especifcaes do

componente.



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ELETRNICA 2

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Na figura 3.4b, durante o intervalo de tempo T1, o diodo conduz, porque o va-lor da tenso de entrada maior que o valor da tenso na carga. Desse modo, ocapacitor se carrega at atingir o valor de pico da tenso de entrada.

Durante o intervalo de tempoT2, a tenso de entrada menor que a tenso nacarga. Assim, o diodo corta a corrente e o capacitor se descarrega na carga RL(na prtica, a carga um circuito qualquer que consome corrente, como umreceptor de rdio). Quando novamente a tenso de entrada passa a ser maior quea tenso na carga, o diodo volta a conduzir, repondo a carga perdida durante ointervalo T2.

Observe que, ao aumentar a capacitncia, o tempo de carga diminui e, conse-quentemente, o valor de pico da corrente no diodo aumenta. Por isso, precisoter cuidado ao projetar circuitos c om valores de capacitncia elevados.

3.3 Retificador de onda completa

Um retificador de onda completa formado por dois diodos, aproveitando, por-tanto, os dois semiciclos da tenso senoidal da rede. Em consequncia, o valorda tenso contnua na carga aumenta e o ripplediminui, em comparao com ocircuito de meia onda.

Nos retificadores de onda completa, a conexo dos d iodos pode ser feita de duasmaneiras, resultando em dois tipos de retificadores com caractersticas disti ntas:com center tape em ponte.

3.3.1 Retificador de onda completa com center tap

Esse tipo de retificador utiliza um transformador com tomada central (centertap). Os diodos so ligados em cada uma das sadas opostas ao center tape, comoresultado, obtm-se duas tenses defasadas de 180 entre si.

Ao aplicar tenso no primrio do transformador, observa-se que, durante o semi-

ciclo positivo da tenso de entrada, o diodo D1conduz e o D2corta. No semiciclonegativo da tenso de entrada, invertem-se as condies: D2conduz e D1corta.As figuras 3.5b, 3.5c, 3.5d e 3.5e mostram as formas de onda no secundrio dotransformador e na carga. Observe que as duas tenses dos terminais em relaoao terra (terminal central do secundrio) esto defasadas de 180 entre si. Con-sideraremos como tenso de entrada cada uma das tenses no secundrio, entreuma extremidade e o terra (center tap), com valor de pico igual a VPe defasadasde 180, isto :

Vsec1=VP sent e Vsec2=VPsent

em que:

VP o valor d a tenso de pico alternada (em volts), Co valor da c apacitncia do capacitor (em farads), fa frequncia (em Hz) do riplle(meia onda de 60 Hz e onda completa de

120 Hz) e Ro valor da c arga (em ohms).

A figura 3.4 mostra o circuito e as formas de onda da tenso na carga (RL) e naentrada do retificador, para uma tenso senoidal de alimentao.

D

a)

RL

C

offset tenso na carga

b)

tenso de entrada

T1 T2

T2=tempo de descargaT1=tempo de carga

100 000

60 000

20 000

20 000

60 000

100 000

Figura 3.4Retificador de meia onda

com filtro capacitivo:(a) circuito e

(b) formas de onda datenso na carga e de

entrada (secundriodo transformador).



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A corrente mdia na carga obtida por:

I V

RCC

P

L

=

2

(3.6)

Para essa mesma forma de onda, o valor eficaz (tenso medida por um voltme-tro RMS) calculado por:

V V

RMS

P=

2(3.7)

Dimensionamento do diodo

Para esse circuito, o diodo deve ter no mnimo os seguintes limites:

VRRM> 2 VP Como a corrente mdia por diodo a metade da corrente mdia na carg a:

I V

RAV

P

L

>

Mxima tenso eficaz: VRMS>VP

2

Mxima tenso contnua reversa: VCC>2 V

P

As figuras 3.6 e 3.7 mostram o comportamento dos diodos nos semiciclos posi-tivo e negativo. Para facilitar a compreenso, eles esto representados no modelosimplificado (chave fechada e chave aberta).

No semiciclo positivo, o diodo D1conduz e o diodo D2corta (figura 3.6).

Vrede

+

+

+

V

D1

D2

RL

VLVsec1

Vsec2

IL

Figura 3.6Retificador de onda

completa com centertap conduo nosemiciclo positivo.

Calcula-se a tenso contnua na carga por:

V V

CC

P=

2

(3.5)

Note que ela o dobro da tenso CC no caso de meia onda.

0

VD1

2.VP

c)

Vsec2

VP

VP

d)

VL

VP

e)

D1

IL

RL

D2

Vrede

+

Vsec1

a)

Vsec2

VL

Vsec1

VP

VP

b)

Figura 3.5(a) Circuito do retificador

de onda completacom center tap;

(b) tenso de entrada Vsec1;(c) tenso no diodo D1;

(d) tenso de entradaVsec2; (e) tenso na carga.



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Como mostra a figura 3.10, no semiciclo negativo, invertem-se as condies:os diodos D2e D3conduzem e os diodos D1e D4esto cortados; o sentido dacorrente na carga continua o mesmo.

A mxima tenso de pico inversa que cada diodo deve suportar aproximada-mente VP, em que VP o valor de pico da tenso senoidal de entrada.

A figura 3.11 ilustra as formas de onda de entrada e na carga. Observe a perda detenso (1,4 V) ao longo do caminho da corrente. Esse valor deve ser descontadono clculo da tenso mdia e da tenso eficaz na carga.

D1

Ve

+

D2

D3 D

4

VL

RL

Figura 3.9Retificador de ondacompleta em ponte

conduo nosemiciclo positivo.

D1

Ve

+

D2

D3 D

4

VL

RL

Figura 3.10Retificador de ondacompleta em ponte

conduo nosemiciclo negativo.

No semiciclo negativo, o diodo D2conduz e o diodo D1corta, mas o sentido dacorrente na carga no muda (figura 3.7).

3.3.2 Retificador de onda completa em ponte

O retificador de onda completa apresentado na figura 3.8 no necessita de trans-formador com tomada central (somente quando h inteno de transformar atenso) e utiliza quatro diodos. A tenso de entrada (Ve) pode ser tanto a tensoda rede como a do secundrio de um transformador.

Observando a tenso senoidal aplicada na entrada, pode-se perceber que, du-rante o semiciclo positivo da tenso de entrada, os diodos D1e D4esto pola-rizados diretamente e os diodos D2e D3cortados. Como existem dois diodosconduzindo ao mesmo tempo e eles esto em srie, a queda de tenso ser de1,4 V. Isso significa que, para haver tenso na carga, a tenso de entrada deveser maior que 1,4 V.

Vrede

+

+

+

V

D1

D1

D2

RL

VLVsec1

Vsec2

IL

Figura 3.7Retificador de onda

completa com centertap conduo nosemiciclo negativo.

D1

VP

+

D2

D3 D4

VL

RL

Figura 3.8Retificador de ondacompleta em ponte.



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grficos das tenses no secundrio e na carga para

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ELETRÔNICA VOL. 2 - ELETRONICA ANALOGICA.pdf