Apostila de Eletrônica Básica1

5/22/2018 Apostila de Eletrnica Bsica1

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DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRNICA

EELLEETTRRNNIICCAA


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ELETRNICA 2

NDICE

1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAO 4

1.1 FSICA DOS SEMICONDUTORES 4

A ESTRUTURA DO TOMO 4ESTUDO DO SEMICONDUTORES 4

1.2 DIODO 7POLARIZAO DO DIODO 8CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODO 8RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE 10

1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO 11

1.4 APROXIMAES DO DIODO 12

1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA 14RETIFICADOR DE MEIA ONDA 16

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 17RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 19

1.6 CAPACITOR 20

1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR 24

1.8 DIODO ZENER 26CORRENTE MXIMA NO ZENER 27REGULADOR DE TENSO COM ZENER 28CLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. 28

1.9 CIRCUITO COM DIODOS 29

MULTIPLICADORES DE TENSO 29LIMITADORES 30GRAMPEADOR CC 32

1.10 EXERCCIOS 32

2 TRANSISTOR BIPOLAR 39

2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES 39POLARIZAO DO TRANSISTOR NPN 40TRANSISTOR PNP 42AS CORRENTES NO TRANSISTOR 42MONTAGEM BSICA COM TRANSISTOR 43

3 POLARIZAO DE TRANSISTORES 47

3.1 RETA DE CARGA 47

3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE 49

3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE 50

3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR 51CIRCUITOS DE POLARIZAO EM EMISSOR COMUM 51POLARIZAO POR DIVISOR DE TENSO 51REGRAS DE PROJETO 52

3.5 EXERCCIOS 534 AMPLIFICADORES DE SINAL 55


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Colgio Tcnico de Campinas ELETRNICA 3

4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM 55TEOREMA DA SUPERPOSIO PARA AMPLIFICADORES 57CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC. 57RESISTNCIA CA DO DIODO EMISSOR 58CA- GANHO DE CORRENTE ALTERNADA 60

4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO 604.3 REALIMENTAO 63

4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL 63IMPEDNCIA DE ENTRADA 65ESTGIOS EM CASCATA 66

4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM 68

4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM 70IMPEDNCIA DE ENTRADA 71

4.7 EXERCCIOS 73

5 AMPLIFICADORES DE POTNCIA 76

5.1 CLASSE A 76

5.2 CLASSE B 78

5.3 CLASSE AB 80

6 OSCILADOR DE BAIXA FREQNCIA 81

6.1 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE 82

7 TRANSISTORES ESPECIAIS 83

7.1 JFET 83POLARIZAO DE UM JFET 83TRANSCONDUTNCIA 87AMPLIFICADOR FONTE COMUM 88AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL 89AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE 89

7.2 MOSFET 90MOSFET DE MODO DEPLEO 90MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAO 91

7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR PTICO 92

7.4 EXERCCIOS 93

8 REFERNCIA BIBLIOGRFICA 96


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11 DDIIOODDOOSSEEMMIICCOONNDDUUTTOORREERREETTIIFFIICCAAOO

1.1 FSICA DOS SEMICONDUTORES

A ESTRUTURA DO TOMO

O tomo formado basicamente por 3 tipos de partculas elementares: Eltrons, prtonse nutrons. A carga do eltron igual a do prton, porm de sinal contrrio. Os eltronsgiram em torno do ncleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de at setecamadas. Em cada tomo, a camada mais externa chamada de valncia, e geralmente ela que participa das reaes qumicas

Todos os materiais encontrados na natureza so formados por diferentes tipos de

tomos, diferenciados entre si pelo seus nmeros de prtons, eltrons e nutrons. Cadamaterial tem uma infinidade de caractersticas, mas uma especial em eletrnica ocomportamento passagem de corrente. Pode-se dividir em trs tipos principais:

MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE

So materiais que no oferecem resistncia a passagem de corrente eltrica. Quantomenor for a oposio a passagem de corrente, melhor condutor o material. O quecaracteriza o material bom condutor o fato de os eltrons de valncia estaremfracamente ligados ao tomo, encontrando grande facilidade para abandonar seustomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo,com somente um eltron na camada de valncia tem facilidade de ced-lo para ganharestabilidade. O eltron cedido pode tornar-se um eltron livre.

MATERIAIS ISOLANTES

So materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem dacorrente eltrica. Os eltrons de valncia esto rigidamente ligados aos seu tomos,sendo que poucos eltrons conseguem desprender-se de seus tomos para setransformarem em eltrons livres.

Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substncias compostas (borracha,mica, baquelita, etc.).

MATERIAL SEMICONDUTOR

Materiais que apresentam uma resistividade eltrica intermediria. Como exemplo temoso germnio e silcio

ESTUDO DO SEMICONDUTORES

Os tomos de germnio e silcio tem uma camada de valncia com 4 eltrons. Quando ostomos de germnio (ou silcio) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ouseja, so substncias cujos tomos se posicionam no espao, formando uma estruturaordenada. Nessa estrutura, cada tomo une-se a quatro outros tomos vizinhos, por meiode ligaes covalentes, e cada um dos quatro eltrons de valncia de um tomo compartilhado com um tomo vizinho, de modo que dois tomos adjacentescompartilham os dois eltrons, ver Figura 1-1.


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Figura 1-1

Se nas estruturas com germnio ou silcio no fosse possvel romper a ligaescovalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperaturaalgumas ligaes covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo comque os eltrons das ligaes rompidas passem a se movimentar livremente no interior docristal, tornando-se eltrons livres.

Figura 1-2

Com a quebra das ligaes covalentes, no local onde havia um eltron de valncia,passa a existir uma regio com carga positiva, uma vez que o tomo era neutro e umeltron o abandonou. Essa regio positiva recebe o nome de lacuna, sendo tambmconhecida como buraco. As lacunas no tem existncia real, pois so apenas espaosvazios provocados por eltrons que abandonam as ligaes covalentes rompidas.

Sempre que uma ligao covalente rompida, surgem, simultaneamente um eltron euma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um eltron preencher o lugar de umalacuna, completando a ligao covalente (processo de recombinao). Como tanto oseltrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmarque o nmero de lacunas sempre igual a de eltrons livres.

Quando o cristal de silcio ou germnio submetido a uma diferena de potencial, oseltrons livres se movem no sentido do maior potencial eltrico e as lacunas porconseqncia se movem no sentido contrrio ao movimento dos eltrons.

IMPUREZAS

Os cristais de silcio (ou germnio. Mas no vamos considera-lo, por simplicidade e

tambm porque o silcio de uso generalizado em eletrnica) so encontrados nanatureza misturados com outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as


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caractersticas destes cristais feito um processo de purificao do cristal e em seguida injetado atravs de um processo controlado, a insero proposital de impurezas naordem de 1 para cada 106tomos do cristal, com a inteno de se alterar produo deeltrons livres e lacunas. A este processo de insero d-se o nome de dopagem.

As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos:

impureza doadoras e impurezas aceitadoras.

IMPUREZA DOADORA

So adicionados tomos pentavalentes (com 5 eltrons na camada de valncia. Ex.:Fsforo e Antimnio). O tomo pentavalente entra no lugar de um tomo de silcio dentrodo cristal absorvendo as suas quatro ligaes covalentes, e fica um eltron fracamenteligado ao ncleo do pentavalente (uma pequena energia suficiente para se tornar livre).

Figura 1-3

IMPUREZA ACEITADORASo adicionados tomos trivalentes (tem 3 eltrons na camada de valncia. Ex.: Boro,alumnio e glio). O tomo trivalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro docristal absorvendo trs das suas quatro ligaes covalentes. Isto significa que existe umalacuna na rbita de valncia de cada tomo trivalente.

Figura 1-4

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de eltrons livres ou excesso delacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:

SEMICONDUTOR TIPO N

O cristal que foi dopado com impureza doadora chamado semicondutor tipo n,ondenest relacionado com negativo. Como os eltrons livres excedem em nmero as lacunas


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num semicondutor tipo n, os eltrons so chamados portadores majoritrios e as lacunas,portadores minoritrios.

SEMICONDUTOR TIPO P

O cristal que foi dopado com impureza aceitadora chamado semicondutor tipo p,onde p

est relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em nmero os eltrons livresnum semicondutor tipo p,as lacunas so chamadas portadores majoritrios e os eltronslivres, portadores minoritrios.

1.2 DIODO

A unio de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtm-se uma juno pn, que umdispositivo de estado slido simples: o diodo semicondutor de juno.

Figura 1-5

Devido a repulso mtua os eltrons livres do lado n espalham-se em todas direes,alguns atravessam a juno e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, alacuna desaparece e o tomo associado torna-se carregado negativamente. (um onnegativo)

Figura 1-6

Cada vez que um eltron atravessa a juno ele cria um par de ons. Os ions esto fixona estrutura do cristal por causa da ligao covalente. medida que o nmero de ionsaumenta, a regio prxima juno fica sem eltrons livres e lacunas. Chamamos estaregio de camada de depleo.

Alm de certo ponto, a camada de depleo age como uma barreira impedindo acontinuao da difuso dos eltrons livres. A intensidade da camada de depleoaumenta com cada eltron que atravessa a juno at que se atinja um equilbrio. Adiferena de potencial atravs da camada de depleo chamada de barreira depotencial. A 25, esta barreira de 0,7V para o silcio e 0,3V para o germnio.

O smbolo mais usual para o diodo mostrado a seguir:

Catodomaterial tipo n

Anodomaterial tipo p


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POLARIZAO DO DIODO

Polarizar um diodo significa aplicar uma diferena de potencial s suas extremidades.Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, h uma polarizao direta se o plopositivo da bateria for colocado em contato com o material tipo pe o plo negativo emcontato com o material tipo n.

POLARIZAO DIRETA

No material tipon os eltrons so repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para ajuno. No material tipo pas lacunas tambm so repelidas pelo terminal e tendem apenetrar na juno, e isto diminui a camada de depleo. Para haver fluxo livre deeltrons a tenso da bateria tem de sobrepujar o efeito da camada de depleo.

POLARIZAO REVERSA

Invertendo-se as conexes entre a bateria e a juno pn, isto , ligando o plo positivo nomaterial tipon e o plo negativo no material tipo p, a juno fica polarizada inversamente.

No material tipo n os eltrons so atrados para o terminal positivo, afastando-se dajuno. Fato anlogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que abateria aumenta a camada de depleo, tornando praticamente impossvel odeslocamento de eltrons de uma camada para outra.

CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODO

A curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor da tensoaplicada com a respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo.

POLARIZAO DIRETA

Figura 1-7 Figura 1-8Nota-se pela curva que o diodo ao contrrio de, por exemplo, um resistor, no umcomponente linear. A tenso no diodo uma funo do tipo:

U R IkT

qln

I

I1F

S

= + +

Eq. 1- 1

TENSO DE JOELHO

Ao se aplicar a polarizao direta, o diodo no conduz intensamente at que seultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial dabarreira, os eltrons livres e as lacunas comeam a atravessar a juno em grandesquantidades. A tenso para a qual a corrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho. ( No Si aprox. 0,7V).


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POLARIZAO REVERSA DO DIODO

Figura 1-9 Figura 1-10

o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente eltrica extremamente pequena,(chamada de corrente de fuga).

Se for aumentando a tenso reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em queatinge a tenso de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a correnteaumenta sensivelmente.

* Salvo o diodo feito para tal, os diodos no podem trabalhar na regio deruptura.

GRFICO COMPLETO.

Figura 1-11

ESPECIFICAES DE POTNCIA DE UM DIODO

Em qualquer componente, a potncia dissipada a tenso aplicada multiplicada pelacorrente que o atravessa e isto vale para o diodo:

IUP=

Eq. 1- 2


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No se pode ultrapassar a potncia mxima, especificada pelo fabricante, pois haver umaquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potncia mxima ou correntemxima suportada por um diodo.

Ex.: 1N914 - PMAX= 250mW

1N4001 - IMAX= 1A

Usualmente os diodos so divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais(potncia especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX> 0,5W).

RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tenso aplicadapode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral umresistor usado em srie com o diodo para limitar a correnteeltrica que passa atravs deles.

RS chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o

RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS.RETA DE CARGA

Sendo a curva caracterstica do diodo no linear, torna-se complexo determinar atravsde equaes o valor da corrente e tenso sobre o diodo e resistor. Um mtodo paradeterminar o valor exato da corrente e da tenso sobre o diodo, o uso da reta de carga.Baseia-se no uso grfico das curvas do diodo e da curva do resistor.

Na Figura 1-12, a corrente I atravs do circuito a seguinte:

IU

R

U U

RR

S

S D

S

= =

Eq. 1- 3

No circuito em srie a corrente a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados atenso da fonte e a resistncia RS, ento so desconhecidas a corrente e a tenso sob odiodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US=2V e RS= 100, ento:

mA20U*01,0100

U2I D

D +=

= Eq. 1- 4

Se UD=0V !I=20mA. Esse ponto chamado de ponto de saturao, pois o mximovalor que a corrente pode assumir.

E se I=0A !UD=2V. Esse ponto chamado corte, pois representa a corrente mnima queatravessa o resistor e o diodo.

A Eq. 1-4 indica uma relao linear entre a corrente e a tenso ( y = ax + b). Sobrepondoesta curva com a curva do diodo tem-se:

Figura 1-12


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Figura 1-13

(I=0A,U=2V) - Ponto de corte !Corrente mnima do circuito

(I=20mA,U=0V) - Ponto de saturao!Corrente mxima do circuito(I=12mA,U=0,78V) - Ponto de operao ou quiescente!Representa acorrente atravs do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe umatenso de 0,78V.

1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO

O diodo emissor de luz (LED) um diodo que quando polarizadodiretamente emite luz visvel (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul)ou luz infravermelha. Ao contrrio dos diodos comuns no feito desilcio, que um material opaco, e sim, de elementos como glio,

arsnico e fsforo. amplamente usada em equipamentos devido asua longa vida, baixa tenso de acionamento e boa resposta emcircuitos de chaveamento.

A polarizao do LED similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em srie com umresistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 1-14.o LED esquematizadocomo um diodo comum com seta apontando para fora como smbolo de luz irradiada. Acorrente que circula no LED :

R

VVI DSD

= Eq. 1- 5

Para a maioria dos LEDs disponveis no mercado, a queda de tenso tpica de 1,5 a

2,5V para correntes entre 10 e 50mA.

FOTODIODO

um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que sensvel aluz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente reversa

Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadores minoritrios. Essesportadores existem porque a energia trmica entrega energia suficiente para algunseltrons de valncia sarem fora de suas rbitas, gerando eltrons livres e lacunas,contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando uma energia luminosa incide numajuno pn, ela injeta mais energia ao eltrons de valncia e com isto gera mais eltronslivres. Quanto mais intensa for a luz na juno, maior ser corrente reversa num diodo.

Figura 1-14


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1.4 APROXIMAES DO DIODO

ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessrio conhecer a curva do diodo,mas dependendo da aplicao pode-se fazer aproximaes para facilitar os clculos.

1APROXIMAO (DIODO IDEAL)Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido diretoe como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chaveaberta.

I

U

sentido direto

sentido reverso

Figura 1-15

2APROXIMAOLeva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir.

I

U

sentido direto

sentido reverso

0 7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-16

Pensa-se no diodo como uma chave em srie com uma bateria de 0,7V.

3APROXIMAO

Na terceira aproximao considera a resistncia interna do diodo.


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I

U

sentido direto

sentido reverso

0,7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-17

Obs.:. Ao longo do curso ser usada a 2 aproximao.

Exemplo 1-1 Utilizar a 2 aproximao para determinar a correntedo diodo no circuito da Figura 1-18:

SOL.: O diodo est polarizado diretamente, portanto age como umachave fechada em srie com uma bateria.

I IU

R

U U

R kmAD RS

RS

S

S D

S

= = =

=

=10 0 7

5186

,,

RESISTNCIA CC DE UM DIODO

a razo entre a tenso total do diodo e a corrente total do diodo. Pode-se considerardois casos:

RD- Resistncia ccno sentido direto

RR- Resistncia ccno sentido reverso

RESISTNCIA DIRETA

a resistncia quando aplicada uma tenso no sentido direto sobre o diodo. varivel,pelo fato do diodo ter uma resistncia no linear.

Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tenso de 0,65V entre seus terminaisexistir uma corrente I=10mA. Caso a tenso aplicada seja de 0,75V a correntecorrespondente ser de 30mA. Por ltimo se a tenso for de 0,85V a corrente ser de

50mA. Com isto pode-se calcular a resistncia direta para cada tenso aplicada:RD1= 0,65/10mA = 65

RD2= 0,75/30mA = 25

RD3= 0,85/50mA = 17

Nota-se que a resistncia ccdiminu com o aumento da tenso

RESISTNCIA REVERSA

Tomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tenso de -20V a corrente serde 25nA, enquanto uma tenso de -75V implica numa corrente de 5A. A resistnciareversa ser de:

RS1= 20/25nA = 800M

Figura 1-18


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RS2= 75/5A = 15M

A resistncia reversa diminui medida que se aproxima da tenso de ruptura.

1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA

comum em circuitos eletrnicos o uso de baterias de alimentao. Devido ao alto custode uma bateria se comparado com a energia eltrica, torna-se necessrio a criao deum circuito que transforme a tenso alternada de entrada em uma tenso contnuacompatvel com a bateria. O diodo um componente importante nesta transformao. que se ver neste item.

ONDA SENOIDAL

A onda senoidal um sinal eltrico bsico. Sinais mais complexos podem serrepresentados por uma soma de sinais senoidais.

Figura 1-19

A equao que representa a curva da Figura 1-19 a seguinte:U U senP= Eq. 1-6

onde:

U !tenso instantnea

Up!tenso de pico

Algumas maneiras de se referir aos valores da onda:

Valor de pico UP!Valor mximo que a onda atinge

Valor de pico a pico( UPP)!Diferena entre o mximo e mnimo que a onda

atinge Upp= Up- (- Up) = 2 UpValor eficaz( URMS) ( Root Mean Square)

O valor rms valor indicado pelo voltmetro quando na escalaca.O valor rms deuma onda senoidal, definido como a tenso cc que produz a mesmaquantidade de calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que:

VRMS= 0,707 Up Eq. 1-7

Valor mdio

O valor mdio quantidade indicada em um voltmetro quando na escala cc. Ovalor mdio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo zero. Isto porque cadavalor da primeira metade do ciclo, tem um valor igual mas de sinal contrrio nasegunda metade do ciclo.


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O TRANSFORMADOR

As fontes de tenses utilizadas em sistemas eletrnicos em geral so menores que 30VCCenquanto a tenso de entrada de energia eltrica costuma ser de 127VRMSou 220VRMS.Logo preciso um componente para abaixar o valor desta tenso alternada. Ocomponente utilizado o transformador. O transformador a grosso modo constitudo

por duas bobinas (chamadas de enrolamentos). A energia passa de uma bobina paraoutra atravs do fluxo magntico. Abaixo um exemplo de transformador:

Figura 1-20

A tenso de entrada U1est conectada ao que se chama de enrolamento primrio e atenso de sada ao enrolamento secundrio.

No transformador ideal:

U

U =

N

N2

1

2

1

Eq. 1-8

Onde:

U1tenso no primrioU2tenso no secundrio

N1nmero de espiras no enrolamento primrio

N2nmero de espiras no enrolamento secundrio

A corrente eltrica no transformados ideal :

I

I=

N

N1

2

2

1

Eq. 1-9

Exemplo 1-2 Se a tenso de entrada for 115 VRMS, a corrente de sada de 1,5ARMSe a

relao de espiras 9:1. Qual a tenso no secundrio em valores de pico a pico? E acorrente eltrica no primrio?

SOL.

U

U =

N

N2

1

2

1

!U

115 =

1

92 !U2= 12,8 VRMS

U2PP=12,8/0,707=18VPP

I

I=

N

N1

2

2

1

!I

1,5=

1

91

!I1= 0,167ARMS

obs.: a potncia eltrica de entrada e de sada num transformador ideal so iguais.

P=U*I=115*0,167=12,8*1,5=19,2W


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RETIFICADOR DE MEIA ONDA

O retificador de meia onda converte a tenso de entrada (USECUNDRIIO)canuma tensopulsante positiva UR. Este processo de converso de AC para cc, conhecido comoretificao. Na Figura 1-21 mostrado um circuito de meia onda.

Figura 1-21

Considerando o diodo como ideal, as curvas so as mostrada na Figura 1-22. A sada dosecundrio tem dois ciclos de tenso: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o

semiciclo positivo o diodo est ligado no sentido direto e age como uma chave fechada epela lei das malhas toda a tenso do secundrio incide no resistor R. Durante o semiciclonegativo o diodo est polarizado reversamente e no h corrente circulando no circuito.Sem corrente eltrica circulando implica em no ter tenso sob o resistor e toda a tensodo secundrio fica no diodo. Este circuito conhecido como retificador de meio cicloporque s o semiciclo positivo aproveitado na retificao.

Figura 1-22

O resistor R indicado no circuito representa a carga hmica acoplada ao retificador,podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo e normalmente ele chamado de resistor de cargaou simplesmente de carga.

VALOR CC OU VALOR MDIO

A tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro dado por:


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VCC= 0.318 UPdiodo ideal Eq. 1-10

VCC= 0.318 (UP- V) diodo 2 aproximao Eq. 1-11

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

A Figura 1-23 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central noenrolamento secundrio. Por causa dessa tomada, o circuito equivalente a doisretificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tenso dosecundrio, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tenso dosecundrio.

Figura 1-23

As duas tenses denominadas de U2/2 na Figura 1-23 so idnticas em amplitude e fase.O transformador ideal pode ser, portanto, substitudo por duas fontes de tenso idnticas,como mostra a Figura 1-23 direita, sem alterao no funcionamento eltrico da rede.Quando U2/2 positiva, D1 est diretamente polarizado e conduz mas D2 estreversamente polarizado e cortado. Analogamente, quando U2/2 negativa, D2conduz eD1cortado.

Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tenso sobre o resistor de carga

mostrada na Figura 1-24.

VALOR CC OU VALOR MDIO

A tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro similar o doretificador de meia onda com a observao de que agora tem-se um ciclo completo e ovalor ser o dobro. dado por:

VCC= 2*0.318 (UP/2) = 0,318UPdiodo ideal Eq. 1-12

VCC= 0.636 (UP/2 - V) diodo 2 aproximao Eq. 1-13

FREQNCIA DE SADA

A freqncia de sada de onda completa o dobro da freqncia de entrada, pois adefinio de ciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo quando ela


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comea a repeti-lo. Na Figura 1-24,a forma de onda retificada comea a repetio apsum semiciclo da tenso do secundrio. Supondo que a tenso de entrada tenha umafreqncia de 60Hz, a onda retificada ter uma freqncia de 120Hz e um perodo de8,33ms.

Figura 1-24


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RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Na Figura 1-25 mostrado um retificador de onda completa em ponte. Com o uso dequatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador.

Durante o semiciclo positivo da tenso U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em

seu anodo, e o D2um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2e D3conduzem, D1e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclopositivo da tenso U2.

Durante o semiciclo negativo da tenso U2, o diodo D4recebe um potencial positivo emseu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido inverso dapolaridade de U2. Os diodos D1e D4conduzem e os diodos D2e D3ficam reversamentepolarizado.

Figura 1-25

A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portanto a tensoUR sempre positiva. Na Figura 1-26 mostrado as formas de ondas sobre o resistor decarga e os diodos, considerando os diodos ideais.

Na Tabela 1-1 feito uma comparao entre os trs tipos de retificadores. Para diodosideais.

Tabela 1-1

MEIA ONDA ONDA COMPLETA PONTE

N. de Diodos 1 2 4

Tenso Pico de Sada UP 0,5UP UP

Tenso cc de Sada 0,318 UP 0,318 UP 0,636 UP

Tenso Pico Inversa no Diodo UP UP UP

Freqncia de Sada fent 2 fent 2 fent

Tenso de sada (rms) 0,45 UP 0,45 UP 0,9 UP


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Figura 1-26

1.6 CAPACITOR

Componente eletrnico, constitudo por duas placas condutoras, separadas por ummaterial isolante.

Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haver uma distribuio de cargase aps um certo tempo as tenses na bateria e no capacitor sero as mesmas. E deixade circular corrente eltrica.


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Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas eltricas acumuladas permanecemno capacitor, e portanto mantida a diferena de potencial no capacitor.

O capacitor pode armazenar carga eltrica.

O capacitor se ope a variao de tenso eltrica.

A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da suacapacitncia.

C S

d=

. Eq. 1-15

onde:

= constante dieltrica (F/m)

S = rea de uma das placas (so iguais) (m2)

d = Espessura do dieltrico em metro (m)

C = Capacitncia em Farads (F)

em geral se usa submultiplos do Farad: F, nF, pF

DETALHES SOBRE OS CAPACITORES

TIPOS DE CAPACITORES

papel cermica

mica eletroltico

tntalo varivel (distncia / rea) !(Padder; Trimmer)

DISPOSIO DAS PLACAS


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CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR

Suponha que o capacitor esteja descarregado e em t=0s a chave do circuito abaixo fechada.

As tenses no capacitor e resistor seguem as seguintes equaes:

VC=U*(1-e-t/) Eq. 1-16

VR=U*e-t/ Eq. 1-17

onde =RC e chamada de constante de tempo do circuito.

Quando t=, a tenso no capacitor atinge 63% da tenso da fonte

CIRCUITOS COM CAPACITOR E RESISTOR

Resistor em srie com o capacitor


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Resistor em paralelo com o capacitor

Resistor em srie com capacitor e com um gerador de onda quadrada


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1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR

A tenso de sada de um retificador sobre um resistor de carga pulsante comomostrador por exemplo na Figura 1-26.Durante um ciclo completo na sada, a tenso noresistor aumenta a partir de zero at um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No

entanto a tenso de uma bateria deve ser estvel. Para obter esse tipo de tensoretificada na carga, torna-se necessrio o uso de filtro.

O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores o filtro com capacitor mostradona Figura 1-27.O capacitor colocado em paralelo ao resistor de carga.

Para o entendimento do funcionamento do filtro supor o diodo como ideal e que, antes deligar o circuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quarto deciclo da tenso no secundrio, o diodo est diretamente polarizado. Idealmente, elefunciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundrio aocapacitor, ele carrega at o valor da tenso de pico UP.

Figura 1-27

Figura 1-28

Logo aps o pico positivo, o diodo pra de conduzir, o que significa uma chave aberta.

Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tenso de pico UP. Como a tenso nosecundrio ligeiramente menor que UP, o diodo fica reversamente polarizado e noconduz. Com o diodo aberto, o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga. Aidia do filtro a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que operodo do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perder somente uma pequena partede sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte.

O diodo s voltar a conduzir no momento em que a tenso no secundrio iniciar a subire seja igual a tenso no capacitor. Ele conduzir deste ponto at a tenso no secundrioatingir o valor de pico UP. O intervalo de conduo do diodo chamado de ngulo deconduo do diodo. Durante o ngulo de conduo do diodo, o capacitor carregadonovamente at UP . Nos retificadores sem filtro cada diodo tem um ngulo de conduo

de 180.


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Na Figura 1-28 mostrada na tenso sob a carga. A tenso na carga agora umatensoccmais estvel. A diferena para uma tensoccpura uma pequena ondulao(Ripple) causada pela carga e descarga do capacitor. Naturalmente, quanto menor aondulao, melhor. Uma forma de reduzir a ondulao aumentar a constante de tempode descarga (R.C). Na prtica aumentar o valor do capacitor. Outra forma de reduzir aondulao optar pelo uso de um retificador de onda completa, no qual a freqncia deondulao o dobro do meia onda. Neste caso carregado duas vezes a cada ciclo datenso de entrada e descarrega-se s durante a metade do tempo de um meia onda.Pode-se relacionar a tenso de ondulao na seguinte frmula:

fC

IUOND = Eq. 1-18

onde:

UOND= tenso de ondulao pico a pico

I = correnteccna carga

f = freqncia de ondulaoC = capacitncia

A escolha de um capacitor de filtro, depende, ento, do valor da tenso de ondulao.Quanto menor, melhor. Mas no vivel que a tenso de ondulao seja zero. Comoregra de projeto, o habitual escolher a tenso de ondulao como sendo 10% da tensode pico do sinal a ser retificado.

CORRENTE DE SURTO (IMPULSIVA)

Instantes antes de energizar o circuito retificador, o capacitor do filtro est descarregado.No momento em que o circuito ligado, o capacitor se aproxima de um curto. Portanto, acorrente inicial circulando no capacitor ser muito alta. Este fluxo alto de corrente chamado corrente de surto. Neste momento o nico elemento que limita a carga aresistncia dos enrolamentos e a resistncia interna dos diodos. O pior caso, ocapacitor estar totalmente descarregado e o retificador ser ligado no instante em que atenso da linha mxima. Assim a corrente ser:

DIODOOENROLAMENT

PSURTO RR

UI

+= Eq. 1-19

Esta corrente diminui to logo o capacitor v se carregando. Em um circuito retificadortpico, a corrente de surto no uma preocupao. Mas, quando a capacitncia for muitomaior do que 1000uF, a constante de tempo se torna muito grande e pode levar vriosciclos para o capacitor se carregar totalmente. Isto tanto pode danificar os diodos quantoo capacitor.

Um modo de diminuir a corrente de surto incluir um resistor entre os diodos e ocapacitor. Este resistor limita a corrente de surto porque ele somado ao enrolamento e resistncia interna dos diodos. A desvantagem dele , naturalmente, a diminuio datenso de cargacc.


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1.8 DIODO ZENER

O diodo zener um diodo construdo especialmente para trabalhar na tenso de ruptura.

Abaixo mostrado a curva caracterstica do diodo zener e sua simbologia.

O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente. Masao contrrio de um diodo convencional, ele suporta tenses reversas prximas a tensode ruptura.

A sua principal aplicao a de conseguir uma tenso estvel (tenso de ruptura).Normalmente ele est polarizado reversamente e em srie com um resistor limitador decorrente. Graficamente possvel obter a corrente eltrica sob o zener com o uso de retade carga.


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DIODO ZENER IDEAL

O zener ideal aquele que se comporta como uma chave fechada para tenses positivasou tenses negativas menores que VZ . Ele se comportar como uma chave abertapara tenses negativas entre zero e VZ. Veja o grfico abaixo

SEGUNDA APROXIMAO

Uma Segunda aproximao considera-lo como ideal mas que a partir da tenso deruptura exista uma resistncia interna.

CORRENTE MXIMA NO ZENER

ZZZ I*VP =

Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificao de potncia mxima de400mW, qual ser a corrente mxima permitida?

SOL.:

mA33,33V12

mW400I

ZMXIMA==

Este zener suporta at 33,3mA.


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REGULADOR DE TENSO COM ZENER

Objetivo: manter a tenso sobre a carga constante e de valor Vz.

Tenso na carga

enquanto o diodo cortado

SLS

LRL V*RR RV += Eq. 1-20

Com o diodo conduzindo reversamente

VRL=VZ Eq. 1- 21

Corrente sob RS.

S

ZSS R

VVI

= Eq. 1- 22

sob RL

IL=VZ/RL Eq. 1- 23sob o zener

IS=IZ+IL ! IZ=IS- IL Eq. 1- 24

Tenso de Ripple na carga (VL)

Considerando RZ


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ZMAXLMIN

ZSMAXS II

VVR

+

> Eq. 1- 26

garante que sob o zener no circule uma corrente maior que IZMAX

Exemplo 1-4: Um regulador zener tem uma tenso de entrada de 15V a 20V e a correntede carga de 5 a 20mA. Se o zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS?

SOL.:

RS (20-6,8)/(5m+40m)=293 293


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DOBRADOR DE TENSO DE ONDA COMPLETA

TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSO

LIMITADORES

Retira tenses do sinal acima ou abaixo de um dado nvel.

Serve para mudar o sinal ou para proteo.


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LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR)

LIMITADOR POLARIZADO

ASSOCIAO DE LIMITADORES

USO COMO PROTEO DE CIRCUITOS

1N914 conduz quando a tenso de entrada excede a 5,7V.

Este circuito chamado grampo de diodo, porque ele mantm o sinal num nvel fixo.


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GRAMPEADOR CC

O grampeador cc soma uma tenso cc ao sinal (no confundir com grampo de diodo).Por exemplo, se o sinal que chega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc positivoproduziria uma sada que idealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador negativoproduziria uma sada entre 0 e -20V).

1.10 EXERCCIOS

Ex. 1-1)Num dado circuito, quando um diodo est polarizado diretamente, sua corrente de 50mA. Quando polarizado reversamente, a corrente cai para 20nA. Qual a razo entrea corrente direta e a reversa?

Ex. 1-2)Qual a potncia dissipada num diodo de silcio com polarizao direta se a tensode diodo for de 0,7V e a corrente de 100mA?

Ex. 1-3)Faa o grfico I*V de um resistor de 2k. marque o pontoonde a corrente de 4mA.

Ex. 1-4)Suponha VS=5V e que a tenso atravs do diodo seja 5V.O diodo est aberto ou em curto?

Ex. 1-5)Alguma faz com que R fique em curto no circuito ao lado.Qual ser a tenso do diodo? O que acontecer ao diodo?

Ex. 1-6)Voc mede 0V atravs do diodo do circuito ao lado. A seguir voc testa a tensoda fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relao ao terra (-). O que h de erradocom o circuito?


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I(mA)

100

50

.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 V Ex. 1-7)Uma fonte de tenso de 2,5V leva o diodo a Ter um resistor limitador de correntede 25. Se o diodo tiver a caracterstica I*V abaixo, qual a corrente na extremidadesuperior da linha de carga: a tenso na extremidade mais baixa da linha de carga? Quaisos valores aproximados da tenso e da corrente no ponto Q?

Ex. 1-8)Repita o exerccio anterior para uma resistncia de 50. Descreva o queacontece com a linha de carga.

Ex. 1-9)Repita o Ex. 1-7 para uma fonte de tenso de 1,5V. o que acontece com a linhade carga?

Ex. 1-10)Um diodo de silcio tem uma corrente direta de 50mA em 1V. Utilize a terceiraaproximao para calcular sua resistncia de corpo.

Ex. 1-11)A tenso da fonte de 9V e da resistncia da fonte de 1k. Calcule a correnteatravs do diodo

Ex. 1-12)No circuito acima, a tenso da fonte de 100V e a resistncia da fonte de220. Quais os diodos relacionados abaixo podem ser utilizados?

Diodo Vruptura IMX


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1N914 75V 200mA

1N4001 50V 1A

1N1185 120V 35A

Ex. 1-13)E se eu inverter a polaridade da fonte?

Ex. 1-14)No circuito acima qual dever ser o valor de R para se obter uma corrente dediodo de 10mA? (suponha VS=5V)

Ex. 1-15)Alguns sistemas como alarme contra roubo, computadores, etc. utilizam umabateria auxiliar no caso da fonte de alimentao principal falhar. Descreva como funcionao circuito abaixo.

Ex. 1-16)Encontre a capacitncia de um capacitor de placas paralelas se a dimenso decada placa retangular de 1x0,5 cm, a distncia entre as placas 0,1mm e o dieltrico o ar. Depois, encontre a capacitncia tendo a mica como dieltrico.

Ar=8,85x10-12F/m mica=5xar Vidro=7,5xar cermica=7500xar

Ex. 1-17)Encontre a distncia entre as placas de um capacitor de 0,01F de placasparalelas, se a rea de cada placa 0,07 m2 e o dieltrico o vidro.

Ex. 1-18)Um capacitor possui como dieltrico um disco feito de cermica com 0,5 cm dedimetro e 0,521 mm de espessura. Esse disco revestido dos dois lados com prata,sendo esse revestimento as placas. Encontre a capacitncia.

Ex. 1-19)Um capacitor de placas paralelas de 1 F possui um dieltrico de cermica de1mm de espessura. Se as placas so quadradas, encontre o comprimento do lado deuma placa.

Ex. 1-20)No instante t=0s, uma fonte de 100V conectada a um circuito srie formadopor um resistor de 1ke um capacitor de 2F descarregado. Qual :

A tenso inicial do capacitor? A corrente inicial?

tempo necessrio para o capacitor atingir a tenso de 63% do seu valor mximo?

Ex. 1-21)Ao ser fechada, uma chave conecta um circuito srie formado por uma fonte de200V, um resistor de 2Me um capacitor de 0,1F descarregado. Encontre a tenso nocapacitor e a corrente no instante t=0,1s aps o fechamento da chave.

Ex. 1-22)Para o circuito usado no problema 6, encontre o tempo necessrio para atenso no capacitor atingir 50V. Depois encontre o tempo necessrio para a tenso nocapacitor aumentar mais 50V (de 50V para 100V). Compare os resultados.

Ex. 1-23)Um simples temporizador RC possui uma chave que quando fechada conectaem srie uma fonte de 300V, um resistor de 16Me um capacitor descarregado de 10F.Encontre o tempo entre a abertura e o fechamento.

15v fonte carga

12V


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Ex. 1-24)Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada, tem umatenso de pico na sada de 25V. Se a resistncia de carga for de 220e a capacitnciade 500F, qual a ondulao de pico a pico (Ripple)?

Ex. 1-25)A figura abaixo mostra uma fonte de alimentao dividida. Devido derivaocentral aterrada, as tenses de sada so iguais e com polaridade oposta. Quais as

tenses de sada para uma tenso do secundrio de 17,7Vac e C=500F? Qual aondulao de pico a pico? Quais as especificaes mnima de ID e VZ ? qual apolaridade de C1 e C2?

Ex. 1-26)Voc mede 24Vac atravs dos secundrio da figura abaixo. Em seguida vocmede 21,6Vac atravs do resistor de carga. Sugira alguns problemas possveis.

Ex. 1-27)Voc est construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor deentrada. As especificaes so uma tenso de carga de 15V e uma ondulao de 1Vpara uma resistncia de carga de 680. Qual a tenso em rms no enrolamento dosecundrio? Qual deve ser o valor do capacitor de filtro?

Ex. 1-28)A fonte de alimentao dividida da figura 1 tem uma tenso do secundrio de25Vac. Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 por cento para aondulao.


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Ex. 1-29)A tenso do secundrio na figura abaixo de 25Vac. Com a chave na posiomostrada, qual a tenso de sada ideal? Com a chave na posio mais alta, qual a tensode sada ideal?

Ex. 1-30)O ampermetro da figura abaixo tem uma resistncia de medidor de 2ke uma

corrente para fundo de escala de 50A. Qual a tenso atravs desse ampermetroquando ele indicar fundo de escala? Os diodos s vezes so ligados em derivao(Shunted) atravs do ampermetro, como mostra a figura 4. Se o ampermetro estiverligado em srie com um circuito, os diodos podem ser de grande utilidade. Para que vocacha que eles podem servir?

Ex. 1-31)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem um Rs=680e um Rz=10. O segundo tem um Rs=1,2ke Rz=6. Se o Ripple da fonte for de 9V depico a pico, qual Ripple na sada?

Ex. 1-32)Na figura abaixo, o 1N1594 tem uma tenso de zener de 12V e uma resistnciazener de 1,4. Se voc medir aproximadamente 20V para a tenso de carga, quecomponente voc sugere que est com defeito? Explique por qu?

Ex. 1-33)Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificaes: tensoda carga de 6,8V, tenso da fonte de 20V !20%, e corrente de carga de 30mA !50%.

Ex. 1-34) para VRL=4,7V e IZMAX=40mA. Quais valores VSpode assumir?


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Ex. 1-35)No exerccio anterior qual a tenso na carga para cada uma das condiesabaixo:

diodo zener em curto diodo zener aberto resistor em srie aberto resistor de carga em curto

O que ocorre com VLe com o diodo zener se o resistor em srie estiver em curto?

Ex. 1-36)Qual o sinal de sada?

Ex. 1-37)Qual o sinal sob VL?

Ex. 1-38)Um regulador zener tem Vz = 15V e Izmax=100mA. VSpode variar de 22 a 40V. RLpode variar de 1ka 50k. Qual o maior valor que a resistncia srie pode assumir?

Ex. 1-39)Um diodo zener tem uma resistncia interna de 5. Se a corrente variar de 10 a20mA, qual a variao de tenso atravs do zener?

Ex. 1-40)Uma variao de corrente de 2mA atravs do diodo zener produz uma variaode tenso de 15mV. Qual o valor da resistncia?

Ex. 1-41)Qual o valor mnimo de RSpara o diodo no queimar (VZ=15V e PZMAX=0,5W)?


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Ex. 1-42)no exerccio anterior, se RS= 2k, qual a corrente sobre o zener, e qual apotncia dissipada no zener?

Ex. 1-43)Qual o valor de Izpara RL= 100k, 10k e 1k?

Ex. 1-44)No exerccio anterior suponha que a fonte tenha um Ripple de 4V. Se aresistncia zener for de 10, qual o Ripple de sada?

Ex. 1-45)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem umaresistncia em srie de 680e um Rz=6. O segundo tem uma resistncia srie de 1k2e Rz=6. Se a ondulao da fonte for 9V de pico a pico, qual a ondulao na sada?


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22 TTRRAANNSSIISSTTOORRBBIIPPOOLLAARR

Existe uma infinidade de sinais de interesse em eletrnica que so muitos fracos, comopor exemplo, as correntes eltricas que circulam no corpo humano, o sinal de sada deuma cabea de gravao, etc., e para transforma-los em sinais teis torna-se necessrioamplifica-los. Antes da dcada de 50, a vlvula era o elemento principal nesta tarefa. Em1951, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvido a partir da tecnologia utilizada nodiodo de juno, como uma alternativa em relao as vlvulas, para realizar as funesde amplificao, deteco, oscilao, comutao, etc. A partir da o desenvolvimento daeletrnica foi imenso.

Dentre todos os transistores, o bipolar muito comum, com semelhanas ao diodoestudado anteriormente, com a diferena de o transistor ser formado por duas junespn, enquanto o diodo por apenas uma juno.

2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES

O transistor bipolar constitudo por trs materiais semicondutor dopado. Dois cristaistipon e um tipopou dois cristais tipope um tipon.O primeiro chamado de transistornpne o segundo de pnp. Na Figura 2-1 so mostrados de maneira esquemtica os doistipos:

Figura 2-1

Cada um dos trs cristais que compe o transistor bipolar recebe o nome relativo a suafuno. O cristal do centro recebe o nome de base, pois comum aos outros doiscristais, levemente dopado e muito fino. Um cristal da extremidade recebe o nome deemissor por emitir portadores de carga, fortemente dopado e finalmente o ltimo cristaltem o nome de coletor por receber os portadores de carga, tem uma dopagem mdia.Apesar de na Figura 2-1 no distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre sino tamanho e dopagem. O transistor tem duas junes, uma entre o emissor a base, e

outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a doisdiodos. O diodo da esquerda comumente designado diodo emissor - base (ou semissor) e o da direita de coletor - base (ou s coletor).

Ser analisado o funcionamento do transistor npn. A anlise do transistor pnp similar aodo npn, bastando levar em conta que os portadores majoritrios do emissor so lacunasem vez dos eltrons livres. Na prtica isto significa tenses e correntes invertidas secomparadas com o npn.


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TRANSISTOR NO POLARIZADO

Figura 2-2

A difuso dos eltrons livres atravs da juno produz duas camadas de depleo. Cadacamada tem aproximadamente uma barreira potencial de 0,7V (silcio) em 25C.

Com os diferentes nveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleo temlarguras diferentes. Tanto maior a largura quanto menor a dopagem. Ela penetra poucona regio do emissor, bastante na base e mdio na regio do coletor. A

Figura 2-2mostra as camadas de depleo nas junes do transistor npn.

POLARIZAO DO TRANSISTOR NPN

As junes do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamente.

JUNES COM POLARIZAO DIRETANa Figura 2-3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo emissor, e a bateria B2 polarizadiretamente o diodo coletor. Os eltrons livres entram no emissor e no coletor, juntam-sena base e retornam para as baterias. O fluxo de corrente eltrica alto nas duas junes.

Figura 2-3

JUNES COM POLARIZAO REVERSA

Na Figura 2-4 os diodos emissor e coletor ficam reversamente polarizado. A correnteeltrica circulando pequena (corrente de fuga).


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Figura 2-4

JUNES COM POLARIZAO DIRETA - REVERSA

Na Figura 2-5 o diodo coletor est reversamente polarizado e diodo emissor diretamentepolarizado. A princpio espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor e uma altacorrente no diodo emissor. No entanto isto no acontece, nos dois diodos as correntesso altas.

Figura 2-5

No instante em que a polarizao direta aplicada ao diodo emissor, os eltrons doemissor ainda no penetraram na regio da base. Se a tenso entre base e emissor (VBE)

for maior que 0,7V, muitos eltrons do emissor penetram na regio da base. Esteseltrons na base podem retornar ao plo negativo da bateria B1, ou atravessar a junodo coletor passando a regio do coletor. Os eltrons que a partir da base retornam abateria B1 so chamados de corrente de recombinao. Ela pequena porque a base pouco dopada.

Como a base muito fina, grande parte dos eltrons da base passam a juno base-coletor. Esta juno, polarizada reversamente, dificulta a passagem dos portadoresmajoritrios do cristal de base (lacunas) para o coletor, mas no dos eltrons livres.Esses atravessam sem dificuldade a camada de depleo penetram na regio de coletor.L os eltrons livres so atrados para o plo positivo da bateria B2.

Em suma, com a polarizao direta do diodo emissor, injetado uma alta corrente emdireo a base. Na base uma pequena parcela da corrente, por recombinao, retorna aoplo negativo da bateria B1 e o restante da corrente flui para o coletor e da para o plopositivo da bateria B2. Ver Figura 2-6.

Obs. Considerar a tenso coletor - base (VCB) bem maior que a tenso emissor - base(VBE).


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Figura 2-6

TRANSISTOR PNP

No transistor pnpas regies dopadas so contrrias as do transistor npn. Isso significaque as lacunas so portadores majoritrios no emissor em vez dos eltrons livres.

O funcionamento como a seguir. O emissor injeta lacunas na base. A maior parte

dessas lacunas circula para o coletor. Por essa razo a corrente de coletor quase iguala do emissor. A corrente de base muito menor que essas duas correntes.

Qualquer circuito com transistor npn pode ser convertido para uso de transistor pnp.Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de alimentao, os diodos ecapacitores polarizados. E o funcionamento ser idntico ao modelo npn.

Considerando esta similaridade, neste curso os circuitos analisados so sempre os comtransistores npn.

AS CORRENTES NO TRANSISTOR

Figura 2-7

A Figura 2-7

Figura 2-7mostra o smbolo esquemtico para um transistor pnpe npn. A diferenciao anvel de esquemtico feito atravs da seta no pino do emissor. A direo da setamostra o fluxo de corrente convencional. Na figura mostrado tambm o sentido dascorrentes convencionais IB, ICe IE.

A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes num n igual asoma das que saem. Ento:

IE= IC+ IB Eq. 2- 1

A relao entre a corrente contnua de coletor e a corrente contnua de base chamadade ganho de corrente CC:


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B

CCC I

I= Eq. 2- 2

Em geral mais de 95% dos eltrons livres atingem o coletor, ou seja, a corrente deemissor praticamente igual a corrente de coletor. O parmetro cc de um transistor

indica a relao entre a corrente de emissor e coletor:

E

CCC I

I= Eq. 2- 3

Quanto mais fina e levemente dopada a base, mais alto o cc.

Pode-se relacionar o cccom o CC:

!CC= !CC/(1 - !CC) Eq. 2- 4

TESTE DE DIODOS E TRANSISTORES.

Uma maneira simples mostrada a seguir para se testar diodos e transistores utilizando

um ohmmetro.Teste de funcionamento de um diodo com um ohmmetro.

1. Encosta-se a ponta de prova negativa no ctodo

2. Encosta-se a ponta de prova positiva no nodo

O ohmmetro deve indicar resistncia baixa.

3. Inverte-se as pontas de provas, a resistncia deve ser alta.

Teste de funcionamento de um transistor npncom um ohmmetro

1. Encosta-se a ponta de prova negativa na base do transistor

2. Encosta-se a ponta de prova positiva no coletor do transistor

O ohmmetro deve indicar resistncia alta.

3. Muda-se a ponta de prova positiva para o emissor do transistor

O ohmmetro deve indicar resistncia alta.

4. Inverte-se as pontas de provas, isto , encosta-se a positiva na base e repeteos itens 2 e 3. As resistncias devem ser baixas.

Isto vlido para os multmetros digitais. Em geral, nos multmetros analgicos, a pontade prova positiva est ligada ao plo negativo da bateria.

MONTAGEM BSICA COM TRANSISTOR

Na Figura 2-8,o lado negativo de cada fonte de tenso est conectado ao emissor. Nestecaso denomina-se o circuito como montado em emissor comum. Alm da montagem ememissor comum, existem a montagem em coletor comum e base comum, analisadasmais a frente. O circuito constitudo por duas malhas. A malha da esquerda que contma tenso VBEe malha da direita com a tenso VCE.

BEBSS VIRV += Eq. 2- 5

CECCCC VRIV += Eq. 2- 6


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Figura 2-8

RELAO IBVERSUS VBEExiste uma relao entre IB e VBE, ou seja, para cada IB existe uma tenso VBEcorrespondente (Figura 2-9). Naturalmente, esta curva semelhante a curva do diodo.

Figura 2-9

RELAO ICVERSUS VCE

A partir de VCCe VS possvel obter diversos valores de ICe VCE. a Figura 2-10 mostraesta relao supondo um IBfixo.

Figura 2-10


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A parte inicial da curva chamada de regio de saturao. toda a curva entre a origeme o joelho. A parte plana chamada de regio ativa. Nesta regio uma variao do V CEno influencia no valor de IC. ICmantm-se constante e igual a IBCC. A parte final aregio de ruptura e deve ser evitada.

Na regio de saturao o diodo coletor est polarizado diretamente. Por isso, perde-se o

funcionamento convencional do transistor, passa a simular uma pequena resistnciahmica entre o coletor e emissor. Na saturao no possvel manter a relao IC=IBCC.Para sair da regio de saturao e entrar na regio ativa, necessrio uma polarizaoreversa do diodo coletor. Como VBEna regio ativa em torno de 0,7V, isto requer umVCEmaior que 1V.

A regio de corte um caso especial na curva IC x VCE. quando IB =0 (eqivale aoterminal da base aberto). A corrente de coletor com terminal da base aberto designadapor ICEO (corrente de coletor para emissor com base aberta). Esta corrente muitopequena, quase zero. Em geral se considera: Se IB=0 !IC=0.

O grfico da Figura 2-10, mostra a curva IC x VCE para um dado IB. Habitualmente ogrfico fornecido pelo fabricante leva em considerao diversos IBs. Um exemplo est na

Figura 2-11.

Notar no grfico que para um dado valor de VCE existem diversas possibilidades devalores para IC. Isto ocorre, porque necessrio ter o valor fixo de IB. Ento para cada IBh uma curva relacionando ICe VCE.

No grfico de exemplo, a tenso de ruptura est em torno de 80V e na regio ativa paraum IB=40A tem-se que o CC=IC/IB= 8mA/40A=200. Mesmo para outros valores de IB, oCCse mantm constante na regio ativa.

Na realidade o CCno constante na regio ativa, ele varia com a temperatura ambientee mesmo com IC. A variao de CCpode ser da ordem de 3:1 ao longo da regio ativa dotransistor. Na Figura 2-12 mostrado um exemplo de variao de CC.

Os transistores operam na regio ativa quando so usados como amplificadores. Sendoa corrente de coletor (sada) proporcional a corrente de base (entrada), designa-se oscircuitos com transistores na regio ativa de circuitos lineares. As regies de corte esaturao, por simularem uma chave controlada pela corrente de base, so amplamenteusados em circuitos digitais.

Figura 2-11


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Figura 2-12

O MODELO DE EBERS-MOLL

Na anlise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em trabalhar como transistor a nvel de malhas. Uma opo a de se criar um circuito equivalente para otransistor usando componentes mais simples como fonte ou resistor.

O modelo de Ebers-Moll um circuito equivalente do transistor levando em consideraoque ele esteja trabalhando na regio ativa, ou seja: o diodo emissor deve estar polarizadodiretamente; o diodo coletor deve estar polarizado reversamente e a tenso do diodocoletor deve ser menor do que a tenso de ruptura. VejaFigura 2-13.

O modelo faz algumas simplificaes:

1. VBE=0,7V

2. IC=IE !IB=IE/ !CC

3. despreza a diferena de potencial produzida pela corrente de base ao atravessar a

resistncia de espalhamento da base .

Figura 2-13 Modelo Ebers-Moll


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33 PPOOLLAARRIIZZAAOODDEETTRRAANNSSIISSTTOORREESS

Um circuito transistorizado pode ter uma infinidade de funes e os transistores paracada funo tem um ponto de funcionamento correto. Este captulo estuda comoestabelecer o ponto de operao ou quiescente de um transistor. Isto , como polariza-lo.

3.1 RETA DE CARGA

A Figura 3-1 mostra um circuito com polarizao de base. O problema consiste em saberos valores de correntes e tenses nos diversos componentes. Uma opo o uso da retade carga.

Figura 3-1

a conceito de reta de carga estudado no captulo sobre diodos, tambm se aplica atransistores. usa-se a reta de carga em transistores para obter a corrente I C e VCEconsiderando a existncia de um RC. A anlise da malha esquerda fornece a corrente IC:

IC= (VCC- VCE)/ RC Eq. 3- 1

Nesta equao existem duas incgnitas, IC e VCE. A soluo deste impasse utilizar ogrfico ICx VCE. Com o grfico em mos, basta Calcular os extremos da reta de carga:

VCE= 0 !IC= VCC/ RCponto superior Eq. 3- 2

IC= 0!VCE= VCCponto inferior Eq. 3- 3

A partir da reta de carga e definido uma corrente IBchega-se aos valores de ICe VCE.

Exemplo 3-1 No circuito da Figura 3-1 suponha RB= 500Construa a linha de carga nogrfico da Figura 3-2 e mea ICe VCEde operao.

SOL.: Os dois pontos da reta de carga so:

VCE= 0 !IC= VCC/ RC(15 )/1k5 = 10mA ponto superior

IC= 0 !VCE= VCC= 15V ponto inferior

O corrente de base a mesma que atravessa o resistor RB:


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A29K500

7,015IB =

=

Figura 3-2

Aps traar a reta de carga na curva do transistor chega-se aos valores de I C=6mA eVCE=5,5V. Este o ponto de operao do circuito (ponto Q- ponto quiescente).

O ponto Q varia conforme o valor de IB. um aumento no IBaproxima o transistor para aregio de saturao, e uma diminuio de IBleva o transistor regio de corte. Ver Figura3-3

O ponto onde a reta de carga intercepta a curva IB=0 conhecido como corte. Nesseponto a corrente de base zero e corrente do coletor muito pequena (ICEO).

A interseo da reta de carga e a curva IB= IB(SAT) chamada saturao. Nesse ponto acorrente de coletor mxima.

Figura 3-3


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3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE

A forma mais simples de se usar um transistor como uma chave, significando umaoperao na saturao ou no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta de carga.Quando o transistor est saturado, como se houvesse uma chave fechada do coletor

para o emissor. Quando o transistor est cortado, como uma chave aberta.CORRENTE DE BASE

A corrente de base controla a posio da chave. Se IBfor zero, a corrente de coletor prxima de zero e o transistor est em corte. Se IB for IB(SAT) ou maior, a corrente decoletor mxima e o transistor satura.

Saturao fraca significa que o transistor est levemente saturado, isto , a corrente debase apenas suficiente para operar o transistor na extremidade superior da reta decarga. No aconselhvel a produo em massa de saturao fraca devido variaode CCe em IB(SAT).

Saturao forte significa dispor de corrente da base suficiente para saturar o transistorpara todas as variaes de valores de CC. No pior caso de temperatura e corrente, amaioria dos transistores de silcio de pequeno sinal tem um CC maior do que 10.Portanto, uma boa orientao de projeto para a saturao forte de considerar umCC(SAT)=10, ou seja, dispor de uma corrente de base que seja de aproximadamente umdcimo do valor saturado da corrente de coletor.

Exemplo 3-2 A Figura 3-4 mostra um circuito de chaveamento com transistor acionadopor uma tenso em degrau. Qual a tenso de sada?

SOL.: Quando a tenso de entrada for zero, o transistor est em corte. Neste caso, ele secomporta como uma chave aberta. Sem corrente pelo resistor de coletor, a tenso desada iguala-se a +5V.

Figura 3-4

Quando a tenso de entrada for de +5V, a corrente de base ser:

mA43,1K3

7,05I B =

=

Supondo o transistor com um curto entre coletor e o emissor (totalmente saturado). Atenso de sada vai a zero e a corrente de saturao ser:


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mA2,15330

5I )SAT(C ==

Isto aproximadamente 10 vezes o valor da corrente de base, ou seja, certamente huma saturao forte no circuito.

No circuito analisado, uma tenso de entrada de 0V produz uma sada de 5V e umatenso de entrada de 5V, uma sada de 0V. Em circuitos digitais este circuito chamadode porta inversora e tem a representao abaixo:

Exemplo 3-3 Recalcule os resistores RBe RCno circuito da Figura 3-4 para um IC=10mA.

SOL.: Clculo de IB

Se IC=10mA !IB(sat)= IC/CC(SAT)= 10m /10 = 1,0mA

Clculo de RC

ao considerar o transistor saturado, o VCEde saturao prximo de zero.

RC= VCC/ IC= 5 /10mA = 500

Clculo de RB

RB= VE- VBE/ IB= 5 - 0.7 / 1mA = 4k3

3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE

A Figura 3-5 mostra um transistor como fonte de corrente. Ele tem um resistor de emissorRE entre o emissor e o ponto comum. A corrente de emissor circula por esse resistorproduzindo uma queda de tenso de IERE.

Figura 3-5

A soma das tenses da malha de entrada da :

VBE+ IERE- VS= 0

logo, IE

E

BESE R

VVI

=


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Como VBE, VS, e REso aproximadamente constantes, a corrente no emissor constante.Independe de CC, RCou da corrente de base.

3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

CIRCUITOS DE POLARIZAO EM EMISSOR COMUM

Fontes de alimentao e resistorespolarizam um transistor, isto , elesestabelecem valores especficos de tensese correntes nos seus terminais,determinando, portanto, um ponto deoperao no modo ativo (o ponto deoperao).

A Figura 3-6 mostra o circuito depolarizao por base j estudado

anteriormente, a principal desvantagemdele a sua susceptibilidade variao doCC. Em circuitos digitais, com o uso deCC(SAT), isto no problema. Mas emcircuitos que trabalham na regio ativa, oponto de operao varia sensivelmente como CC. Pois: BCCC II = .

POLARIZAO POR DIVISOR DE TENSO

O circuito mais usado em amplificadores chamado de

polarizao por divisor de tenso. A Figura 3-7 mostra o circuito.A principal evoluo do circuito em relao ao polarizao porbase de fixar uma tenso na base, via os resistores R1e R2. Ovalor de I deve ser bem maior que IB para a corrente IB noinfluenciar na tenso sob R2. Como regra prtica, considerar acorrente I 20 vezes maior que IB.

Para a anlise da tenso em VR2, observar que R1e R2 formamum divisor de tenso. Supondo I>> IB:

CC21

22R VRR

RV

+= Eq. 3- 4

* a tenso VR2no depende de CC

Com o valor de VR2 simples o clculo de IE. Deve-se olhar a malha de entrada:

EBE2R VVV += Eq. 3- 5

como VE= IERE

E

BE2RE R

VVI

= Eq. 3- 6

Anlise da malha de sada:

EECECCCC IRVIRV ++= considerando IE= IC

Figura 3-6

Figura 3-7


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CEECCCC V)RR(IV ++= Eq. 3- 7

EC

CECCC RR

VVI

+

= Eq. 3- 8

Notar que CCno aparece na frmula para a corrente de coletor. Isto quer dizer que ocircuito imune a variaes em CC, o que implica um ponto de operao estvel. Porisso a polarizao por divisor de tenso amplamente utilizada.

Exemplo 3-4 Encontre o VB, VE, VCEe IEpara o circuito da Figura 3-8.

SOL.: Clculo de VR2a partir da Eq. 3-4

V85,330K18K6

K1VV 2RB =+

==

Clculo de IEa partir da Eq. 3-6

mA2,4750

7,085,3I

E =

=

clculo de VE

VE= IERE= 4,2m*750= 3,15V

clculo de VCEa partir da Eq. 3-7

VCE= 30- 4,2m*(3k+750)=14,3V

REGRAS DE PROJETO

Sempre ao polarizar um transistor, deseja-se manter o ponto Q deoperao fixo independente de outros parmetros externos. ou seja,espera-se um divisor de tenso estabilizado. Para minimizar o efeitodo CC, considerar:

ECC2 R01,0R Eq. 3- 9

onde o valor de CC o do pior caso, ou seja, o menor CCque otransistor pode ter.

O defeito desta regra, o fato de um baixo R2 influenciarnegativamente na impedncia de entrada. Ento como opo pode-se considerar

ECC2 R1,0R Eq. 3- 10

assim R2 ser maior, mas com possibilidade de degradao naestabilidade do ponto Q. Quando se segue a regra da Eq. 3-10designa-se o circuito de polarizao pordivisor tensofirmee quando se segue a regrada Eq. 3-9 polarizao por divisor de tenso estabilizado.

Na escolha do ponto de operao da curva ICx VCE, deve-se dar preferncia a um pontocentral, isto , VCE=0,5 VCCou IC=0,5 IC(SAT). De forma que o sinal possa excursionar aomximo tanto com o aumento de IBquanto com a diminuio.

Por ltimo, aplicar a regra de VEser um decimo de VCC.

VE= 0,1 VCC Eq. 3- 11

Exemplo 3-5 Polarizar um transistor por diviso de tenso firme. Dados:

Figura 3-8


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VCC= 10V, IC= 10mA e CC= 100

SOL.: Clculo de REaplicando a regra da Eq. 3-11

VE= 0,1*10=1V

IE= IC

RE= VE/ IE= 100

clculo de RCa partir da Eq. 3-8 e VCE= 0,5 VCC

=

= 400100m10

510RC

clculo de R2a partir da Eq. 3-10

1000100*100*1,0R2 =

R2= 1000

clculo de R1 Eq. 3-4

10*R1000

10007,00,1V

RR

RV

1CC

21

22R +

=+=+

=

R1= 4888=4k7

3.5 EXERCCIOS

Ex. 3-1) No circuito da figura abaixo, encontre as tenses VEe VCE de cada estgio.

Ex. 3-2) Projete um circuito de polarizao por divisor de tenso com as seguintesespecificaes: VCC= 20V, IC= 5mA, 80< CC< 400.

Considere VE= 0,1 VCCe VCE= VCC/2Ex. 3-3) O transistor da figura abaixo tem um CC=80.

Qual a tenso entre o coletor e o terra? Desenhe a linha de carga. Para CC= 125, calcule a tenso na base, a tenso no emissor e a tenso de

coletor.


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Ex. 3-4) Qual a tenso do emissor e do coletor (os dois em relao ao terra) para cadaestgio do circuito abaixo, sendo VCC= 10V.

Ex. 3-5) No exerccio anterior, suponha VCC= 20V e calcule de cada estgio: VB, VE, VCeIC.

Ex. 3-6) Ainda em relao ao exerccio 4. Considere VCC=20V.

Indique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se:

1k8 aberto

coletor emissor do Q1 em curto 240 aberto 240 em curto 300 em curto 1k aberto 910 aberto

Indique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se:

1k aberto 1k em curto180 aberto 180 em curto620 aberto 620 em curtocoletor emissor de Q3 em curto coletor emissor de Q3 aberto

150 aberto 150 em curto


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44 AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORREESSDDEESSIINNAALL

4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM

No captulo anterior foi estudado a polarizao dos transistores. Neste captulo considera-se os transistores devidamente polarizados com seus pontos de operao prximos ameio da reta de carga para uma mxima excurso do sinal de entrada sem distoro.

Ao injetar um pequeno sinal ca base do transistor, ele se somara a tenses cc depolarizao e induzir flutuaes na corrente de coletor de mesma forma e freqncia.

Ele ser chamado de amplificador linear(ou de alta-fidelidade - Hi-Fi) se nomudar a forma do sinal na sada. Desde

que a amplitude do sinal de entrada sejapequena, o transistor usar somenteuma pequena parte da reta de carga e aoperao ser linear. Por outro lado se osinal de entrada for muito grande, asflutuaes ao longo da reta de cargalevaro o transistor saturao e aocorte

Um circuito amplificador mostrado naFigura 4-2. A polarizao por divisor detenso. A entrada do sinal acoplada base do transistor via o capacitor C1e asada do sinal acoplada carga RLatravs do capacitor C2. O capacitor funciona comouma chave aberta para correntecce como chave fechada para a corrente alternada. Estaao permite obter um sinalca de uma estgio para outro sem perturbar a polarizaoccde cada estgio.

Figura 4-2

Figura 4-1


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CAPACITOR DE ACOPLAMENTO

O capacitor de acoplamento faz a passagem de umsinal ca de um ponto a outro, sem perdasignificativa do sinal. Por exemplo na Figura 4-3 atenso ca no ponto A transmitida ao ponto B.

Para no haver atenuao aprecivel do sinal, acapacitncia reativa XC, comparada com aresistncia em srie (RTH e RL ), precisa ser bemmenor.

Quanto menor a reatncia capacitiva, melhor sero acoplamento, naturalmente no possvel umareatncia nula. Se a reatncia for no mximo 10%da resistncia total tem-se um acoplamentoestabilizado. A frmula da reatncia capacitiva :

fC2

1XC

= Eq. 4- 1

Na Eq. 4-1, h duas incgnitas, a freqncia e a capacitncia. Num amplificador existeum faixa de freqncias de operao, a escolha deve recair para o pior caso, ou seja, amenor freqncia do sinal.

A resistncia total (R) a soma de RL e RTH. Para um acoplamento estabilizadoR1,0XC . ento a capacitncia ser:

Rf2,0

1C

MENOR Eq. 4- 2

Exemplo 4-1 Suponha o projeto de um estgio com transistor na faixa de udio, 20 Hz a

20kHz. O sinal de entrada entra no estgio via capacitor de acoplamento. Qual o valormnimo para o capacitor se ele perceber uma resistncia total de 10 k?

SOL.: Clculo do XC! R1,0X C =0,1*1000=100

A escolha da freqncia recai sobre a de menor valor f=20Hz.

F9,791000*20**2,0

1C =

!A capacitncia deve ser igual ou maior que 79,9F

CAPACITOR DE DESVIO

Um capacitor de desvio semelhante a um capacitorde acoplamento, exceto que ele acopla um pontoqualquer a um ponto aterrado, como mostra a Figura 4-4. O capacitor funciona idealmente como um curto paraum sinal ca.O ponto A est em curto com o terra noque se refere ao sinalca.O ponto A designado de terraca.Um capacitor de desvio no perturba a tensoccnoponto A porque ele fica aberto para correntecc.

O capacitor C3 da Figura 4-2 um exemplo decapacitor de desvio. A sua funo no circuito a deaterrar o emissor para sinais ca e no interferir napolarizaocc.

A menos que se diga o contrrio, todos os capacitores de acoplamento e desvio soconsiderados estabilizados e segue a regra XC


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TEOREMA DA SUPERPOSIO PARA AMPLIFICADORES

Num amplificador transistorizado, a fonteccestabelece correntes e tenses quiescentes.A fonteca produz ento, flutuaes nessas correntes e tenses. O jeito mais simples deanlise do circuito dividindo a anlise em duas partes: uma anlisecce uma anliseca.Em outras palavras, aplica-se o teorema da superposio.

O teorema da superposio diz que se pode calcular os efeitos produzidos no diversospontos de um circuito para cada fonte de alimentao funcionando sozinha. O efeito totalser a soma de cada efeito individual.

CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC.

O circuito da Figura 4-2 tem duas fontes de alimentao (VCC e VS). Cria-se o circuitodevido a fonte cc denominado equivalente cc. E depois o circuito devido a fonte cadenominado equivalente ca.

EQUIVALENTE CC

Anlise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. Somentecorrentescc atuam neste caso e, portanto, os capacitores so desprezados. Seqncia:

Reduzir a fonteca a zero (considerar a fonte VSem curto).

Abrir todos os capacitores.

A Figura 4-5 mostra o circuito equivalentecc.

Figura 4-5

EQUIVALENTE CA

Anlise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte VCC. Somentecorrentes ca atuam neste caso e, portanto, os capacitores so considerados em curto.Seqncia:

Reduzir a fontecc a zero (considerar a fonte VCCem curto).

Todos os capacitores em curto.

A Figura 4-6 mostra o circuito equivalenteca.


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Figura 4-6A corrente total em qualquer ramo a soma das correntescceca.Igualmente a tensototal em qualquer ponto soma das tensescc eca.

NOTAO

A partir daqui, conveniente distinguir os sinais contnuos dos alternados. Para isto asvariveis com suas letras e ndices passam a ter a seguinte conveno:

letra e ndices maisculos para as quantidadescc.!IC, VE, VCC.

Letras e ndices minsculos para as quantidadesca.!ic, ve, vs.

Sinal negativo para indicar tenses ou correntes senoidais 180 fora de fase. Figura 4-7

Figura 4-7

RESISTNCIA CA DO DIODO EMISSOR

Ao polarizar corretamente o transistor, o modelo Ebers-Moll uma alternativa boa esimples de representao do transistor. At agora, o VBE foi aproximado para 0,7V. Omodelo continua vlido para pequenos sinais alternados, com uma alterao no diodoemissor.

A Figura 4-8 mostra a curva do diodo relacionando IEe VBE. Na ausncia de um sinalca otransistor funciona no ponto Q, geralmente localizado no meio da linha de carga cc.Quando um sinal ca aciona o transistor, entretanto, a corrente e a tenso do emissorvariam. Se o sinal for pequeno, o ponto de funcionamento oscilar senoidalmente de Q apico positivo de corrente em A e, a seguir, para um pico negativo em B, e de volta para Q,onde o ciclo se repete.


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Figura 4-8

Um sinal considerado pequeno quando a oscilao de pico a pico na corrente doemissor (ie) for menor do que 10% do valor da corrente quiescente do emissor (IE).

Se o sinal for pequeno, os picos A e B sero prximos de Q, e o funcionamento aproximadamente linear. O arco A e B quase uma linha reta. Logo, o diodo emissorpara pequenos sinaisca se apresenta como uma resistncia, chamada de resistncia cado emissor e pela lei de Ohm:

E

BE'e I

Vr

= Eq. 4- 3

onde:

re= resistnciaca do emissor

VBEpequena variao na tenso de base-emissor

IEvariao correspondente na corrente do emissor.

VBE e IE, na verdade so, respectivamente, uma tenso e uma corrente alternada.Rescrevendo:

e

be'e i

vr = Eq. 4- 4

vbe= tensoca atravs dos terminais da base-emissor

ie= correnteca atravs do emissor.

A Figura 4-9 mostra o modelo ca Ebers-Moll. Neste modelo, o diodo base-emissor substitudo pela resistnciaca do emissor.


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Figura 4-9

Uma outra maneira de se conseguir o valore de re atravs da seguinte frmula:

=r mV

Ie E

25 Eq. 4- 5

Obs.: redepende s de IEde polarizao.

CA- GANHO DE CORRENTE ALTERNADA

A Figura 4-10 mostra a curva ICx IB. CC a razo entre a corrente de coletor e a correntede base. Como o grfico no linear, CCdepende do valor do ponto Q. O ganho decorrenteca (chamado de caou simplesmente ) a relao entre a variao da corrente

de coletor e a variao da corrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q.

b

c

B

C

i

i

I

I=

= Eq. 4- 6

Graficamente a inclinao da curva no ponto Q. Ele pode assumir diversos valoresdependendo da posio Q.

4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO

A Figura 4-11mostra um circuito com um capacitor de desvio ligado ao emissor. Ocapacitor aterra o emissor em termos deca.A fonte vsinjeta uma pequena onda senoidal

base do transistor atravs do capacitor de acoplamento. Esta onda faz variar a tensode vbee pela curva da Figura 4-8 induz uma variao no ie. Como a corrente de coletor praticamente igual a corrente de emissor, h uma queda de tenso proporcional no R C.Sendo mais preciso, um pequeno aumento na tenso vs, aumenta a tenso de base-emissor, que por sua vez aumenta a corrente ie, como ic igual a ic,h uma queda detenso nos terminais do RCo que culmina com uma queda de tenso de vce. Em sumauma variao positiva de vs produz uma variao negativa em vce, isto significa que ossinais de entrada e sada esto defasados de 180. Veja a Figura 4-12.


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Figura 4-10

Figura 4-11


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Figura 4-12

GANHO D E TENSO

O ganho de tenso :

entrada

sadaV

v

vA = Eq. 4- 7

Figura 4-13A Figura 4-13 mostra o circuito equivalenteca para amplificador da Figura 4-11, o resistordo coletor RC e R1 tem um dos lados aterrado, porque a fonte de tenso VCCaparececomo um curto em ca.Por causa do circuito paralelo na entrada, a tenso v saparecediretamente sobre diodo emissor. Na Figura 4-14 o mesmo circuito ao considerar omodelo Ebers-Moll.

A tenso de entrada aparece com uma polaridade mais - menos para indicar o semiciclopositivo. A lei de Ohm aplicada em re:

'e

se

r

vi = Eq. 4- 8


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Figura 4-14

na Figura 4-14, a malha do lado direito tem dois resistores em paralelo RCe RL. O resistor

equivalente :rC= RL// RC

na malha do lado direito a tenso de sada a tenso sobre o resistor equivalente rC.

Ccsada riv = Eq. 4- 9

ento o ganho

'ee

Cc

entrada

sadaV ri

ri

v

vA

== Eq. 4- 10

como a corrente do coletor aproximadamente igual a corrente do emissor

'e

CV r

rA = Eq. 4- 11

4.3 REALIMENTAO

Quando uma parte do sinal de sada de um circuito aplicado de volta entrada domesmo, dizemos que houve uma realimentao no circuito. Quando o sinal aplicadonovamente entrada do circuito possui a mesma fase que o sinal existente na entrada,este processo designado como realimentao positiva. Por outro lado, se o sinalreaplicado na entrada tiver fase oposta ao sinal j existente na entrada, o nome dado

realimentao negativa.A realimentao negativa mais aplicada nos amplificadores e, a realimentao positiva,na maioria dos circuitos osciladores.

A realimentao negativa em amplificadores tem como desvantagem a diminuio doganho, dado que ela subtrai parcialmente a tenso de entrada. A sua grande vantagem estabilizao do circuito. O prximo item analisa um circuito com realimentao negativa,observando a questo do ganho e da estabilidade.

4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL

No amplificador de emissor comum a tenso de sada inversamente proporcional a re.E o valor de redepende do ponto de operao. Isto um problema para a tenso desada, pois, ela se torna susceptvel as variaes de temperatura e troca de transistor.


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Naturalmente nos amplificadores com controle de volume (tenso de entrada), oproblema contornvel.

Mas nem todos o amplificadores tem este controle. Uma opo para estabilizar o ganhode tenso deixar uma certa resistncia de emissor sem ser desviada. Esse resistor nodesviado recebe o nome de resistor de realimentao porque ele produz uma

realimentao negativa. Veja Figura 4-15.

Figura 4-15

A corrente ca do emissor deve circular atravs doresistor RE1antes de passar pelo capacitor de desvioe pelo ponto de aterramento. Sem o resistor derealimentao o diodo emissor recebe toda a tensoca de entrada (como mostrado na Eq. 4-8). Noentanto com a incluso do RE1, a tensoca apareceno diodo e no RE1. Ou seja:

1ERbes vvv +=

ou

1ERsbe vvv =

Quando a tenso de entrada aumenta, a tenso noemissor aumenta. Isso implica que a tenso derealimentao est em fase com a tenso ca deentrada. Como resultado, a tenso ca no diodoemissor menor que antes. A realimentao negativa porque a tenso de realimentao diminui atensoca no diodo emissor e portanto a corrente ie.

Na Figura 4-16 est o equivalenteca do amplificador com realimentao parcial.

a equao da corrente de emissor :

re

Figura 4-16


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1E'e

se

Rr

vi

+=

a tenso de sada o mesmo que da Eq. 4-9:

Ccsada riv =

considerando ic=ie

1E'e

C'ee

Cc

entrada

sadaV Rr

r

ri

ri

v

vA

+=

== Eq. 4- 12

Em geral o valor de RE1 bem maior que o de ree o ganho de tenso passa a no ser

influenciado pelas variaes de re. Em contrapartida, quanto maior o RE1 menor ser oganho de tenso. Em suma, existe um compromisso entre a estabilidade do ganho detenso e o valor do ganho.

IMPEDNCIA DE ENTRADA

No circuito da Figura 4-15 a tenso de entrada aplicada diretamente na base dotransistor. No entanto, na maioria das aplicaes a fonte vstem uma resistncia em sriecomo mostrado na Figura 4-17.

Figura 4-17

Para uma anlise mais detalhada docomportamento ca, deve-se primeiro criar oequivalenteca como mostrado na Figura 4-18.

No circuito equivalente, pode-se ver um divisorde tenso do lado da entrada do transistor. Issosignifica que a tenso ca na base ser menorque a tenso vs.

O divisor de tenso formado pelo resistor RSeos resistores R1 //R2. Mas como na base dotransistor entra uma corrente ib, ela deve ser

considerada. A resistncia ca vista da base conhecida como impedncia de entrada dabase. Abaixo de 100kHz basta considerar os

Figura 4-18


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elementos puramente resistivos.

A impedncia de entrada da base a razo entre a tenso aplicada na base (v b) e acorrente ib.

b

bbase

i

vz = Eq. 4- 13

Para descobrir a impedncia da base melhor aplicar o modelo de Ebers-Moll no circuitoda Figura 4-18.

Figura 4-19

atravs do circuito possvel saber o valor vbem funo de re.

vb=iere

e a partir da Eq. 4-13:

'eb

'

eb

b

'

ee

b

bbase ri riiriivz ==== Eq. 4- 14

a impedncia de entrada do estgio (zent) a resultante do paralelo de R1, R2e zbase.'e21base21ent r//R//Rz//R//Rz == Eq. 4- 15

A tensoca na base o divisor de tenso RScom a impedncia de entrada do estgio

sentS

entb vzR

zv

+= Eq. 4- 16

No amplificador com realimentao parcial, aplica-se a mesma regra, a nica diferena

a impedncia de entrada da base. Ela ser:)Rr(z 1E

'ebase += Eq. 4- 17

ESTGIOS EM CASCATA

Para obter um maior ganho de tenso na sada de um amplificador, usual conectar doisou mais estgios em srie, como mostra a Figura 4-20. Este circuito chamado deestgios em cascata, porque conecta a sada do primeiro transistor base do seguinte.

Abaixo uma seqncia de valores a serem calculados para anlise de um amplificador dedois estgios:

1. a impedncia de entrada do 2 estgio.2. A resistnciaca do coletor do 1 estgio.


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3. O ganho de tenso do 1 estgio.

4. A tenso de entrada do 1 estgio

5. O ganho de tenso de 2 estgio.

6. O ganho de tenso total.

Figura 4-20

A polarizao cc analisada individualmente, oscapacitores de acoplamento isolam os dois estgiosentre si e tambm da entrada vs e sada RL (oresistor de carga pode, por exemplo, estarrepresentando um terceiro estgio).

Os dois estgios so idnticos para polarizaocc.

VB= 1,8V VE= 1,1V IE= 1,1mA VC= 6,04V

com o valor de IE, tem-se re:

re = 25mV/ IE= 22,7

ANLISE DO PRIMEIRO ESTGIO

O equivalenteca mostrado na Figura 4-21:

O segundo estgio age como uma resistncia decarga sobre o primeiro. O valor desta carga aimpedncia de entrada do segundo estgio zentb.Supondo = 100:

=== k17,22*100//2k2//k10r//R//Rz 'eA2A1entb

na Figura 4-21, RCest em paralelo com zentb:

rc=RC//zentb=3,6k//1k=783o ganho de sada do primeiro estgio

Figura 4-21


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AV=-783/22,7=-34,5

O primeiro e segundo estgios tem a mesma impednci

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Apostila de Eletrônica Básica1