É um dispositivo que permite modificar uma tensão alternada, aumentando-a ou diminuindo-a.

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1 Prof. Dr. Sérgio Turano de Souza Transformador Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, induzindo tensões, correntes e/ou de modificar os valores das impedâncias elétricas de um circuito elétrico. É um dispositivo que permite modificar uma tensão alternada, aumentando-a ou diminuindo-a. Inventado em 1831 por Michael Faraday, os transformadores são dispositivos que funcionam através da indução de corrente de acordo com os princípios do eletromagnetismo, ou seja, ele funciona baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday-Neumann-Lenz e da Lei de Lenz, onde se afirma que é possível criar uma corrente elétrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a um campo magnético variável, e é por necessitar dessa variação no fluxo magnético que os transformadores só funcionam em corrente alternada. 1

2 Um transformador consiste, essencialmente, de duas bobinas isoladas eletricamente, montadas em um mesmo núcleo de ferro (que concentra as linhas de campo). ESTRUTURA Um transformador é formado basicamente de: Enrolamento - O enrolamento de um transformador é formado de várias bobinas que em geral são feitas de cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante. Núcleo - esse em geral é feito de um material ferromagnético e o responsável por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o enrolamento secundário. Esses dois componentes do transformador são conhecidos como parte ativa, os demais componentes do transformador fazem parte dos acessórios complementares. 2

3 A bobina que recebe a tensão a ser transformada (V P ), recebe o nome de primário e a outra que fornece a tensão transformada (V S ) é chamada de secundário. A corrente alternada, passando no primário, origina um fluxo magnético alternado (o campo magnético B varia) no núcleo de ferro. Este fluxo variável atravessa o secundário, induzindo uma tensão alternada no secundário. O núcleo de ferro laminado para diminuir as perdas causadas pelas correntes de Foucault, e para aumentar o acoplamento entre as duas bobinas. Existem transformadores de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Há também os autotransformadores. Um transformador só pode ser usado com corrente alternada, uma vez que nenhuma tensão será induzida no secundário, se não houver variação do fluxo de indução magnética φ B. Se uma tensão contínua é aplicada ao primário, uma tensão será induzida no secundário, somente no instante do fechamento ou abertura do circuito primário, pois é somente nestes instantes que a intensidade do campo magnético (portanto o fluxo) varia. Uma das principais vantagens de um transformador, além de transformar uma tensão, é acoplar dois circuitos, sem interligá-los eletricamente. 3

4 Princípios básicos O transformador é baseado em dois princípios: o primeiro, descrito via lei de Biot-Savart, afirma que corrente elétrica produz campo magnético (eletromagnetismo); o segundo, descrito via lei da indução de Faraday, implica que um campo magnético variável no interior de uma bobina ou enrolamento de fio induz uma tensão elétrica nas extremidades desse enrolamento (indução eletromagnética). A tensão induzida é diretamente proporcional à taxa temporal de variação do fluxo magnético no circuito. A alteração na corrente presente na bobina do circuito primário altera o fluxo magnético nesse circuito e também na bobina do circuito secundário, esta última montada de forma a encontrar-se sob influência direta do campo magnético gerado no circuito primário. A mudança no fluxo magnético na bobina secundária induz uma tensão elétrica na bobina secundária. A corrente passando através da bobina do circuito primário cria um campo magnético. A bobina primária e secundária são ambas enroladas sobre um núcleo de material magnético de elevada permeabilidade magnética, por exemplo um núcleo de ferro, de modo que a maior parte do fluxo magnético passa através de ambas as bobinas. 4

5 Autotransformadores Os autotransformadores os enrolamentos primário e secundário estão em contato entre si. O enrolamento tem pelo menos três saídas, onde as conexões elétricas são realizadas. Um autotransformador pode ser menor, mais leve e mais barato do que um transformador de enrolamento duplo padrão. Entretanto, o autotransformador não fornece isolamento elétrico. Autotransformadores são muitas vezes utilizados como elevadores ou rebaixadores entre as tensões na faixa volts e tensões na faixa volts. Por exemplo, a saída de 110 ou 120V de uma entrada de 220V, permitindo que equipamentos a partir de 100 ou 120V possam ser usados em uma região de 220V. Um autotransformador variável é feito expondo-se partes das bobinas do enrolamento e fazendo a conexão secundária através do deslizamento de um contato, resultando em variação na relação das espiras. Tal dispositivo é normalmente chamado pelo nome de marca Variac. TRANSFORMADOR IDEAL Um transformador ideal é aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam, ou abraçam, o mesmo fluxo, o que equivale a dizer que não há dispersão de fluxo. Isso implica assumir a hipótese de que a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita, e o circuito magnético é fechado. Além disso, admite-se que o transformador não possui perdas de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, seja no núcleo. 5

6 Em um transformador ideal, vale a relação das potências: P S = P P Onde P S é a Potência no Secundário (P S = V S. i S ) Onde P P é a Potência no Primário (P P = V P. i P ) Em um transformador real: P S < P P A dissipação de potência ocorre por efeito Joule nos condutores dos enrolamentos e no núcleo do transformador.. Consideremos o transformador ideal: V P. i P = V S. i S Como o número de espiras varia de um transformador para outro, temos N P é o número de espiras no Primário N S é o número de espiras no Secundário Valem as seguintes relações: Onde N P / N S é denominada relação de espiras ou relação de transformação. 6

7 EXERCÍCIOS 1) Um transformador ideal tem 200 espiras no primário e 800 espiras no secundário. Aplicando-se uma tensão de 10 V (eficaz) no primário, calcule: a) Tensão induzida no secundário; b) A corrente no primário e no secundário se um resistor de 100 Ω for ligado ao secundário. V S = 40 V i p = 1,6 A 2) A corrente elétrica que passa pelo enrolamento primário do transformador, que tem 800 espiras, é i P = 15 A. Calcule a corrente no enrolamento secundário do transformador, sabendo que ele possui 100 espiras. i S = 120 A 3) Uma máquina de solda elétrica precisa operar com uma corrente elétrica de 400 A para que haja potência dissipada suficiente para fundir as peças metálicas. A potência necessária é dada por P =R.i 2, onde R é a resistência dos eletrodos de solda. Com a intenção de obter esse valor de corrente elétrica, utiliza-se um transformador, que está ligado a uma rede elétrica cuja tensão vale 110 V, e pode fornecer um máximo de 40 A. Qual deve ser a razão do número de espiras entre o enrolamento primário e o secundário do transformador, e qual a tensão de saída? N1/N2 = 10; V = 11 V 7

8 DIODOS Prof. Dr. Sérgio Turano de Souza Classificação dos materiais / Resistividade 8

9 Átomo de Silício Íons positivos e Íons negativos Um átomo quando eletricamente neutro poderá ganhar (receber) ou perder (ceder) elétrons. Quando ele ganha um ou mais eletrons, dizemos que se transforma em um íon negativo. Quando um átomo perde um ou mais eletrons, dizemos que ele se transforma em um íon positivo. Exemplo: Se o átomo de sódio (Na) ceder um eletron ao átomo de cloro (Cl) passamos a ter um ion positivo de sódio e um ion negativo de cloro. Ion negativo de cloro - C l N + a Ion positivo de sódio 9

10 Materiais Semicondutores Materiais Semicondutores Os semicondutores são uma classe intermediária de substâncias; Eles possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor; Suas propriedades elétricas são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas (dopagem). Por que são importantes? Em uma palavra: CONTROLE 10

11 Materiais Semicondutores São sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa facilidade de sua condição de isolante para a de condutor; Em baixas temperaturas os semicondutores puros comportam-se como isolantes; Sob temperaturas mais altas ou sob aumento de luminosidade ou com a adição de impurezas a sua condutividade pode ser aumentada drasticamente, podendo-se alcançar níveis que se aproximam dos metais. Materiais Semicondutores Materiais que apresentam uma resistividade elétrica intermediária. Como exemplo temos o germânio e silício além do gálio, do cádmio, arsênio e telúrio; A camada de valência é a última camada do átomo ou o último nível de uma distribuição eletrônica. Normalmente os elétrons pertencentes à camada de valência são os que participam de alguma ligação química, pois são os mais externos. Os átomos de germânio e silício tem uma camada de valência com 4 elétrons. Quando os átomos de germânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada; Cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons. 11

12 Estrutura de bandas de energia Banda de condução Banda proibida Elétrons livres Banda de condução Banda de Valência Lacunas Banda de Valência isolante semicondutor condutor Materiais Semicondutores Cada átomo compartilha 4 elétrons com os vizinhos, de modo a haver 8 elétrons em torno de cada núcleo. Elétron livre Lacuna Com o aumento da temperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres. 12

13 Materiais Semicondutores Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacuna, sendo também conhecida como buraco. Lacuna Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido do maior potencial elétrico e as lacunas por consequência se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons. Materiais Semicondutores SEMICONDUTIVIDADE Semicondutores intrínsecos: o comportamento elétrico é baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material puro (sem impurezas). Semicondutores extrínsecos: nesse caso as características elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas. 13

14 Impurezas Nesta forma cristalina de grande pureza o silício e o germânio não servem para elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas impurezas ao material. É injetado através de um processo controlado, a inserção proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 átomos do cristal, com a intenção de alterar a produção de elétrons livres e lacunas. A este processo de inserção dá-se o nome de dopagem. As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos: Impurezas doadoras; Impurezas aceitadoras; Impureza doadora São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência. Ex.: Fósforo e Antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um elétron fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é suficiente para se tornar livre). 14

15 Impureza aceitadora São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência. Ex.: Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. Conceitos Básicos Introdução ao Diodo 15

16 Semicondutor tipo N e P Semicondutor tipo N O cristal que foi dopado com impureza doadora é chamado semicondutor tipo N, onde N está relacionado com negativo. Como os elétrons livres excedem em número as lacunas num semicondutor tipo N, os elétrons são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários. Semicondutor tipo P O cristal que foi dopado com impureza aceitadora é chamado semicondutor tipo P, onde P está relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em número os elétrons livres num semicondutor tipo P, as lacunas são chamadas portadores majoritários e os elétrons livres, portadores minoritários. Introdução - Diodo A união de um cristal tipo P e um cristal tipo N, obtém-se uma junção PN, que é um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção. 16

17 Introdução - Diodo P Zona de Depleção ( Depleção (Camada de Ions N Devido a repulsão mútua os elétrons livres do lado N espalham-se em todas direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo) Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os íons estão fixos na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de íons aumenta, a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção. Introdução - Diodo = Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. A 25º C, esta barreira é de 0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio. 17

18 Polarização dos Diodos Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Há duas formas de se polarizar um diodo: Polarização Direta; Polarização Inversa; Polarização Direta + - No material tipo N os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para a junção. No material tipo P as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Para haver fluxo livre de elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar o efeito da camada de depleção. 18

19 Polarização Inversa - + Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção PN, isto é, ligando o polo positivo no material tipo N e o polo negativo no material tipo P, a junção fica polarizada inversamente. No material tipo N os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo P. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra. Simbologia de diferentes tipos de diodos 19

20 Diferentes tipos de Diodos Diodo Retificador Símbolo 20

21 Curva característica de um Diodo / Polarização Direta A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo. 0,7 V Tensão de Joelho Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um componente linear. A tensão no diodo é uma função do tipo: 0,7 V Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho. (No Silício é aprox. 0,7 V e no Germânio é aprox. 0,3 V). 21

22 Curva característica de um Diodo / Polarização Inversa O diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente. Curva característica de um Diodo / Gráfico Completo 22

23 Ruptura do Diodo Quanto maior a tensão reversa (U), maior é a velocidade dos elétrons livres. O diodo conduz intensamente, gerando uma potência muito alta. A velocidade cresce a um nível em que os elétrons livres começam a colidir com elétrons de valência, tirando-os de suas órbitas, gerando mais elétrons livres, consequentemente os elétrons liberados acabam também se colidindo com outros, causando assim a ruptura do diodo. A este feito damos o nome de Efeito Avalanche. Efeito Avalanche 23

24 Aproximações do Diodo Ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessário conhecer a curva do diodo, mas dependendo da aplicação pode-se fazer aproximações para facilitar os cálculos. 1º- Aproximação (Diodo ideal) Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta. 24

25 2º- Aproximação Leva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7 V para iniciar a conduzir. Pensa-se no diodo como uma chave em série com uma bateria de 0,7 V. Obs.: Utilizaremos esta aproximação ao longo do curso. 3º- Aproximação Na terceira aproximação considera a resistência interna do diodo. 25

26 Teste de diodos (escala de resistência) Teste de diodos (escala própria) Posicionar a chave seletora conforme indicado. 26

27 Resistor limitador de corrente Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor é usado em série com o diodo para limitar a corrente elétrica que passa através deles. R é chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o R, menor a corrente que atravessa o diodo e o R. A corrente i através do circuito é a seguinte: Exercício 1 Determine V R e i D para o circuito abaixo (configuração série). Ω Vo = 11V ID = 1,96 ma 27

28 Exercício 2 Determine V R e I D para o circuito abaixo (configuração série). Ω Exercício 3 Determine Vo e I D para o circuito abaixo (configuração série). R 1 = 4,7 kω R 2 = 2,2 kω Vo = - 0,45 V ID = 2,07 ma 28

29 Exercício 4 Determine I 1, I D1 e I D2 para o circuito abaixo (configuração paralelo). I1 Ω ID1 ID2 I1 = 2,81 ma ID1 = 1,405 ma ID2 = 1,405 ma Exercício 5 Determine I 1 para o circuito abaixo. I1 Ω I1 = 6,95 ma 29

30 Exercício 6 Determine V 0 para o circuito abaixo. 1º ponto. Qual diodo irá conduzir? Ω Vo = 11,7 V Exercício 7 Determine I 1, I 2 e I D2 para o circuito abaixo. I1 I2 ID2 Ω Ω I1 = 3,32 ma I2 = 212,12 ua ID2 = 3,11 ma 30