99905998 Eletronica Vol 2 Eletronica Analogica

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Eletrnica Analgica

EletrnicaVolume 2

EletrnicaEletrnica analgica

Luiz Fernando Teixeira Pinto

Rmulo Oliveira Albuquerque

2011

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 Padre Anchieta, 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 EDUCACIONAISDireo: 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 Eletrnica: Jun SuzukiAutores: Luiz Fernando Teixeira Pinto, RmuloOliveira AlbuquerqueReviso tcnica: Luiz Tetsuharu SaitoEquipe de EdioCoordenao geral: Carlos Tabosa Seabra,

Rogrio Eduardo AlvesCoordenao editorial: Luiz Marin

Edio de texto: Roberto MatajsSecretrio editorial: Antonio MelloRevisora: Marcia MeninDireo de arte: Bbox DesignDiagramao: LCT TecnologiaIlustraes: Nilson CardosoPesquisa iconogrfica: Completo IconografiaCapaFotografia: Eduardo Pozella, Carlos PiratiningaTratamento de imagens: Sidnei TestaAbertura captulos: Lize Streeter/Dorling Kindersley/ Getty Images

Presidncia Joo Sayad

Vice-presidncia Ronaldo 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, por qualquer 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. Adicionalmente, 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 DESENVOlVIMENTO ECONMICO, CINCIA E TECNOlOGIA

Paulo Alexandre Barbosa

Presidente do Conselho Deliberativo Yolanda Silvestre

Diretora Superintendente Laura Lagan

Vice-Diretor Superintendente Csar Silva

Chefe de Gabinete da Superintendncia Elenice Belmonte R. de Castro

Coordenadora da Ps-Graduao, Extenso e Pesquisa Helena Gemignani Peterossi

Coordenador do Ensino Superior de Graduao Angelo Luiz Cortelazzo

Coordenador de Ensino Mdio e Tcnico Almrio Melquades de Arajo

Coordenadora de Formao Inicial e Educao Continuada Clara Maria de Souza Magalhes

Coordenador de Desenvolvimento e Planejamento Joo Carlos Paschoal Freitas

Coordenador de Infraestrutura Rubens Goldman

Coordenador de Gesto Administrativa e Financeira Armando Natal Maurcio

Coordenador de Recursos Humanos Elio Loureno Bolzani

Assessora de Comunicao Gleise Santa Clara

Procurador Jurdico Chefe Benedito Librio Bergamo

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de So Paulo, resulta de um esforo 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 no refletir as posies do Centro Paula Souza e da Fundao Padre Anchieta.

Apresentao

Em cursos anteriores, abordamos os temas circuitos eltricos em corrente contnua e em corrente alternada. Vimos que a montagem de um circuito eltrico feita interligando, com fios, componentes passivos diversos. Nos circuitos eltricos, 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, o fluxo de corrente , em geral, controlado por outros dispositivos, chamados de ativos, interligados em uma placa. Em eletrnica, em vez de usar apenas componentes mecnicos no circuito para controlar o fluxo de corrente, so utilizados tambm dispositivos eletrnicos, isto , podemos dizer que a eletricidade controla a eletricidade. Essa a principal diferena entre circuito eltrico e circuito eletrnico.A eletrnica fundamentada em dispositivos semicondutores, ou seja, componentes feitos de um material denominado semicondutor, que apresenta caractersticas totalmente distintas dos materiais condutores metlicos e dos isolantes. A partir da decada de 1950, a utilizao dos dispositivos eletrnicos semicondutores provocou mudanas significativas na sociedade, pois possibilitou a montagem de aparelhos eletrnicos com aplicaes em ramos de atividade industrial, comercial e residencial, entre outros.O avano em pesquisa e desenvolvimento de dispositivos semicondutores possibilitou o surgimento de empresas especializadas em eletrnica, conhecidas, em conjunto, como indstria eletrnica. Essas empresas comearam a produzir bens de consumo eletrnicos, como aparelhos de rdio e televiso, telefones e computadores. Tambm modificaram significativamente os meios de comunicao, sobretudo com a criao do satlite e, mais tarde, da internet. H 50 anos um acontecimento local levava horas para ser difundido e chegar ao conhecimento de outras pessoas de comunidades distantes. Hoje sua transmisso praticamente instantnea ou com atraso de poucos segundos, e tudo isso graas pesquisa e ao desenvolvimento de dispositivos semicondutores e outros componentes da indstria eletrnica.

Bons estudos!

Os autores

Sumrio17 Captulo 1

Instrumentos1.1 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. . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.6 Medio de tenso alternada . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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

1.7.1 Ciclo de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.8 Offset de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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

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

35 Captulo 2Semicondutores2.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.1 Juno PN com polarizao reversa . . . . . 43

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

2.5 Diodo 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 semicondutores3.1 Retificador de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2 Retificador de meia onda com filtro capacitivo . . 63

3.3 Retificador 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 Grampeador de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

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

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

81 Captulo 4Transistores bipolares4.1 Construo bsica e princpio de funcionamento 82

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

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

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Capa: Thais Alves de Godoy, aluna do Centro Paula Souza Foto: Eduardo Pozella e Carlos Piratininga

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.8.2 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 Circuitos 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 Reguladores de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

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

4.10.2 Reguladores integrados de trs

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

111 Captulo 5Amplificadores5.1 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 frequncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

5.4 Anlise 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.4.4 Mais sobre amplificador EC com resistncia

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

5.5 Amplificador coletor comum . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.6 Amplificadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . .131

5.6.1 Amplificador classe A . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.6.2 Amplificador classe B . . . . . . . . . . . . . . . . 132

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

5.6.4 Amplificador classe C . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.6.5 Amplificador classe D . . . . . . . . . . . . . . . 136

139 Captulo 6Transistor efeito de campo6.1 Transistor efeito de campo de juno . . . . . . . . 140

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

6.1.2 Curva caracterstica de transferncia . . . 144

6.1.3 Transcondutncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

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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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.2.5 MOSFET de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . 164

167 Captulo 7Amplificadores diferenciais e operacionais7.1 Amplificador diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 bsicos . . . . . . . . . . . . . . . 179

7.2.2 Caractersticas de um amplificador

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

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

7.2.4 Aplicaes lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7.2.5 Aplicaes no lineares . . . . . . . . . . . . . . 231

245 Captulo 8Temporizador 5558.1 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 unijuno9.1 Oscilador de relaxao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

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

269 Captulo 10Tiristores10.1 SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

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

10.1.2 SCRs comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Disparo por pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

10.1.10 Transformador de pulsos . . . . . . . . . . . 286

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

10.2.1 DIACs comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

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

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

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

SerGei deVyatkin/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 Luz automtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

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

10.6 Circuito integrado TCA 785 . . . . . . . . . . . . . . 298

10.7 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 11Optoeletrnica11.1 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

11.1.1 Fotorresistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

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

11.1.3 Fototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

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

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

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

11.4 Interruptor ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

11.5 Refletor ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

321 Referncias bibliogrficas

daVid J. Green - electrical/alamy/otHer imaGeS

CAPTULO 1ELETRNICA 2

18 19

N este captulo, apresentaremos uma breve introduo sobre trs instrumentos frequentemente utilizados nos cursos de eletrnica e na indstria: o osciloscpio, o gerador de funes e o multmetro. O primeiro empregado para observar e medir as formas de onda de tenso; o segundo, para gerar diversas formas de onda de tenso; e o terceiro, de uso mais comum, para medir tenso, corrente e resistncia, entre outras funes.

1.1 Osciloscpio analgicoO osciloscpio um instrumento utilizado para visualizar a forma de onda dos sinais, possibilitando anlises qualitativa e quantitativa dos componentes eletrnicos 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 seus componentes e as respectivas funes. Os modelos mais simples so dotados de um tubo de raios catdicos (TRC) com uma tela transparente revestida de material fluorescente. Quando o feixe de eltrons incide em sua superfcie, deixa uma 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 fluorescente. O desvio ocorre em decorrncia das tenses aplicadas entre placas colocadas horizontal e verticalmente, permitindo que a forma de onda seja visualizada.

O material empregado para cobrir a tela do TRC chamado de fsforo. Existem vrios tipos de fsforo, um para cada aplicao. Por exemplo, o P1 usado para observao visual de fenmenos de mdia velocidade e tem persistncia de cerca de 15 ms depois de o feixe ser removido. J o P7 utilizado para observao de fenmenos lentos, com persistncia de cerca de 10 s, ideal para uso em equipamentos de monitorao de pacientes em hospitais. O grande inconveniente que a tela pode ser danificada caso o feixe de eltrons seja mantido em um mesmo ponto por muito tempo.

Ao redor do TRC existe uma blindagem magntica feita de uma liga especial de ao. Sua funo inibir a ao de campos magnticos externos que possam distorcer o feixe de eltrons. importante ressaltar que a deflexo do feixe de eltrons (desvio) pode ser efetuada com a aplicao de um campo eltrico por meio de placas ou um campo magntico gerado por bobinas indutoras. No caso do osciloscpio, a deflexo eletrosttica, ou seja, dse atravs de placas, pois bobinas so adequadas somente em baixas frequncias. Por exemplo, nos tubos de TV, a frequncia da ordem de 15 kHz, enquanto, no osciloscpio, atinge centenas de MHz.

A figura 1.2 uma representao esquemtica do TRC e seus principais eletrodos de controle do feixe de eltrons.

grade de controle

placas de deexovertical

lamento ecatodo

anodo de focalizao

anodo deacelerao

placas dedeexo

horizontal

revestimento interno de Aquadag

tela revestidade materialuorescente

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Figura 1.2estrutura simplificada de um tubo de raios catdicos.

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20 21

Uma tenso aplicada entre as PDV provocar um movimento do feixe na vertical. A figura 1.3 mostra as PDV submetidas a vrias condies de tenso, inclusive tenso nula.

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

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

Filamento Est localizado no interior do catodo, mas isolado dele. Ao ser submetido a uma tenso, o filamento se aquece e emite calor. O catodo, por estar prximo, tambm se aquece, provocando a emisso do feixe de eltrons.

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

Anodo de focalizao Eletrodo que funciona como uma lente, direcionando o feixe para a tela.

Anodo de acelerao Ligado a uma tenso positiva, esse eletrodo tem a funo de acelerar os eltrons em direo tela, para que adquiram energia suficiente para produzir um ponto e gerar a fluorescncia.

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

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

Aquadag Material condutor base de grafite que tem a funo de coletar os 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 entre as placas verticais, o ponto se deslocar rapidamente de baixo para cima e, por causa da rapidez do movimento e da persistncia da luminosidade na tela, ser visualizada 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, quando a placa superior negativa e com a tenso senoidal de frequncia suficientemente alta. importante notar que o tamanho do trao est relacionado amplitude da tenso: 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. A figura 1.5 mostra as placas vistas de cima e de frente.

Na figura 1.6, observamse as vrias trajetrias dos feixes (imagens superiores) e as possibilidades para a tenso aplicada nas PDH (imagens inferiores).

a) b) c) d)

Figura 1.4Vista frontal da tela do osciloscpio:(a) tenso nula entre as PdV,(b) placa superior positiva, (c) placa superior negativa e (d) tenso senoidal.

VC

VF

Figura 1.5Vista de cima (Vc) e vista frontal (VF) das PdH.


22 23

1.2 Composio de movimentos

Se for aplicada tenso ao mesmo tempo nas PDV e PDH, haver uma composio de movimentos. Como resultado, o feixe de eltrons se deslocar de acordo com a intensidade e polaridade das tenses aplicadas, como exemplificado na figura 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 do feixe de eltrons para

diferentes combinaes de tenses aplicadas

nas PdV e PdH.

1.3 Tenso dente de serra

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

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

Se um osciloscpio estiver calibrado, possvel medir a tenso observando o deslocamento do feixe na tela. Levemos em conta os exemplos da figura 1.9. Supondo que o ganho esteja calibrado em 2 V/diviso, no primeiro caso, sem tenso (referncia 0 V), o trao permanecer no meio. No segundo exemplo, como o feixe subiu trs divises, a tenso medida 2 (V/div) 3(div) = 6 V (em relao referncia adotada). No terceiro caso, adotando a mesma referncia, como o deslocamento foi trs divises para baixo, 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 dente de serra aplicada nas PdH:(a) tenso nula nas PdV,(b) tenso positiva nas PdV e(c) tenso negativa nas PdV.

Ganho, no caso do osciloscpio, refere-se amplitude do sinal visto na tela.


24 25

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

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

1.4 Osciloscpio padroVamos conhecer outras particularidades do osciloscpio analgico padro. Esse equipamento apresenta, na maioria das vezes, um painel frontal semelhante ao da figura 1.11 (osciloscpio de dois canais); a posio dos botes no painel de controle pode ser diferente, dependendo do fabricante. Antes de tudo, preciso saber identificar as funes dos botes no painel de controle frontal e como se estabiliza a imagem da forma de onda na tela.

PDV PDV

PDH PDH

1a varredura

2a varredura

2a varredura

1a varredura

a) b)

Figura 1.10tenso dente de serra aplicada nas PdH com

(a) tenso quadrada de mesma frequncia

nas PdV e(b) tenso quadrada

de frequncia duas vezes maior nas PdV.

Volts/div Volts/div

DC

Time/div

GNDAC INT EXT REDE + SINCR

Liga Foco Cal. Canal A Canal BEntr. Vertical

Entr. 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 de brilho.

Chave AC/GND/DC Na posio AC, insere internamente um capacitor, impedindo a passagem de tenses contnuas; deve ser usada para medir a ondulao (ripple) de uma tenso. Na posio GND, aterra o amplificador vertical, estabelecendo o zero de referncia. Na posio DC, deixa passar o sinal e a componente contnua deve ser utilizada quando se deseja observar um sinal de valor mdio. A figura 1.12 mostra as trs condies.

Volts/div Permite alterar a sensibilidade na vertical, associando cada diviso na vertical a um valor em volts. Por exemplo, 1 V/div significa que, se o sinal ocupar 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 diviso da tela na horizontal. Essencialmente, muda a frequncia do dente de serra. Por exemplo, o valor 1 ms/div significa que, se um ciclo do sinal ocupar uma diviso na horizontal, seu perodo ser de 1 ms.

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

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

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

entradavertical

para o amplicador vertical

AC

DC

GND

Figura 1.12chave seletora de entrada.


26 27

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

Na figura 1.13, a sada calibrada est ligada ao canal 1 por pontas de prova, pelas quais o osciloscpio recebe a informao do meio exterior (o sinal). As pontas podem ser atenuadas ou no. Ponta atenuada significa que um sinal de 10 VPP dividido por 10 e, portanto, efetivamente o osciloscpio recebe 1 VPP. Ento, ao ler esse valor na tela do osciloscpio, necessrio multipliclo por 10. Na ponta de 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 posio x1 ou x10. Alm disso, existe outro ajuste na ponta de prova, que o capacitor de compensao, explicado a seguir.

De maneira geral, o circuito da figura 1.14a representa a ponta de prova com a impedncia de entrada (R2) do osciloscpio (que normalmente 1 M M) e a resistncia de atenuao (R1, que vale 9 M se a impedncia de entrada for 1 M). C2 representa a capacitncia parasitria, que decorrente da fiao.

Na figura 1.14b observase o circuito com compensao. Sem nenhuma compensao, a forma de uma onda quadrada apresenta uma distoro que pode ocorrer por sobretenso (overshoot) ou subtenso (undershoot). A compensao feita por um capacitor varivel colocado na ponta de prova para que resulte em uma forma de onda perfeitamente quadrada. A figura 1.14c representa as formas de onda.

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

CRR

C12

12=

(1.1)

Canal 1CaL Canal 2

Volts/div

Volts/div

Time/div 1 ms

Figura 1.13Sada calibrada,

ligada ao canal 1.

muito comum o uso apenas do

mltiplo da unidade nos casos em que

ela est claramente subentendida (nesse caso, o

ohm). A inteno do emprego neste

livro proporcionar ao leitor uma viso

ampla do que se encontra na prtica.

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

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

para osciloscpio para osciloscpio

Ve

R1R1 C1

Ve

R2R2 C2C2

a) b)

c)

(1 M) (1 M)

(9 M) (9 M)

C1 correto

C1 muito pequeno

C1 muito alto

Figura 1.14circuito de entrada do osciloscpio:(a) sem capacitor de compensao,(b) com capacitor de compensao e(c) formas de onda com compensao e sem compensao. os valores das resistncias esto em megaohm.

Figura 1.15Ponta de prova.

Vil

ax

/SH

utt

erSt

oc

k


28 29

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

Qual das trs imagens mais adequada para visualizao? Com certeza a da tela representada na figura 1.16c, pois apresenta mais preciso. Portanto, as escolhas do ganho vertical e da base de tempo so dois fatores importantes para boa visualizao da imagem.

1.5 Medio de tenso contnuaUma tenso contnua aparece na tela do osciloscpio como uma linha contnua. Para medir seu valor, contase na tela o nmero de divises, a partir da referncia zero, e multiplicase esse nmero por volts/diviso:

medida n dedivises voltsdiviso

o=

Para realizar a medio, devese obter a linha contnua ajustando a base de tempo em 1 ms/div, manter a entrada em GND e deslocar o trao para uma posio adequada na primeira linha, por exemplo.

Escolha um ganho vertical compatvel com o valor a ser medido. Em geral, a tela tem oito divises. Portanto, a mxima tenso que pode ser medida se o ganho vertical for 1 V/div ser 8 V; qualquer valor acima de 8 V far com que o trao saia da tela (levando em conta que o zero est na primeira linha). Evite utilizar um 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 figura 1.17, para obter a mxima preciso, devese escolher o menor V/div possvel que permita o surgimento do trao na tela (figura 1.17a).

1.6 Medio de tenso alternadaA 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 medir a tenso contnua, ou seja, escolher adequadamente o ganho vertical (V/div) e a base de tempo (ms/div). A figura 1.18 mostra uma tenso senoidal de 10VP (20 VPP) e frequncia de 1 kHz para diferentes ajustes do ganho vertical. Em todos os casos a base de tempo est fixada em 0,2 ms/div e o ganho vertical varia em 5 V/div (figura 1.18a), 20 V/div (figura 1.18b) e 2 V/div (figura 1.18c). Claramente o melhor ajuste do ganho vertical o primeiro, em que o sinal ocupa a maior parte da tela sem perder informao.

Para a medida do perodo, ou seja, o inverso da frequncia, a escolha da base de tempo fundamental. Na figura 1.19, em todos os casos o ganho vertical est fixado 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 representaes medindo uma tenso senoidal de 20 VPP/1 kHz com ganho vertical ajustado em: (a) 5 V/div, (b) 20 V/dive (c) 2 V/div.


30 31

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

1.7 Gerador de funes um instrumento utilizado para gerar sinais eltricos de diversas formas de onda (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 e tambm uma tenso CC (offset).

Em geral o painel do gerador de funes tem um frequencmetro digital (figura 1.20), que permite visualizar o valor da frequncia que est sendo ajustada. O sinal sai do gerador de funes atravs de um cabo com conector BNC igual ao usado no osciloscpio.

1.7.1 Ciclo de trabalho

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

a) b) c)

Figura 1.19trs representaes medindo perodo de

senoide de 1 kHz com ganho horizontal ajustado

em: (a) 0,2 ms/div,(b) 2 ms/div e(c) 50 s/div.

display: frequncia/amplitude ajuste: amplitude/frequncia

Power

Ampli Freq oset %Duty

botes de controle sada de sinal

Figura 1.20aspecto geral de um gerador de funes.

No caso de onda quadrada, definido como:

DCTTH% = 100 (1.2)

em que TH a durao do tempo alto e T o perodo.

A figura 1.21 mostra exemplos de valores de ciclo de trabalho de uma onda quadrada.

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

DCTT

% = + 100 (1.3)

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

A figura 1.22 apresenta exemplos de valores de ciclo de trabalho de uma onda triangular.

TH

TT

TH

T

TH

a) b) c)

Figura 1.21ciclo de trabalho de uma onda quadrada em:(a) 80%,(b) 50% e(c) 20%.

a) b) c)

Figura 1.22ciclo de trabalho de uma onda triangular em:(a) 80%,(b) 50% e(c) 20%.


32 33

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

1.8 Offset de tenso

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

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

O multmetro analgico tem um ponteiro que se desloca sobre um painel com escalas graduadas que permitem a leitura do valor mensurado. No multmetro digital a leitura do valor medido aparece em um display digital.

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 offset e (c) com 4 V de offset.

Em geral, os multmetros analgicos so usados para medir as trs principais grandezas tenso, corrente e resistncia eltrica , assim como para efetuar testes em transistores. Nos primrdios da indstria eletrnica, os multmetros analgicos 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 analgicos e tambm: capacitncia, indutncia, frequncia, temperatura, entre outras. Os multmetros digitais apresentam impedncia de entrada da ordem de 10 M, bem maior que a maioria dos analgicos (a impedncia depende da escala usada).

1.9.1 Instrumentos True RMS

Os instrumentos digitais possuem outro recurso que os analgicos no tm: a possibilidade de medida do valor eficaz de tenses no senoidais. Os instrumentos No True RMS medem apenas o valor eficaz de uma tenso alternada puramente senoidal (sem distoro); se o sinal apresentar distoro, a medida ser incorreta. Um instrumento True RMS mede o valor eficaz de qualquer forma de onda. A tabela 1.1 mostra uma comparao entre as leituras realizadas por esses instrumentos. Observe que existem dois tipos de instrumentos True RMS, um com acoplamento CA e o outro com acoplamento CA + CC (quando a tenso CA tem nvel CC).

Figura 1.25(a) multmetro analgico e (b) multmetro digital.

Bra

Gin

ax

eley

/SH

utt

erSt

oc

k

dm

itry

eli

uSe

eV/S

Hu

tter

Sto

ck

wik

emed

ia.o

rG

(a) (b)

Captulo 2

Semicondutores

ELETRNICA 2

34

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 coincidentes. Nos outros casos, h uma diferena quando o instrumento usado No True RMS.

Tabela 1.1comparao entre

instrumentos no true rmS e true rmS.


36 37

2.1 Classificao dos materiais

De maneira bem simples, a classificao dos materiais em relao a seu comportamento eltrico feita dividindoos em isolantes e condutores.

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

Os isolantes so materiais que, em condies normais, no permitem a passagem da 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 intermedirias entre os isolantes e os condutores: os semicondutores (que tambm poderiam ser chamados de semiisolantes). Esses materiais tm sido muito utilizados na indstria eletrnica desde a decada de 1950, tanto na construo de componentes como na de circuitos integrados. Os principais semicondutores so o silcio e o germnio, apesar de existir grande variedade de outros materiais.

A classificao dos materiais quanto capacidade de conduzir ou no a corrente eltrica pode ser feita de acordo com sua condutividade ou resistividade. A figura 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 ou nenhuma utilidade quando est nessas condies. Como dissemos, os principais semicondutores usados so o silcio (Si) e o germnio (Ge); existem outros, porm no sero abordados neste livro. O estudo de semicondutores pode ser feito de duas maneiras: por meio do conceito de bandas de energia (anlise que utiliza conceitos da Fsica) ou por meio do conceito de ligao covalente (que uma abordagem da Qumica). Usaremos a segunda por apresentar significado mais concreto.

Isolantes Semicondutores Metais

10 20 10 16 10 12 10 8 10 4 10 0 10 4 10 8

Slica fundida

Diam

ante

Vidro

Silcio

Germ

nio

FerroCobre

Condutividade ( ohm 1 cm 1 )

Figura 2.1classificao dos materiais

segundo sua condutividade.

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

Como o nmero de eltrons igual ao nmero de prtons, o tomo dito neutro. Muitas vezes nos referimos ao silcio como cristal de silcio, porque o arranjo geomtrico de seus tomos feito de forma simtrica e regular em todas as direes, motivo pelo qual chamado de cbico. Nesse arranjo um tomo de Si se liga a quatro tomos vizinhos por ligaes covalentes, em que cada tomo fornece um eltron, formando, na ltima camada, oito eltrons, o que configura uma situao estvel. A figura 2.3 ilustra, no plano, o arranjo espacial dessa configurao.

importante notar que, nas condies indicadas na figura 2.3, o silcio se comporta como isolante, pois no existem cargas livres. No entanto, com o aumento da temperatura, a energia trmica fornecida ao cristal provoca a quebra de

Si

Ncleo

(a) (b)

Figura 2.2estrutura simplificada do tomo de Si(a) com todas as camadas e (b) com o ncleo e a camada de valncia.

Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Figura 2.3estrutura cristalina do Si temperatura de 0 k (273 c) comportamento de isolantes.


38 39

algumas ligaes covalentes, liberando, assim, eltrons de valncia. Os espaos vazios deixados por causa de tais rompimentos se comportam como cargas eltricas positivas, denominadas lacunas ou buracos.

A figura 2.4 representa a mesma estrutura da figura 2.3, mas com algumas das ligaes covalentes rompidas. A quantidade de energia necessria para quebrar uma ligao depende do tipo do semicondutor; no caso do Ge, 0,72 eV e, no do Si, 1,1 eV.

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

Para entendermos o mecanismo de conduo de eltrons e lacunas, consideremos as figuras 2.5, 2.6 e 2.7.

Na figura 2.5, o eltron livre est representado por um ponto preto e sua ausncia (a lacuna), na ligao covalente, por um ponto branco. O sentido do campo eltrico tal que o eltron se movimenta para a esquerda, onde est o polo positivo 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 pares eltron-lacuna.

campo eltrico

eltron livre

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.5cristal de Si submetido a

um campo eltrico (tenso eltrica) em um instante t1.

A figura 2.6 mostra o instante seguinte, em que um eltron de valncia com energia suficiente pode preencher a lacuna, demonstrando que ela se deslocou para a direita, no sentido do polo negativo da bateria.

Esse fenmeno se repete para outro eltron de valncia, como ilustra a figura 2.7. Assim, existe no semicondutor uma corrente de eltrons livres da direita para a esquerda e uma corrente de lacunas da esquerda para a direita, e essas correntes se somam. importante notar que os eltrons de valncia que se deslocam para a esquerda eventualmente encontraro a borda do cristal e, portanto, o polo positivo da bateria, transformandose em eltrons livres. A corrente total no cristal ser a soma do fluxo de eltrons com o fluxo de lacunas: IT = Ie + Il.

2.3 Semicondutor extrnseco

Na prtica, no usamos o semicondutor intrnseco, e sim o extrnseco. O semicondutor extrnseco obtido pela adio de elementos chamados de impurezas (tipos de tomos), cuja principal finalidade alterar algumas propriedades eltricas, principalmente a resistividade em relao ao fluxo de eltrons. Existem dois tipos de semicondutores extrnsecos: o material N e o material P.

campo eltrico

eltron livre

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.6cristal de Si submetido a um campo eltrico (tenso eltrica) num instante t2 > t1.

campo eltrico

eltron livrelacuna

lacuna

bordas do cristal

Si Si Si Si

Figura 2.7cristal de Si submetido a um campo eltrico (tenso eltrica) em um instante t3 > t2.


40 41

2.3.1 Semicondutor tipo N

obtido adicionando ao cristal puro (de silcio ou germnio) um material pentavalente, isto , que tem em sua ltima camada cinco eltrons de valncia. Em geral, o material mais utilizado o fsforo (P).

O que acontece, ento, quando tomos de fsforo so adicionados ao cristal do semicondutor? Tomemos como exemplo um semicondutor de silcio. Alguns de seus tomos sero substitudos pelo tomo do fsforo, e, como o nmero de tomos da impureza muito menor que o de tomos do semicondutor, essa impureza se ligar a quatro tomos de silcio, conforme ilustra a figura 2.8a. Observe que cada tomo de silcio contribui com um eltron para que ocorra uma ligao compartilhada, sobrando um eltron. Esse quinto eltron est fracamente ligado ao tomo, bastando uma energia diminuta para tornlo livre. O importante dessa situao que no foi gerada nenhuma lacuna (figura 2.8b).

Esse processo pode ser mais bem compreendido se imaginarmos a temperatura variando 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 isolante. Aumentando gradativamente a temperatura, o quinto eltron liberado e o material passa a conduzir corrente eltrica. Quanto mais a temperatura aumenta, mais ligaes covalentes comeam a se quebrar, gerando mais eltrons livres e lacunas. Assim, o material tornase neutro, motivo pelo qual recebe o nome 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 portadores majoritrios e as lacunas, de portadores minoritrios. extremamente importante notar que a quantidade de impureza adicionada determina a principal caracterstica eltrica, que a condutividade, pois, quanto maior o nmero de eltrons 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 superaquecimento dos componentes semicondutores) pode causar travamento. Essa uma desvantagem do semicondutor quando comparado com a vlvula terminica, mas mesmo assim os pontos positivos superam de longe os negativos.

2.3.2 Semicondutor tipo P

obtido adicionando quantidades controladas de impureza trivalente ao material puro (semicondutor intrnseco). Um exemplo desse tipo de impureza o boro (B). Como o boro trivalente, seus trs eltrons de valncia sero compartilhados com quatro tomos de silcio das vizinhanas, porm uma das ligaes no 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 valncia de um tomo vizinho ao da impureza no tm energia suficiente para preencher a ligao, e, portanto, o material se comporta como isolante. Conforme a temperatura aumenta, um eltron de valncia do tomo vizinho recebe energia suficiente para se deslocar e ocupa a vaga na ligao no completada com um dos eltrons do boro. Desse modo, como o tomo estava neutro e passa a ter um eltron a mais, tornase um on negativo. A vaga deixada por esse eltron pode se comportar como lacuna. Ento, foi gerada lacuna sem o aparecimento de eltron livre, e por isso o material chamado de P.

Se a temperatura aumentar mais ainda, alm da temperatura de ionizao, sero gerados os pares eltronlacuna. Nesse caso, as lacunas so portadores majoritrios e os eltrons livres, portadores minoritrios.

Vlvula terminica um dispositivo eletrnico constitudo de um filamento, um catodo e um anodo no interior de um tubo de vidro no qual h vcuo ou gs sob baixa presso. Nela, a corrente eltrica s pode passar em um sentido.

ligao nocompletada

o eltron de valnciadesta posio se moveupara outra posio

BB SiSi

Si

Si

SiSi

Si

SiSi

Si

Si

Si

Si

Si

(a) (b)

Figura 2.9(a) tomo de boro ligado a quatro tomos de Si abaixo da temperatura de ionizao;(b) a vaga (lacuna) preenchida por um eltron de valncia de um tomo prximo, gerando um on negativo preso estrutura cristalina acima da temperatura de ionizao.


42 43

2.4 Juno PN

Se uma barra de material P ligada metalurgicamente a uma barra de material N, criase uma juno PN, cujas caractersticas permitem a produo de todos os dispositivos eletrnicos.

A diferena de concentrao de lacunas e eltrons livres entre as duas regies da juno PN possibilita a ocorrncia de um fenmeno chamado de difuso: deslocamento (corrente eltrica) de lacunas do lado P para o N e de eltrons livres do lado N para o P.

A difuso no um processo contnuo, pois o deslocamento de eltrons e lacunas faz surgir uma regio de cargas negativas (tomos de impurezas receptoras que aceitaram esses eltrons) e positivas fixas (figura 2.10). Nessa regio, denominada regio de cargas espaciais (RCE) ou regio de depleo, no existem cargas livres, uma vez que, em razo do campo eltrico gerado pelas cargas espaciais, caso aparea uma carga livre (eltron livre ou lacuna), ela ser acelerada por esse campo, deslocandose para o lado N ou P. As cargas fixas criam uma barreira de potencial que se ope difuso de mais portadores majoritrios lacunas no lado P e eltrons livres no lado N. Essa corrente representada por IDifuso.

Os portadores minoritrios de ambos os lados da juno esto movimentandose aleatoriamente por causa da temperatura. Se algum dos portadores minoritrios (aqueles gerados pela temperatura) eltrons livres no lado P ou lacunas no lado N se aproximar da RCE, ser acelerado pelo campo eltrico existente nessa regio e passar para o outro lado da juno. Essa corrente chamada de corrente de 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 duas correntes: 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 depleo aumentar, elevando a altura da barreira de potencial e dificultando a passagem dos portadores majoritrios de um lado da juno para o outro. Atravs da juno existir uma corrente constituda de portadores minoritrios, os quais dependem apenas da temperatura. Essa corrente chamada de 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 desprezvel, toda a tenso externa aplicada na juno, diminuindo a barreira. No entanto, a corrente comea a aumentar quando a tenso aplicada na juno for de aproximadamente 0,6 V.

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

largura com polarizao

largura sempolarizao

IDeriva = ls

P N

Figura 2.11Juno Pn com polarizao reversa.


44 45

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

T=

( - ) 1 (2.2)

em que:

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

tura ambiente (T = 300 K).

Com a juno polarizada diretamente (VD > 0), I positiva; com a juno polarizada 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 todas as suas caractersticas, ou seja, permite a passagem da corrente em um nico sentido quando adequadamente polarizado (polarizao direta) e bloqueia a corrente quando a polaridade da tenso inverte (polarizao reversa).

A figura 2.13 mostra a representao esquemtica do diodo de juno com seus terminais hmicos anodo (A) e catodo (K) , seu smbolo e exemplos de diodos comerciais.

2.5.1 Curva caracterstica do diodo

O grfico da figura 2.14 mostra a curva caracterstica de um diodo de juno de silcio, que corresponde equao:

I I eSVVD

T=

( - ) 1

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

1. Regio de polarizao direta: VD > 0,6 V2. Regio de polarizao reversa: VD < 0 V3. Regio de ruptura: VD < VBK

anodo

(a) (b)

catodo

P NA

A

K

K

Figura 2.13(a) diodo de juno com terminais hmicos,(b) smbolo do diodo de juno e(c) diodos de uso geral.

BoG

da

n io

neS

cu

/SH

utt

erSt

oc

k

(c)


46 47

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

I I eSVVD

T=

( - ) 1 (2.2)

em que:

IS a corrente reversa de saturao,VD a tenso aplicada no diodo, uma constante que depende da forma como o diodo foi construdo eVT uma constante 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 eSVVD

T=

( )

Para VD < 0 e em mdulo muito maior que 26 mV, a expresso da corrente ser aproximadamente igual IS.

Existe um valor de tenso que provoca a ruptura da juno, destruindo o diodo por efeito Joule (aumento excessivo de calor). Essa tenso de ruptura (breakdown) representada por VD < VBK, que na literatura costuma aparecer como VBR e no manual dos fabricantes como VRRM (mxima tenso reversa de pico repetitiva). Em alguns casos, o diodo construdo especialmente para operar nessa regio, como o diodo Zener.

Id

Diodo de Si(Silcio)

VBK

Ruptura Reserva Direta

Vd0.000 0.500

Figura 2.14curva caracterstica de um

diodo de juno de Si.

A tabela 2.1 apresenta os dados de diodos de uso geral, para 1 A (IF(AV)) e de diferentes tenses reversas.

General Purpose RectifiersAbsolute Maximum Ratings* TA = 25 C unless otherwise noted

Symbol Parameter Value Units

VRRM Peak Repetitive Reverse Voltage4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007

V50 100 200 400 600 800 1000

IF(AV)Average Rectified Forward Current, .375 lead length @ TA = 75 C

1.0 A

IFSMNon-Repetitive Peak Forward Surge Current 8.3 ms Single Half-Sine-Wave 30 A

TSTG Storage Temperature Range 55 to +175 C

TJ Operating Junction Temperature 55 to +175 C

* These ratings are limiting values above which the serviceability of any semiconductor device may by impaired.

2.5.2 Diodo polarizado diretamente

O comportamento similar ao da juno PN. Em conduo, um diodo de silcio apresenta queda de tenso de aproximadamente 0,7 V. Assim, por exemplo, podemos estimar a corrente de um circuito de 10 V e 1 k simplesmente escrevendo a equao da malha: 10 = 1 k I + 0,7. Da tiramos que:

Ik

mA= 10 0 71

9 3, , (2.3)

O circuito do exemplo est ilustrado na figura 2.15.

importante observar que, para efeito de clculo, consideramos que a queda de tenso, no caso de diodo polarizado diretamente, 0,7 V. Alguns autores adotam 0,6 V, mas na prtica no faz muita diferena.

Tabela 2.1Folha de dados parcial diodos de uso geral.

RD1 k

9,35 mA

10 V

Figura 2.15circuito com diodo polarizado diretamente.


48 49

2.5.3 Diodo polarizado reversamente

Quando o diodo est polarizado reversamente, a corrente que se estabelece atravs dele da ordem de nA, ou seja, praticamente nula (figura 2.16). Essa corrente reversa, tambm chamada de corrente de fuga, depende de aspectos fsicos do material, como dopagem e dimenses, e de fatores externos, entre eles a temperatura de trabalho (o valor dobra a cada aumento de 10 C). Importante: quando o diodo est polarizado reversamente, a tenso da fonte est aplicada nos terminais do diodo, o qual deve ter capacidade para suportar a tenso reversa; caso contrrio, pode ocorrer um fenmeno denominado avalanche, que, em geral, causa a ruptura da juno.

A corrente de fuga a soma da corrente reversa de saturao com a corrente superficial. A corrente de saturao depende da dopagem do semicondutor e da temperatura de trabalho; a corrente superficial, das dimenses fsicas do diodo, variando de acordo com a tenso aplicada. Por essa razo, observando a curva do diodo em polarizao reversa, possvel notar uma ligeira inclinao, que indica um 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 representlo em um circuito por meio de componentes bsicos, o que permite usar as leis de circuito para analislo.

Alm do modelo adotado pelo fabricante do simulador, existem modelos simples que o projetista de circuitos pode utilizar, dependendo da complexidade e da preciso que ele deseja obter.

Por exemplo, no caso do diodo, quando polarizado reversamente, representado por um circuito aberto (chave aberta); quando ligado em polarizao direta, utilizase um dos modelos ou circuitos equivalentes descritos a seguir.

Modelo 1 Diodo ideal

o circuito equivalente (modelo) mais simples. Consiste em representar o diodo por uma chave fechada (curtocircuito), quando polarizado diretamente, e por um 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 o circuito equivalente.

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

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

ID

polarizao polarizao

a) b)

reserva direta

< > 00 _VD

VD VD

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

1 k 1 k1N4001

99,2 mA

a)

chave

100 mA

100 V 100 V

b)

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

1 k 1 k1N4001

chave

0,95 mA 1,5 mA

1,5 V 1,5 V

a) b)

Figura 2.19(a) Simulao e (b) circuito com o modelo 1 (inadequado).


50 51

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

Modelo 2 Bateria

Um modelo mais elaborado considera o diodo conduzindo corrente eltrica como se fosse uma pequena bateria de 0,6 V (valor a partir do qual o diodo inicia a conduo). Portanto, se a tenso aplicada no diodo for menor que 0,6 V, ele se comportar como uma chave aberta; se a tenso estiver acima de 0,6 V, o diodo ser substitudo por uma bateria de 0,6 V. A figura 2.20 mostra a curva caracterstica representativa desse modelo e o circuito equivalente.

Na figura 2.21, podese verificar que os valores obtidos no diodo real e no modelo so muito prximos.

O modelo com bateria deve ser usado quando a tenso de polarizao for maior que 0,6 V e da mesma ordem de grandeza.

Modelo 3 Bateria e resistncia (modelo linearizado por trechos de reta)

Podese obter maior preciso levando em conta a resistncia do diodo quando est em conduo. A figura 2.22a ilustra a curva caracterstica linearizada por dois trechos de reta, que representa a bateria em srie com resistncia de baixo valor.

VD VD< > 0,6 V

0,6 V0,6 V

0 _VD

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 mA1,5 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 o modelo, com resistncia direta de 5 e resistncia de carga de 1 k.

A figura 2.24 reproduz a mesma anlise, porm com uma resistncia de carga menor, 100 .

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

VDRD

VD< > 0,6 V

0,6 V0,6 V

0 _

VD

ID

a) b)

Figura 2.22modelo que considera resistncia direta:(a) curva caracterstica e(b) circuito equivalente.

1 k 1 k1N4001

0,95 mA

0,6 V

0,89 mA1,5 V 1,5 V

5

a) b)

Figura 2.23(a) Simulao e (b) circuito com 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 diodo simulao no microcap e (b) circuito com o modelo que representa dois trechos de reta.


52 53

2.5.5 Anlise grfica

Um circuito com diodo pode ser examinado de duas maneiras: analiticamente, usando qualquer um dos modelos apresentados no item 2.5.4, ou graficamente, por meio de sua curva caracterstica. importante conhecer esse tipo de anlise, pois apresenta alguns conceitos que sero utilizados na anlise de circuitos com transistores.

A anlise grfica consiste em representar no mesmo grfico a curva do diodo e a curva do gerador. O gerador tem fora eletromotriz igual a VCC e resistncia interna R. A interseo dos dois grficos a soluo (corrente e tenso nos dois bipolos).

Consideremos que a equao do diodo seja:

I I eD SVVD

T=

( ) 1

e a do gerador:

VD = VCC R ID,

cujo grfico uma reta conhecida como reta de carga. A representao grfica da figura 2.25b ilustra a interseo dos dois grficos.

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

(m

A)

Vcc

R

b)

a)

Figura 2.25anlise grfica:

(a) circuito e(b) curva caracterstica

e reta de carga.

A interseo entre a reta e a curva do diodo determina um ponto, chamado ponto Q (ponto quiescente), que a soluo. Considerando VCC = 3 V, R = 80 e o diodo 1N4001, a soluo ID = 28 mA e VD = 0,7 V. Essa soluo apresenta os mesmos valores encontrados no modelo com bateria, analisado no item 2.5.4.

2.5.6 Teste de diodos

Em muitas situaes de trabalho na rea eletrnica, necessrio realizar testes em semicondutores para saber quais so seus terminais (anodo e catodo) e verificar se esto com defeito (aberto em curtocircuito ou com fuga). O teste de semicondutores baseiase no fato de que, sob polarizao direta, uma juno PN 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 em um multmetro analgico e posicionar as pontas de prova nos terminais de um diodo, ocorrero as duas situaes indicadas na figura 2.26.

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

A figura 2.27 mostra como realizar o teste usando o multmetro digital, com a chave posicionada no smbolo do diodo. Quando o diodo est em boas condies, em polarizao direta, o display exibe um valor de tenso de 650 a 700 mV e, em polarizao reversa, uma barra vertical do lado esquerdo, indicando resistncia muito alta (figura 2.27a). Se no display aparecem zeros, o diodo est em curtocircuito (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.


54 55

2.6 Diodo varicap

Um diodo varicap ou varactor uma juno PN que funciona com polarizao reversa (figura 2.28). Sua principal caracterstica permitir que a capacitncia associada regio de carga espacial seja alterada de acordo com a tenso reversa aplicada. A capacitncia associada regio de carga espacial inversamente proporcional raiz quadrada da tenso aplicada. Esse tipo de diodo usado em circuitos de sintonia de rdio, TVs, osciladores controlados por tenso (VCO), sintetizadores de frequncia e qualquer aparelho em que for necessrio obter uma capacitncia varivel controlada por meio eletrnico.

a) b)

c)

a) b)

c)

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. Os diodos podem ser localizados por seu smbolo caracterstico.

MBRP3045NSchottky Barrier Rectier

12

1

2

3 TO220

1. anodo

1. anodo3. anodo

2. catodo2. catodo

MVAM108MVAM109MVAM115MVAM125

CASE 182-02, STYLE 1(TO-226AC)

anodo catodo

Reserva Voltage

0 10 20

200

300

30 40

400

500

600700800900

1 000T = 25 oC

a) b)

Figura 2.28Varicap:(a) smbolo;(b) curva de capacitncia e tenso reversa;(c) exemplos de varicaps comerciais.

Tuning Voltage

MVAMxxx

MVAMxxx

MVAMxxx

To IFAGC

+

Figura 2.29aplicao tpica de diodo varicap em circuito de rdio am.

c)


56 57

2.7 Diodo Schottky

O diodo Schottky ou de barreira usado para comutar em alta frequncia, pois nele no ocorre recombinao (lacuna encontrando eltron livre). Esse fenmeno no 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 o catodo o semicondutor, permitindo que o dispositivo seja comutado de cortado para em conduo e viceversa muito mais rpido que um diodo comum. Outra caracterstica do diodo de barreira est relacionada queda de tenso. Nesse modelo, o valor da ordem de 0,3 V, menor que em diodos tradicionais. O diodo Schottky utilizado em fontes chaveadas que operam em dezenas de quilohertz e na proteo contra transientes de tenso elevados. A figura 2.30 mostra os aspectos construtivo e fsico desse diodo e seu smbolo.

metal

anodomaterial N

catodo anodo catodo

DO-204AL(DO-41)

Major Ratings and Characteristics

Characteristics 10DF. 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 figura 2.31.

Soluo:

Para resolver o circuito, basta aplicar o teorema de Thvenin entre os pontos A e B, chegando ao circuito da figura 2.32.

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

I V Vk

mA= =12 62

3

3 kR1

18 VA D

6 V

B

6 kR2

Figura 2.31

RThD12 k A

B

VTh

12 V6 V

Figura 2.32

Captulo 3

Aplicaes de diodos semicondutores

ELETRNICA 2

58

2. Determine a tenso Vs no 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, admitemse oito combinaes, pois cada diodo pode estar em conduo ou cortado. Algumas dessas combinaes so altamente improvveis ou impossveis e, portanto, sero descartadas. Por exemplo, aparentemente, a bateria de 20 V promove a conduo dos trs diodos. Iniciemos a anlise imaginando que os trs diodos esto conduzindo. Para essa situao, h uma inconsistncia, pois o ponto A estaria com trs valores de tenso (5 V, 0 V e 5 V), o que no possvel.

Vamos considerar outra combinao (aparentemente a mais provvel), que D1 e D2 cortados e D3 em conduo (figura 2.34).

Nesse caso, se o diodo D3 est em conduo, seu anodo est em 5 V. Consequentemente, D2 est em polarizao reversa com 5 V e D1, com 10 V. Assim, a suposio inicial (D1 e D2 cortados e D3 em conduo) verdadeira.

Resposta final: Vs = 5 V.

20 V

3 kD1

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


60 61

Para essa mesma forma de onda, o valor da tenso eficaz (medida por um voltmetro True RMS) dado por:

VV

RMSP

=

2(3.3)

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

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

VV

CCP

=

0 7,pi

VV

RMSP

=

0 72,

D

a)

b)

c)

D

D

Vrede

Vrede

Vrede

Ve

Ve

RL

RL

RL

VL

VL

VL VeVD

Ve VD VD

VL

Ve

VP

VP

VP

VCC

VP

0

00

0

+

+

Ve

= 0

= =

diodo conduz diodo corta

d)

Figura 3.1(a) circuito retificador de meia onda;(b) circuito equivalente no semiciclo positivo;(c) circuito equivalente no semiciclo negativo;(d) formas de onda de entrada, na carga e no diodo.

A alimentao de todos os circuitos eletrnicos feita por meio de tenso contnua, porm a tenso na rede alternada. Os circuitos que convertem tenso CA em CC so chamados de conversores ou retificadores. Sua funo converter a tenso senoidal em pulsante, que, em seguida, filtrada e eventualmente aplicada em um regulador de tenso. O dispositivo utilizado para obter a retificao o diodo de juno, estudado no captulo anterior.

3.1 Retificador de meia ondaO circuito retificador de meia onda composto por um nico diodo acoplado na sada de um transformador. Graas a essa configurao, aps a passagem pelo diodo, observamse somente semiciclos positivos, pois durante o semiciclo negativo a tenso na carga nula.

Quando a tenso de entrada (Ve) for positiva, o diodo conduzir e a tenso na carga ser igual tenso de entrada descontando 0,7 V. Se a tenso de pico de entrada (VP) for muito maior que 0,7 V, a tenso na carga ser praticamente igual a Ve. No semiciclo negativo (Ve< 0), o diodo estar cortado e toda a tenso estar aplicada entre seus terminais; por isso, o diodo deve ter uma tenso de ruptura maior 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 na carga tem um componente contnuo, aqui denominado VCC (VDC, em ingls), que se calcula por:

VV

CCP

=

pi(3.1)

Portanto, a corrente na carga vale:

IVRCCCC

L

= (3.2)

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


62 63

Consideremos que no circuito da figura 3.1 VP = 17 V e o diodo 1N4001 com RL = 100 .

Os valores so:

V VCC =

=

17 0 7 5 2, ,pi

, I V mACC > =5 2100

52, e

valor eficaz = =172

8 5V V,

Podemos observar que esses valores esto bem abaixo dos limites.

3.2 Retificador de meia onda com filtro capacitivo

Esse tipo de retificador apresenta, alm do diodo retificador, um capacitor associado em paralelo com a carga. A funo do capacitor diminuir o ripple. Quanto menor for o ripple da tenso de sada de um retificador, melhor ser sua qualidade. A figura 3.3 ajuda a entender o que ripple. Nela, uma tenso senoidal de 1 V de pico est sobreposta a uma tenso CC (tambm chamada de nvel de offset) de 4 V. Se usarmos um voltmetro CC para medir essa tenso, ele indicar exatamente 4 V.

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

VV

f C RrippleP

=

(3.4)

rippleV (V)5

4

3

2

1

0

Figura 3.3tenso senoidal com nvel de offset ilustrando o conceito de ripple.

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

Dimensionamento do diodo

Os principais limites eltricos encontrados em um datasheet de diodo so:

VRRM = mxima tenso de pico reversaVRMS = mxima tenso eficazVCC = 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 diodo devem ter no mnimo os seguintes limites:

VRRM > VP

IV

RAVP

L

> pi

VRMS > VP2

VCC > VPp

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

RMS 2

VP0,7 V

VP 0,7 V

Figura 3.2Formas de onda de entrada

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

Datasheet um documento com

especificaes do componente.


64 65

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

Durante o intervalo de tempo T2, a tenso de entrada menor que a tenso na carga. 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 um receptor de rdio). Quando novamente a tenso de entrada passa a ser maior que a tenso na carga, o diodo volta a conduzir, repondo a carga perdida durante o intervalo T2.

Observe que, ao aumentar a capacitncia, o tempo de carga diminui e, consequentemente, o valor de pico da corrente no diodo aumenta. Por isso, preciso ter cuidado ao projetar circuitos com valores de capacitncia elevados.

3.3 Retificador de onda completaUm retificador de onda completa formado por dois diodos, aproveitando, portanto, os dois semiciclos da tenso senoidal da rede. Em consequncia, o valor da tenso contnua na carga aumenta e o ripple diminui, em comparao com o circuito de meia onda.

Nos retificadores de onda completa, a conexo dos diodos pode ser feita de duas maneiras, resultando em dois tipos de retificadores com caractersticas distintas: com center tap e em ponte.

3.3.1 Retificador de onda completa com center tap

Esse tipo de retificador utiliza um transformador com tomada central (center tap). Os diodos so ligados em cada uma das sadas opostas ao center tap e, como resultado, obtmse duas tenses defasadas de 180 entre si.

Ao aplicar tenso no primrio do transformador, observase que, durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, o diodo D1 conduz e o D2 corta. No semiciclo negativo da tenso de entrada, invertemse as condies: D2 conduz e D1 corta. As figuras 3.5b, 3.5c, 3.5d e 3.5e mostram as formas de onda no secundrio do transformador e na carga. Observe que as duas tenses dos terminais em relao ao terra (terminal central do secundrio) esto defasadas de 180 entre si. Consideraremos como tenso de entrada cada uma das tenses no secundrio, entre uma extremidade e o terra (center tap), com valor de pico igual a VP e defasadas de 180, isto :

Vsec1 = VP sent e Vsec2 = VP sent

em que:

VP o valor da tenso de pico alternada (em volts),C o valor da capacitncia do capacitor (em farads), f a frequncia (em Hz) do riplle (meia onda de 60 Hz e onda completa de

120 Hz) eR o valor da carga (em ohms).

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

D

a)

RLC

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 da tenso na carga e de entrada (secundrio do transformador).


66 67

A corrente mdia na carga obtida por:

IV

RCCP

L

=

2pi

(3.6)

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

VV

RMSP

=

2(3.7)

Dimensionamento do diodo

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

VRRM > 2 VPComo a corrente mdia por diodo a metade da corrente mdia na carga:

IV

RAVP

L

> pi

Mxima tenso eficaz: VRMS > VP2

Mxima tenso contnua reversa: VCC > 2 VP

pi

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

No semiciclo positivo, o diodo D1 conduz e o diodo D2 corta (figura 3.6).

Vrede

+

+

+

V

D1

D2

RL

VLVsec1

Vsec2

IL

Figura 3.6retificador de onda completa com center tap conduo no semiciclo positivo.

Calculase a tenso contnua na carga por:

VV

CCP

=

2pi

(3.5)

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

0

VD1

2 . VPc)

Vsec2VP

VPd)

VLVP

e)

D1

IL

RL

D2

Vrede

+

Vsec1

a)

Vsec2

VL

Vsec1VP

VPb)

Figura 3.5(a) circuito do retificador

de onda completa com center tap;

(b) tenso de entrada Vsec1;(c) tenso no diodo d1;

(d) tenso de entrada Vsec2; (e) tenso na carga.


68 69

Como mostra a figura 3.10, no semiciclo negativo, invertemse as condies: os diodos D2 e D3 conduzem e os diodos D1 e D4 esto cortados; o sentido da corrente na carga continua o mesmo.

A mxima tenso de pico inversa que cada diodo deve suportar aproximadamente 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 de tenso (1,4 V) ao longo do caminho da corrente. Esse valor deve ser descontado no clculo da tenso mdia e da tenso eficaz na carga.

D1

Ve+

D2

D3 D4

VL

RL

Figura 3.9retificador de onda completa em ponte conduo no semiciclo positivo.

D1

Ve+

D2

D3 D4

VL

RL

Figura 3.10retificador de onda completa em ponte conduo no semiciclo negativo.

No semiciclo negativo, o diodo D2 conduz e o diodo D1 corta, mas o sentido da corrente 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 transformador com tomada central (somente quando h inteno de transformar a tenso) e utiliza quatro diodos. A tenso de entrada (Ve) pode ser tanto a tenso da rede como a do secundrio de um transformador.

Observando a tenso senoidal aplicada na entrada, podese perceber que, durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, os diodos D1 e D4 esto polarizados diretamente e os diodos D2 e D3 cortados. Como existem dois diodos conduzindo ao mesmo tempo e eles esto em srie, a queda de tenso ser de 1,4 V. Isso significa que, para haver tenso na carga, a tenso de entrada deve ser maior que 1,4 V.

Vrede+

+

+

V

D1

D1

D2

RL

VLVsec1

Vsec2

IL

Figura 3.7retificador de onda

completa com center tap conduo no semiciclo negativo.

D1

VP+

D2

D3 D4

VL

RL

Figura 3.8retificador de onda completa em ponte.


70 71

grficos das tenses no secundrio e na carga para um valor de pico de tenso de entrada igual a 100 V, em circuito meia onda com capacitor.

Observando a figura 3.12, possvel notar o aumento em relao aos valores mdio e eficaz, assim como a diminuio do ripple, em comparao com o retificador de meia onda, que utiliza valores semelhantes de capacitor e carga.

3.5 Ponte retificadora como componentePara construir um retificador em ponte, podem ser utilizados quatro diodos ou um nico componente com os quatro diodos conectados internamente. A figura 3.13 mostra o smbolo de uma ponte retificadora.

Vrede

+

D1

a)

D2

RL

VLVsec1

Vsec2

C

100 000

60 000

20 000

20 000

60 000

100 000

tenso na carga

Vsec1 Vsec2

80 000

40 000

0 000

80 000

40 000

b)

Figura 3.12retificador de onda completa com filtro capacitivo:(a) circuito e(b) formas de onda da tenso na carga e de entrada (secundrio do transformador).

Calculase a tenso contnua na carga por:

VV V

CCP

=

2 1 4( , )pi

Para essa mesma forma de onda, o valor eficaz (tenso medida por um voltmetro RMS) obtido por:

VV V

RMSP

=

1 42,

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