CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL LAURO GOMES APOSTILA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA

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1 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL LAURO GOMES APOSTILA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA DSM1 1ª SÉRIE DE ELETRÔNICA PERÍODO NOTURNO PROFº GIUSEPPE GIOVANNI MASSIMO GOZZI SÃO BERNARDO DO CAMPO

2 SINAIS ELÉTRICOS ALTERNADOS ETEC LAURO GOMES ALTERNADA. Tanto a tensão como a corrente elétrica pode ser de dois tipos: CONTÍNUA ou Uma fonte de tensão contínua é aquela cuja tensão NÃO MUDA DE SENTIDO conforme o tempo. Abaixo, na figura 32, temos um exemplo de fonte de tensão contínua e constante: PODEMOS NOTAR PELO GRÁFICO Vxt QUE A TENSÃO ELÉTRICA U NÃO VARIA CONFORME O TEMPO t. FIGURA 01: FONTE DE TENSÃO CC Exemplos de fontes de tensão contínua são as pilhas e as baterias, pois mantém sempre a mesma polaridade da tensão. As fontes de tensão ALTERNADA são chamadas assim porque a tensão alternada MUDA DE SENTIDO conforme o tempo: PODEMOS NOTAR PELO GRÁFICO Vxt QUE A TENSÃO ELÉTRICA U VARIA CONFORME O TEMPO t. TEMOS ENTÃO U(t), UMA TENSÃO EM FUNÇÃO DO TEMPO. FIGURA 02: FONTE DE TENSÃO CA Neste caso, a tensão elétrica é gerada por um fenômeno eletromagnético chamado indução eletromagnética. No exemplo acima, temos uma tensão alternada correspondente a uma função seno. Não que todas as tensões alternadas sejam assim, porém é desse tipo que vamos utilizar em nossos circuitos eletrônicos com diodos. 2

3 Sendo assim, vamos definir alguns valores importantes para esta função periódica: EM TENSÃO ALTERNADA, É COMUM NOS REFERIRMOS A VALOR EFICAZ, POIS É BASTANTE UTILIZADO NA PRÁTICA, ABRANGENDO NÃO SÓ CIRCUITOS ELETRÔNICOS COMO OS ELÉTRICOS E TAMBÉM AS ESPECIFICAÇÕES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS E DE APARELHOS ELETRODOMÉSTICOS. FIGURA 03: VALORES CARACTERÍSTICOS DE UM SINAL ELÉTRICO PERÍODO : É o intervalo de tempo, em segundos, que o sinal elétrico periódico necessita para completar o seu ciclo. No nosso caso, o período (T) vai, por exemplo, do começo do semiciclo positivo (t 1 ) até o final do semiciclo negativo (t 2 ): T t 2 t 1 FREQÜÊNCIA: É o número de ciclos que o sinal elétrico possui em um intervalo de tempo de um segundo. A unidade desta grandeza (f) é o hertz (Hz): 1 f T VALOR MÁXIMO : É o máximo valor absoluto que o sinal elétrico pode atingir. Também chamado de VALOR DE PICO. No nosso caso, o valor de pico da tensão é Up. VALOR MÍNIMO : É o mínimo valor absoluto que o sinal elétrico pode atingir. No nosso caso, o valor mínimo da tensão é o valor de pico negativo (-Up), uma vez que o sinal elétrico é simétrico. VALOR DE PICO-A-PICO : É a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo. No nosso caso, esta diferença resultará no dobro do valor de pico (Vpp = 2Up). VALOR MÉDIO : É a média aritmética de todos os valores do sinal elétrico envolvidos em um ciclo completo. No nosso caso, como o sinal é simétrico e periódico, o valor médio (Vm) da tensão vale zero. VALOR EFICAZ : Corresponde a um valor de tensão ou corrente (abaixo do valor máximo) alternada capaz de fornecer a mesma energia (ou dissipar a mesma potência) equivalente a um valor de tensão ou corrente contínua. No nosso caso, o valor eficaz da tensão vale : Up Uef 2 3

4 EXERCÍCIOS 1) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da frequência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic) : DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: Up = 4 V Upp = 8 V RESOLUÇÃO: T t 2 t 1 1 f T Up Uef 2 T =????? f =????? Um =????? Uef =????? 4

5 2) Para a forma de onda abaixo, determine os valores do período (T), da frequência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Up = 10 V T =????? Upp = 20 V f =????? Um =????? Uef =????? RESOLUÇÃO: 5

6 3) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da frequência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic) são, respectivamente : DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : T =????? f =????? Um =????? Uef =????? RESOLUÇÃO: 6

7 4) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da frequência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic): DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO 7

8 TRANSFORMADOR ETEC LAURO GOMES Nikola Tesla patenteou o transformador em 1885, que é um dispositivo utilizado para alterar o valor da tensão/corrente elétrica, aumentado-as ou diminuindo-as. Ele é composto por dois enrolamentos que compartilham o mesmo núcleo magnético (parecido com o circuito da experiência de Faraday): FIGURA 04: TRANSFORMADOR MONOFÁSICO O enrolamento que receberá a tensão da rede é o enrolamento primário, enquanto que o enrolamento que fornecerá a tensão para uma carga é o enrolamento secundário. A mudança de valores de tensão e corrente é conseguida através do número de voltas espiras que cada enrolamento possui, de acordo com a seguinte regra: Se o enrolamento secundário possuir menos voltas que o primário, o transformador é do tipo que abaixa a tensão; Se o enrolamento secundário possuir mais voltas que o primário, o transformador é do tipo que eleva a tensão; Essa regra pode ser descrita como a relação de transformação (RT): onde: U RT U P S N N P S I I S P U P é a tensão no enrolamento primário (V); U S é a tensão no enrolamento secundário (V); N P é o número de espiras no enrolamento primário; N S é o número de espiras no enrolamento secundário; I P é a corrente no enrolamento primário (A); I S é a corrente no enrolamento secundário (A); Perceba que a relação de transformação de corrente é inversa à da tensão, pois a diferença entre potência elétrica primária e secundária deve ser a mínima possível, para que o transformador seja o mais eficiente possível (transformar a tensão elétrica com pouco consumo de energia) 8

9 OSCILOSCÓPIO O osciloscópio é um instrumento de medida eletrônico que cria um gráfico bidimensional visível de uma ou mais diferenças de potencial. O eixo horizontal do monitor normalmente representa o tempo, tornando o instrumento útil para mostrar sinais periódicos. O eixo vertical comumente mostra a tensão. O monitor é constituído por um "ponto" que periodicamente "varre" a tela da esquerda para a direita. FIGURA 05: TELA DE UM OSCILOSCÓPIO Um típico osciloscópio é uma caixa retangular com uma tela, conectores de entrada, knobs para controle e botões na frente do painel. Atualmente existem osciloscópios portáteis com tela de cristal líquido. FIGURA 06: OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO E SEU CABO Para ajudar nas medidas, uma grade denominada reticulada é desenhada na face da tela. Cada quadrado na grade é conhecido como uma divisão. Cada quadrado (divisão) é dividido em cinco (5) partes iguais, resultado em uma subdivisão. Cada subdivisão vale 0,2 divisões (uma divisão inteira dividida por cinco). 9

10 FIGURA 07: DIVISÃO E SUBDIVISÃO O sinal a ser medido é ligado a um dos canais de entrada, geralmente através de um conector coaxial, como os conectores BNC ou tipo N. Se a fonte do sinal já possui seu conector coaxial, então um simples cabo é usado para ligá-la, caso contrário um cabo específico chamado ponta de prova para osciloscópio é usado. FIGURA 08: CABO DE OSCILOSCÓPIO COM PONTA DE PROVA Em seu modo mais simples, o osciloscópio desenha repetidamente uma linha horizontal chamada de traço através do meio da tela da esquerda para a direita. Um dos controles, o TIME/DIV (controle da base de tempo), determina a velocidade com que a linha é desenhada, e é calibrado em segundos por divisão. Se a tensão de entrada difere do zero, o traço pode ser defletido tanto para cima quanto para baixo. Outro controle, o VOLTS/DIV (controle vertical), determina a escala da deflexão vertical, e é calibrado em volts por divisão. O traço resultante é um gráfico da voltagem (tensão) em função do tempo. 10

11 Se o sinal de entrada é periódico, então um traço relativamente estável pode ser obtido apenas ajustando a base de tempo (timebase) de acordo com a frequência do sinal de entrada. Por exemplo, se o sinal é uma onda TRIANGULAR do tipo DENTE DE SERRA com frequência igual a 50 Hz, e seu período é de 20 ms, então a base de tempo (timebase) deve ser ajustada de modo que o tempo entre as passagens sucessivas seja de 20 ms. Este modo é chamado de continual sweep (varredura contínua). FIGURA 09: EXEMPLO DE SINAL DENTE DE SERRA NO OSCILOSCÓPIO O manuseio de um osciloscópio analógico é muito simples e basicamente consiste em ajustar alguns controles de forma que a forma de onda apareça estável na tela. A primeira coisa que deveremos aprender é identificar os controles. A figura a seguir mostra o aspecto geral de um osciloscópio de dois canais. Observar que a posição dos controles no painel pode diferir de um osciloscópio para outro. FIGURA 10: OSCILOSCÓPIO DE DOIS CANAIS (fonte: 11

12 A seguir a descrição dos principais controles do osciloscópio: Chave liga-desliga: Liga a energia elétrica ao osciloscópio FIGURA 11: CHAVE ON/DESLIGADO Controle de brilho e controle de foco: Controla a intensidade do brilho do feixe bem como o seu foco (nitidez). FIGURA 12: CONTROLES DE INTENSIDADE E FOCO Entradas verticais: nas entradas (duas no caso do osciloscópio de dois canais) serão colocados os cabos os quais serão ligados ao circuito externo. FIGURA 13: ENTRADAS VERTICAIS (POR ONDE SE COLOCA O CABO DE OSCILOSCÓPIO) Chave seletora do modo de entrada: Os modos de entrada podem ser: GND (é usado para estabelecer o zero de referencia), AC (entre a entrada e o amplificador vertical é interposto um capacitor, portanto se a forma de onda tiver uma componente continua a mesma não será mostrada) e DC (o acoplamento é direto, neste caso o sinal tenha uma componente DC, a mesma será mostrada): FIGURA 14: MODO DE ENTRADA 12

13 Chave seletora de ganho vertical: Seleciona um valor de ganho vertical. Na figura a seguir a chave seletora esta selecionando 1V por divisão. FIGURA 15a: CHAVES SELETORAS DE GANHO VERTICAL (ESCALA VERTICAL) Controle de posição vertical (Y pos): Desloca o traço na vertical FIGURA 15b: CONTROLE DE POSIÇÃO VERTICAL DO TRAÇO Chave seletora da base de tempo: A base de tempo determina a escala no eixo X (eixo de tempo). Em alguns casos pode ter um controle de calibração. FIGURA 16: CHAVE SELETORA DE GANHO HORIZONTAL (ESCALA HORIZONTAL, VARREDURA OU BASE DE TEMPO) Controle de posição horizontal (X POS): Desloca o traço na HORIZONTAL FIGURA 17: CONTROLE DE POSIÇÃO HORIZONTAL DO TRAÇO 13

14 Para se efetuar uma medição, é necessário calibrar o osciloscópio antecipadamente (esta etapa será vista na parte experimental). Após essa operação, a medição de um sinal é feito como se segue abaixo: AMPLITUDE ou VALOR DE PICO (Vp) = Nº DE DIVISÕES VERTICAIS X POSIÇÃO DO VOLTS/DIV PERÍODO (T) = Nº DE DIVISÕES HORIZONTAIS X POSIÇÃO DO TIME/DIV FIGURA 18: POSIÇÃO DAS ESCALAS VERTICAL (VOLTS/DIV) E HORIZONTAL (TIME/DIV) DO OSCILOSCÓPIO No exemplo: VOLTS/DIV = 1V/DIV (cada divisão quadrado VERTICAL vale 1V) TIME/DIV = 5ms/DIV (cada divisão quadrado HORIZONTAL vale 5 ms) O próximo passo é contar o número de divisões que o sinal ocupa na tela, como se segue: 14

15 Então: FIGURA 19: MEDIÇÃO DO SINAL NO OSCILOSCÓPIO AMPLITUDE = 2,5 DIVISÕES VERTICAIS X 1 VOLT/DIV Vp = 2,5 V Obs.: Na determinação da amplitude, devemos considerar apenas as divisões verticais compreendidas entre o centro e o pico positivo. VALOR DE PICO A PICO = 5,0 DIVISÕES VERTICAIS X 1 VOLT/DIV Vpp = 5,0 V Obs.: No exemplo analisado, o valor de pico a pico resultou no dobro do valor de pico porque o sinal é SIMÉTRICO (a parte positiva e a negativa são iguais). PERÍODO = 4,0 DIVISÕES HORIZONTAIS X 5 ms/div T = 20 ms Obs.: O período do sinal deve compreender um CICLO COMPLETO; uma forma prática é estabelecer um ponto inicial e um final que será quando a onda se REPETE, já que o sinal medido é PERIÓDICO. FREQUÊNCIA = 1 PERÍODO 1 20ms 1 0,02 f = 50 Hz Infelizmente, a base de tempo dos osciloscópios não é perfeitamente precisa, e a frequência do sinal não é perfeitamente estável, então o traço pode se mover pela tela, dificultando as medidas. Para prover um traço mais estável, os osciloscópios modernos tem uma função chamada trigger (desencadear ou disparar). Quando o triggering é utilizado, o instrumento irá parar cada vez que a varredura chegue ao extremo direito da tela e retornar de volta ao lado esquerdo da tela. O osciloscópio então aguarda um evento específico antes de começar a desenhar o próximo traço. O evento de trigger (disparo) é comumente acionado quando a forma de onda da entrada atinge uma tensão em uma direção específica (tensão crescente ou decrescente) determinada pelo usuário. Este recurso ressincroniza a base de tempo ao sinal de entrada, impedindo o deslizamento 15

16 horizontal do traço. Desta forma, o trigger permite a visualização de sinais periódicos tais como ondas quadradas e ondas seno. O circuito de Trigger também permite a visualização de sinais não periódicos, tais como pulsos que não se repetem em uma taxa fixa. FIGURA 20: TRIGGER Geralmente o osciloscópio tem um conjunto de controles verticais para cada canal, porém apenas um sistema de trigger e base de tempo. A maioria dos osciloscópios também permite que você tire a base de tempo e a insira um sinal no amplificador horizontal. Isto é chamado de modo X-Y, e é útil para ver a relação de fase entre dois sinais, o que é comum em análise de rádio e televisão. FIGURA 21: ENTRADA EXTERNA (HORIZONTAL) Quando os dois sinais são senoidais de frequência e fases variáveis, o traço resultante é chamado de Figura de Lissajous: FIGURA 22: FIGURAS DE LISSAJOUS (fonte: Alguns osciloscópios possuem cursores, que são linhas que podem ser movidas sobre a tela para medir o intervalo de tempo entre dois pontos, o a diferença entre duas tensões. Alguns osciloscópios digitais podem fazer a varredura a velocidades baixas, como uma vez por hora, emulando um gravador em papel de tira. Isto é, o sinal passa pela tela da direita para a esquerda. A maioria dos osciloscópios mais sofisticados muda do modo de varredura para o modo de escrita em tira com cerca de uma varredura a cada dez segundos. Isto ocorre porque caso 16

17 contrário, o osciloscópio iria aparentar estar quebrado: está coletando informações, porém o ponto não pode ser visto na tela. O uso clássico de um osciloscópio é diagnosticar uma peça defeituosa em um equipamento eletrônico. Em um rádio, por exemplo, se olha no esquema elétrico do aparelho e se localizam as conexões entre os estágios (como mixer eletrônico, osciladores eletrônicos, amplificadores). Então o terra do osciloscópio é ligado ao terra do circuito, e a ponta de prova é colocada na conexão entre dois estágios no meio do circuito. Quando o sinal esperado está ausente, se sabe que algum estágio precedente do circuito está defeituoso. Como a maioria das falhas ocorre por causa de um único componente defeituoso, cada medida pode provar que metade do estágio de uma peça complexa está funcionando corretamente, ou seja, que não é a causa do defeito. Uma vez que o estágio defeituoso é encontrado, testes mais específicos deste estágio podem geralmente mostrar a um profissional experiente qual componente está com defeito. Uma vez que este componente é substituído, a unidade pode voltar à operação, ou ao menos o próximo defeito pode ser procurado. Outro uso possível é a checagem de um circuito novo. Muito frequentemente circuitos novos se comportam abaixo do esperado devido aos níveis de tensão errados, ruído elétrico ou erros no projeto. Os circuitos digitais geralmente operam a partir de um oscilador (clock), então um osciloscópio de traço duplo (dual-trace) é necessário para verificar circuitos digitais. Osciloscópios com "armazenamento" são muitos úteis para "capturar" efeitos eletrônicos raros que podem levar a uma operação defeituosa. Outro uso é para engenheiros de software que programam circuitos eletrônicos. Muitas vezes o osciloscópio é a única maneira de ver se o software está rodando corretamente. Para essa aplicação existe, no entanto, um equipamento mais apropriado, o analisador lógico, uma espécie de osciloscópio digital que permite a leitura de dezenas de canais simultaneamente. O problema mais típico encontrado quando se utiliza um osciloscópio não familiar é que o traço não está visível. Muitos osciloscópios mais recentes possuem "opções de reset" ou um botão "auto set up". Utilize-o caso haja confusão. Alguns instrumentos possuem um botão "beamfinder". Ele limita o tamanho do traço de modo que ele irá aparecer na tela. Outra razão para a "perda" do traço é um ajuste de luminosidade (brightness) muito baixo. Todos os osciloscópios possuem um ajuste de luminosidade que serve para tornar o traço visível tanto em varreduras lentas como nas mais rápidas. Um ajuste muito tênue pode tornar o traço pouco visível. Um ajuste muito intenso pode deixar o sinal borrado. Alguns osciloscópios possuem um ajuste de foco que permite ajustar a espessura do traço. Verifique que primeiro você configure as opções de canal para acoplamento "DC", com trigger automático. Aumente o valor do VOLTS/DIV (volts por divisão) do canal (efetivamente diminuindo a Altura da linha) até a linha aparecer. Configure o TIME/DIV (tempo por divisão) próximo da velocidade do evento desejado, e então ajuste o volts por divisão até o evento aparecer em um tamanho útil. Os osciloscópios comumente possuem uma saída de teste que pode ser medida para se asseguram que um canal e sua ponta de prova estejam funcionando. Quando se utiliza um osciloscópio não familiar, é recomendado medir a este sinal primeiro. A capacitância do fio na ponta de prova pode fazer com que o osciloscópio mostre imprecisamente sinais de alta velocidade. Se o sinal parece distorcido, ou seja se ele mostrar pontas ou elevações estranhas, a capacitância da pronta de prova deve ser ajustada. Muitas destas (como as com atenuação de 10x) têm um pequeno parafuso de ajuste para a capacitância. A maioria dos osciloscópio provê uma saída de teste que produz uma onda quadrada para o ajuste 17

18 da ponta. O ajuste deve ser feito de modo que as bordas da onda pareçam um quadrado, sem excessos nem arredondamento. A largura de banda das pontas de teste devem ser iguais ou exceder à largura de banda dos amplificadores de entrada do osciloscópio. Em geral, a conexão de terra do osciloscópio deve ser ligada ao terra do circuito que está sendo analisado. A maioria dos osciloscópios possui um conector de terra em sua saída. Para medir precisamente sinais de alta frequência, o cabo de terra deve ser o mais curto possível; para frequências acima de 100 MHz, o conector embutido terra deve ser removido e substituído por um pequeno pino de terra que sai do anel de terra na ponta da prova. Se o osciloscópio possui uma conexão com o terra das linhas de alimentação, e provável que o pino de terra também esteja ligado ao terra (através do chassi do osciloscópio). Se o circuito em teste também tem sua referência com o terra das linhas de alimentação, então conectar o pino de terra a qualquer sinal teria o mesmo efeito de um curto-circuito ao terra, podendo causar danos ao circuito em teste ou ao próprio osciloscópio. Isto pode ser evitado alimentando-se o osciloscópio através de um transformador de isolação. Existem dois acoplamentos possíveis no canal de entrada: "AC" coupling (acoplamento AC) bloqueia qualquer DC (corrente continua) no sinal. Isto é útil quando se mede um pequeno sinal em um offset DC. Note que o modo de acoplamento a AC é feito se adicionando um capacitor internamente, que, apesar de ter um valor alto, pode afetar o modo como os sinais de baixa frequência irão aparecer. "DC" coupling (acoplamento DC) usado quando se mede uma tensão contínua, não bloqueia nenhum sinal. Verifique se você está ajustando o trigger do canal correto. Ajuste o trigger delay para zero. Ajuste o nível de trigger até o evento desejado. Após tudo, ajuste do trigger delay até a característica desejada do sinal aparecer. As pontas de prova do osciloscópio são relativamente caras e frágeis. Para reduzir a capacitância, o condutor no cabo de prova é algumas vezes mais fino que um fio de cabelo humano. A "caneta" plástica da ponta é muitas vezes fácil de quebrar. Deve-se evitar deixar a ponta de prova em algum local em que ela possa ser pisada. Os osciloscópios geralmente possuem uma lista das características acima. A medida básica é a largura de banda de seus amplificadores verticais. Os osciloscópios típicos para propósito geral devem possuir uma largura de banda de no mínimo 100 MHz, apesar de larguras de bandas muito menores serem aceitáveis para aplicações em frequências na faixa de áudio. Uma taxa de varredura útil pode ser de um segundo a 100 nanossegundos, com triggering e varredura com atraso. Para trabalhar com sinais digitais, dois canais são necessários, e um instrumento com uma taxa de varredura de no mínimo 1/5 da frequência máxima do sistema digital é recomendada. O benefício principal de um osciloscópio de qualidade é a boa qualidade do circuito de trigger. Se o trigger for instável, o display sempre será um pouco confuso. A qualidade melhora enormemente conforme a frequência de resposta e a estabilidade da tensão do trigger aumentam. Os osciloscópios de empacotamento digital costumavam mostrar sinais elétricos, do género AA-2B, denominados por vezes de quebrados devido às baixas taxas de armazenamento, porém este problema hoje em dia é muito mais raro devido ao aumento no tamanho das memórias. O mais novo e mais simples tipo de osciloscópio consiste num tubo de raios catódicos, um amplificador vertical, uma base de tempo, um amplificador horizontal e uma fonte de alimentação. Estes são chamados de osciloscópios 'analógicos' para serem distinguidos dos osciloscópios 'digitais' que se tornaram relativamente comuns nos anos 90 e

19 Antes da introdução do tubo de raios catódicos (CRO) nesta forma atual, o mesmo já vinha sendo utilizado em outros instrumentos de medição. O tubo de raios catódicos é uma estrutura de vidro com vácuo no seu interior, similar aos tubos de televisões a preto e branco, que possuem uma face plana coberta com um material fosforescente (o fósforo). A tela possui tipicamente menos de 20 cm de diâmetro, sendo muito menos do que as telas da maioria das televisões. A parte no pescoço do tubo é o acelerador de elétrons, que é uma placa de metal aquecida com uma malha de fios (o grid) na sua frente. Um pequeno potencial de grid é usado para bloquear os elétrons de serem acelerados quando o raio precisa ser desligado, como durante o retorno do varrimento ou quando nenhum evento de trigger (disparo de evento) ocorre. É aplicada uma diferença de potencial de, no mínimo, algumas centenas de volts para fazer com que a placa aquecida (o cátodo) fique carregado negativamente com relação às placas de deflexão. Para osciloscópios com uma largura de banda maior, onde o traço pode mover-se mais rapidamente através da tela, é tipicamente utilizada uma tensão de aceleração pós-deflexão de mais de volts, aumentando a velocidade com que os elétrons atingem o fósforo. A energia cinética dos elétrons é então convertida pelo fósforo em luz visível no ponto do impacto. É através da variação dessa tensão que se obtém o ajuste de luminosidade. Quando ligado, um tubo de raios catódicos (CRT) normalmente mostra um único ponto brilhante no centro da tela, porém este ponto pode ser movido eletrostaticamente ou magneticamente. O CRT de um osciloscópio utiliza a deflexão eletrostática. Entre o acelerador de elétrons e a tela existem dois pares de placas metálicas opostas chamadas de placas de deflexão. O amplificador vertical gera um diferença de potencial através de um par de placas, gerando um campo elétrico vertical, através do qual o raio de elétrons passa; quando os diferenciais das placas são os mesmos, o raio não é defletido. Quando a placa superior é positiva com relação à inferior, o raio é defletido para cima; quando o campo é invertido, o raio é defletido para baixo. O amplificador horizontal realiza uma função semelhante com os pares de placas de deflexão horizontais, fazendo com que o raio se mova para a direita ou para a esquerda. Este sistema de deflexão é chamado de deflexão eletrostática, e é diferente do sistema de deflexão eletromagnética utilizado nos tubos das televisões. Em comparação à deflexão magnética, a deflexão eletrostática pode seguir mudanças aleatórias no potencial, porém, é limitada a ângulos de deflexão pequenos. A base de tempo é um circuito eletrônico que gera uma tensão de rampa. Esta é uma tensão que muda continuamente e linearmente no tempo. Quando ela atinge um valor pré-definido a rampa é reiniciada, com a tensão retornando ao seu valor inicial. Quando um evento de trigger é reconhecido o reset é ativado, permitindo que a rampa volte ao seu estado inicial e cresça novamente. A tensão da base de tempo geralmente controla o amplificador horizontal. O seu efeito é a varredura do raio de elétrons a uma velocidade constante da esquerda para a direita através da tela, e então retornando o raio rapidamente para a esquerda para iniciar a próxima varredura. A base de tempo pode ser ajustada para o período do sinal medido. Desse modo, o amplificador vertical é controlado por uma tensão externa (a entrada vertical) que é tirada do circuito que está sendo medido. O amplificador possui uma impedância de entrada muito alta, de tipicamente um megaohm, de modo que ele consome apenas uma pequena corrente da fonte do sinal. O amplificador controla a deflexão causada pelas placas verticais com uma tensão que é proporcional à entrada vertical. O ganho do amplificador vertical pode ser regulado para se ajustar à amplitude da tensão de entrada. Uma tensão positiva de entrada move o raio para cima, e uma tensão negativa o move para baixo, de modo que a deflexão vertical do ponto mostra o valor da diferença de potencial da entrada. A resposta deste sistema é muito mais rápida do que a de sistemas de medição mecânicos como os multímetros, onde a inércia do ponteiro atrasa a sua 19

20 resposta para a entrada. Quando todos estes componente trabalham simultaneamente, o resultado é um traço brilhante na tela que representa um gráfico da tensão em função do tempo. A tensão está representada pelo eixo vertical, e o tempo no horizontal. Observar sinais de alta velocidade é difícil utilizando um osciloscópio de raios catódicos convencional, especialmente se os sinais não forem repetitivos, muitas vezes necessitando que o ambiente seja escurecido ou que uma capa especial seja colocada sobre a tela do tubo. Para auxiliar na visualização de tais tipos de sinal, utilizam-se osciloscópios especiais com tecnologia de visão noturna, utilizando uma placa com microcanais na fase do tubo para amplificar sinais de baixa intensidade de luz. A maioria dos osciloscópios multi-canais não possuem múltiplos raios de elétrons. Em contrapartida, eles mostram apenas um ponto por vez, porém alternam este entre os valores de um canal e outro, ou alternam as varreduras (modo ALT) ou várias vezes por varredura (modo CHOP). Muito poucos osciloscópios de raio duplo foram construídos; nestes, o acelerador de elétrons forma dois raios de elétrons e existem dois pares de placas de deflexão vertical e um conjunto comum da placas de deflexão horizontal. A fonte de alimentação é um componente importante do osciloscópio que provê baixas tensões para alimentar o aquecedor do catodo no tubo e os amplificadores vertical e horizontal. São necessárias altas tensões para controlar as placas de deflexão eletrostática. Estas tensões devem ser muito estáveis, já que qualquer variação causaria erros no posicionamento e brilho do traço. Os osciloscópios analógicos mais recentes adicionaram processamento digital ao projeto padrão. A mesma arquitetura básica - tubo de raios catódicos, amplificadores vertical e horizontal - foi mantida, embora o raio de elétrons seja controlado por um circuito digital que permite mostrar gráficos e textos juntos com as formas de onda analógicas. A capacidade extra deste sistema inclui: demonstração na tela das configurações do amplificador e da base de tempo; cursores de tensão - linhas horizontais ajustáveis com demonstração de tensão; cursores de tempo - linhas verticais ajustáveis com demonstração de tempo; menus na tela para configuração do trigger e outra funções. FIGURA 23: OSCILOSCÓPIO DIGITAL PORTÁTIL (fonte: 20

21 EXERCÍCIOS 1) Para os sinais contínuos a seguir, determine o que se pede: 21

22 2) Para os sinais alternados abaixo, determine o que se pede: 22

23 23

24 3) Para as telas a seguir, além de determinar o que se pede, desenhe as formas de onda, sabendo-se que: Nº DE DIVISÕES VERTICAIS = AMPLITUDE ou VALOR DE PICO (Vp) POSIÇÃO DO VOLTS/DIV Nº DE DIVISÕES HORIZONTAIS = PERÍODO (T) POSIÇÃO DO TIME/DIV PERÍODO (T) = 1 FREQUÊNCIA 24

25 Observação: Lembre-se de desenhar os sinais SIMETRICAMENTE. ETEC LAURO GOMES 25

26 SEMICONDUTOR PURO (INTRÍNSECO) TEORIA DOS SEMICONDUTORES ETEC LAURO GOMES O diodo é um dispositivo bastante utilizado na Eletrônica, com diversas aplicações. Ele é constituído de um elemento chamado semicondutor. Um elemento semicondutor puro é aquele que, à temperatura ambiente, possui um comportamento elétrico classificado entre o condutor e o isolante. Dentre os materiais semicondutores, os mais comuns são o Silício e o Germânio, sendo que vamos destacar o primeiro. O Silício é um elemento cujo átomo possui quatro elétrons em sua última órbita, a camada de valência. DEVEMOS NOS LEMBRAR DE QUE NUM ÁTOMO, A QUANTIDADE DE CARGAS POSITIVAS (PRÓTONS) É IGUAL À QUANTIDADE DE CARGAS NEGATIVAS (ELÉTRONS): SENDO ASSIM, TODO ÁTOMO É ELETRICAMENTE NEUTRO! FIGURA 24: ÁTOMO TETRAVALENTE Os átomos de Silício podem se combinar de maneira a formar uma estrutura cristalina. Desta forma, os átomos terão oito elétrons na última camada, graças às ligações covalentes: COMO PODE SE NOTAR, OS ELÉTRONS NA ESTRUTURA CRISTALINA ESTÃO FORTEMENTE COMBINADOS; ENTÃO, TORNA-SE DIFÍCIL A CONDUÇÃO DA ELETRICIDADE. PORÉM, COM UMA ENERGIA ADICIONAL EXTERNA, ALGUNS ELÉTRONS PODEM SE DESPRENDER DAS LIGAÇÕES QUÍMICAS; QUANDO ISTO ACONTECE, TEMOS UM PAR DE PORTADORES DE CARGAS ELÉTRICAS, O PAR ELÉTRON-LACUNA. FIGURA 25: LIGAÇÃO COVALENTE SEM A PRESENÇA DO ELÉTRON, TEMOS UM PRÓTON CUJA CARGA NÃO FICA ANULADA, COMO ACONTECE COM OS OUTROS TRÊS. DEVIDO A ESTE FATO, É PRÁTICA COMUM ASSOCIAR À LACUNA A CARGA POSITIVA DO PRÓTON EXCEDENTE; PORTANTO, VAMOS CONSIDERAR QUE A LACUNA POSSUI CARGA POSITIVA. FIGURA 26: GERAÇÃO DE UMA LACUNA 26

27 Mas, devido a pouca quantidade de portadores de cargas, o material não é um bom elemento condutor de eletricidade: Ocasionalmente, um elétron pode preencher uma lacuna; a isto chamamos de recombinação. Apesar de esta estar constantemente acontecendo, os pares de portadores de carga não deixam de existir, pois a temperatura ambiente é suficiente para produzir novas lacunas. FIGURA 27: CRISTAL PURO Porém, ao se adicionar energia (na forma de calor, por exemplo) as moléculas do cristal irão vibrar. Esta vibração quebra algumas ligações covalentes, formando mais portadores de carga elétrica. A CONDUÇÃO ELÉTRICA DE UM CRISTAL SEMICONDUTOR PURO DEPENDE DA TEMPERATURA! FIGURA 28: CONDUÇÃO ATRAVÉS DA TEMPERATURA DOPAGEM (SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS) Quando se confecciona um diodo, a primeira coisa a ser feita é submeter o cristal de Silício a um aquecimento bem elevado, de forma a obter um cristal completamente puro. Depois, os cristais são cortados em tiras em forma de disco: Na figura ao lado podemos observar, no interior de um tubo de quartzo, discos de Silício completamente puros. Porém,o cristal puro não possui boa condutividade, pois a quantidade de cargas elétricas livres, na temperatura ambiente, é pequena. Para aumentarmos a quantidade de cargas elétricas livres, é necessário adicionar ao cristal puro elementos que causem desequilíbrio entre cargas elétricas (ou o cristal possui um excesso de cargas Positivas ou um excesso de cargas Negativas). FIGURA 29: PROCESSO DE DOPAGEM Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA São Paulo, Abril, V.6 pág Estes elementos são chamados de impurezas, e elas podem ser trivalentes (três elétrons na última camada), como por exemplo o Alumínio, o Boro, o Gálio ou o Índio, ou pentavalentes (cinco elétrons na última camada), como por exemplo, o Antimônio, o Arsênio ou o Fósforo. O processo de adição de impurezas é chamado de dopagem. Dopando-se o cristal semicondutor puro chamado de dopagem. Dopando-se o cristal semicondutor puro com impurezas trivalentes, obtém-se o semicondutor tipo P; com impurezas pentavalentes, teremos o semicondutor tipo N. Num cristal dopado, as cargas elétricas em maior número são chamadas de majoritárias; as que estão em menor número são as minoritárias. 27

28 Semicondutor Tipo P Como exemplo, vamos utilizar o Alumínio: FIGURA 30: ÁTOMO DE ALUMÍNIO Se substituirmos um dos átomos de Silício por um de Alumínio, os seus três elétrons farão parte da ligação covalente. Mas, como se pode notar na figura, estará sobrando uma lacuna. Esta lacuna poderá ser preenchida por um elétron de um átomo vizinho, como mostrado abaixo: DESTA FORMA, O ÁTOMO DE ALUMÍNIO FICARÁ ELETRICAMENTE NEGATIVO, JÁ QUE POSSUIRÁ UM ELÉTRON A MAIS. PORÉM, ESTA CARGA NEGATIVA ESTÁ COMBINADA COM O NÚCLEO, NÃO SENDO ADEQUADA PARA A CONDUÇÃO. POR OUTRO LADO, SEMPRE EXISTIRÁ UMA LACUNA A MAIS, QUE SERÁ A NOSSA CARGA ELÉTRICA LIVRE (ADEQUADA PARA CONDUÇÃO)! FIGURA 31: LIGAÇÃO COVALENTE EM UM ÁTOMO TRIVALENTE Então, teremos o semicondutor tipo P, onde os portadores de carga que determinam a condução elétrica (os majoritários) são as lacunas. PARA DIFERENCIARMOS MELHOR OS TIPOS DE SEMICONDUTORES, O TIPO P SERÁ REPRESENTADO POR UM MATERIAL AZUL (QUE REPRESENTA OS ÁTOMOS DE ALUMÍNIO NEGATIVOS) COM ESFERAS VERMELHAS (LACUNAS, QUE ASSOCIADAS AOS PRÓTONS SÃO POSITIVAS)! FIGURA 32: SEMICONDUTOR TIPO P Apesar de não estar representado na figura acima, no semicondutor tipo P temos também elétrons livres, porém estes estão em menor número (minoritárias). 28

29 Semicondutor Tipo N Como exemplo, vamos utilizar o Antimônio: FIGURA 33: ÁTOMO DE ANTIMÔNIO Se substituirmos um dos átomos de Silício por um de Antimônio, quatro de seus elétrons farão parte da ligação covalente. Mas, como se pode notar na figura, fica sobrando um elétron, que não se combina com nenhum outro. Sendo assim, fica fácil para este escapar de sua órbita, tornando-se um elétron livre. DESTA FORMA, O ÁTOMO DE ANTIMÔNIO FICA ELETRICAMENTE POSITIVO, JÁ QUE POSSUI UM ELÉTRON A MENOS. PORÉM, ESTA CARGA POSITIVA ESTÁ COMBINADA COM O NÚCLEO, NÃO SENDO ADEQUADA PARA A CONDUÇÃO. POR OUTRO LADO, SEMPRE TEREMOS UM ELÉTRON A MAIS, QUE SERÁ A NOSSA CARGA ELÉTRICA LIVRE (ADEQUADA PARA CONDUÇÃO)! FIGURA 34: LIGAÇÃO COVALENTE COM UM ÁTOMO PENTAVALENTE Então, teremos o semicondutor tipo N, onde os portadores de carga que determinam a condução elétrica (os majoritários) são os elétrons. PARA DIFERENCIARMOS MELHOR OS TIPOS DE SEMICONDUTORES, O TIPO N SERÁ REPRESENTADO POR UM MATERIAL CUJA SUPERFÍCIE É VERMELHA (QUE REPRESENTA OS ÁTOMOS DE ANTIMÔNIO POSITIVOS) COM ESFERAS AZUIS (ELÉTRONS LIVRES, QUE SÃO CARGAS NEGATIVAS)! FIGURA 35: SEMICONDUTOR TIPO N Apesar de não estar representado na figura acima, no semicondutor tipo N temos também lacunas, porém estas estão em menor número (minoritárias). 29

30 DIODO RETIFICADOR DE SILÍCIO ETEC LAURO GOMES O diodo retificador de Silício é um dispositivo formado pela união física dos semicondutores tipo P e N. Esta união é mais conhecida como Junção PN. Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA São Paulo, Abril, V.6 pág NA FIGURA AO LADO, TEMOS UMA VISTA EM CORTE DE UMA JUNÇAO PN FORMADA POR UM FIO DE OURO DOPADO COM GÁLIO (ELEMENTO TRIVALENTE) E A SUPERFÍCIE DE UMA PASTILHA SEMICONDUTORA. FIGURA 36 : JUNÇÃO PN REAL Basicamente temos então um disco de Silício puro, onde de um lado ele está dopado com impurezas trivalentes, e do outro, com impurezas pentavalentes : TIPO P TIPO N TEMOS ENTÃO UM CRISTAL DE SILÍCIO PURO (AMARELO) DOPADO COM IMPUREZAS TRIVALENTES (LADO ESQUERDO) E COM IMPUREZAS PENTAVALENTES (LADO DIREITO), FORMANDO O DIODO. FIGURA 37: REPRESENTAÇÃO ILUSTRATIVA DA JUNÇÃO PN As cargas elétricas, tanto no lado P como no N, estão em movimento, fora o fato da repulsão existente entre cargas elétricas de mesmo sinal. Sendo assim, algumas cargas do lado P migram para o meio, acontecendo a mesma coisa para as cargas do lado N. Os elétrons que migraram para o meio deixaram no lado N íons positivos, assim como as lacunas que migraram também para o meio deixaram íons negativos no lado P. Formase então uma região ionizada, que impede outras cargas de migrarem. Esta região ionizada é chamada de barreira de potencial, possuindo um valor que, no Silício, é de aproximadamente 0,7 V. Esta região ionizada também é conhecida como camada de depleção. A FIGURA AO LADO REPRESENTA COMO É INTERNAMENTE UM DIODO DE SILÍCIO. FIGURA 38: DIODO SEMICONDUTOR CAMADA DE DEPLEÇÃO No lado P, coloca-se um terminal denominado ANODO (A) e no lado N, coloca-se um terminal denominado CATODO (K). A seguir, pode-se observar o desenho esquemático de um diodo: 30

31 41 NA FIGURA ACIMA, TEMOS O DESENHO ESQUEMÁTICO DO DIODO. NA FIGURA AO LADO, TEMOS VÁRIOS TIPOS DE DIODOS SEMICONDUTORES. FIGURA 39: DIODO SEMICONDUTOR Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA São Paulo, Abril, V.2 pág. 436 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO DO DIODO Polarização direta: Para que o diodo possa conduzir, é necessário polarizá-lo diretamente, ou seja, conectá-lo a um circuito da seguinte maneira: Ve 0,7 V OBSERVE QUE O POTENCIAL MAIOR DA TENSÃO ELÉTRICA SOBRE O DIODO ESTÁ NO ANODO (A), ENQUANTO QUE O POTENCIAL MENOR DA MESMA ESTÁ DO CATODO (K); NESTAS CONDIÇÕES, O DIODO CONDUZ! FIGURA 40: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DIRETA DE UM DIODO Como o potencial maior (+) estará no lado P, as cargas positivas serão repelidas, tendendo a migrar para o outro lado; da mesma maneira, as cargas negativas do lado N serão repelidas pelo potencial menor (-), também tendendo a migrar para o outro lado. O que acaba acontecendo é que todo o dispositivo ficará com excesso de cargas livres (que é a característica elétrica de um condutor). Então, o diodo torna-se um elemento condutor de eletricidade. Se cessarmos o fornecimento de energia elétrica para o diodo, ele voltará ao seu normal: FIGURA 41: COMPORTAMENTO DO DIODO NA POLARIZAÇÃO DIRETA 31

32 O valor da corrente que atravessa o diodo é calculado da seguinte maneira: ID VRs Rs Ve VD Rs, sendo VD 0, 7V Podemos representar o diodo polarizado de forma direta graficamente: O DIODO NÃO É UM COMPONENETE LINEAR; SUA RESISTÊNCIA POSSUI VALORES DIFERENTES EM CADA PONTO DO GRÁFICO. ISTO ACONTECE DEVIDO À SUA PRÓPRIA CONSTITUIÇÃO. FIGURA 42: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA CONDUÇÃO DE UM DIODO Existe a possibilidade de determinar os valores de VD e ID, em um circuito de polarização direta, através do gráfico. Este método consiste em encontrar o ponto de trabalho do diodo no circuito em questão: (1o) PASSO: Analisar o circuito sem o diodo em dois casos extremos circuito aberto e curto circuito, para obtermos a reta de carga: Primeiro ponto da reta de carga: Tensão máxima = Tensão da fonte Ve FIGURA 43: CIRCUITO ABERTO: 1º PONTO DO GRÁFICO - TENSÃO DA FONTE Segundo ponto da reta de carga: Corrente máxima (corrente de curto circuito) Ve Imáx Rs FIGURA 44: CIRCUITO FECHADO : 2º PONTO DO GRÁFICO - CORRENTE MÁXIMA 32

33 (2o) PASSO: Com os dois pontos principais já encontrados, traça-se a reta de carga no gráfico da curva característica do diodo; onde a reta de carga encontrar a curva característica (ponto de interseção) determinará o ponto de trabalho do diodo no circuito: O PONTO DE TRABALHO TAMBÉM É CONHECIDO POR PONTO QUIESCENTE (PONTO Q). FIGURA 45: PONTO QUIESCENTE (3o) PASSO: Através do ponto Q, traçam-se retas paralelas aos eixos x e y, obtendo-se os valores de tensão (VD) e corrente (ID) do diodo no circuito: Polarização reversa: FIGURA 46: VALORES QUIESCENTES DE TENSÃO E CORRENTE Se ligarmos o diodo a um circuito da maneira mostrada abaixo, o diodo passará a ter um comportamento elétrico semelhante a um isolante: OBSERVE QUE O POTENCIAL MAIOR DA TENSÃO ELÉTRICA SOBRE O DIODO ESTÁ NO CATODO (K), ENQUANTO QUE O POTENCIAL MENOR DA MESMA ESTÁ DO ANODO (A); NESTAS CONDIÇÕES, O DIODO NÃO CONDUZ! FIGURA 47: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO REVERSA DE UM DIODO 33

34 Internamente no diodo, ocorre o seguinte: Como o potencial maior (+) estará no lado N, as cargas negativas serão atraídas, tendendo a migrar para a extremidade; da mesma maneira, as cargas positivas do lado P serão atraídas pelo potencial menor (-), também tendendo a migrar para a outra extremidade. O que acontece é que a barreira de potencial acaba aumentando, dificultando a passagem da corrente elétrica (que é a característica elétrica de um isolante). Então, o diodo torna-se um elemento isolante. FIGURA 48: DIODO POLARIZADO REVERSAMENTE Podemos representar o diodo polarizado de forma reversa graficamente: COMO PODEMOS NOTAR, A CORRENTE NA REGIÃO REVERSA, EMBORA MUITO PEQUENA, NA REALIDADE EXISTE. ESTA CORRENTE É CHAMADA DE CORRENTE REVERSA (IR). FIGURA 49: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA POLARIZAÇÃO REVERSA Uma parcela desta corrente é chamada de corrente de saturação (IS), que existe por causa dos portadores minoritários existentes no dois lados da junção (produzidos continuamente devido à energia térmica aplicada ao diodo). Esta parcela depende única e exclusivamente da temperatura, ou seja, mesmo se aumentarmos a tensão aplicada reversamente ao diodo, não haverá aumento de corrente de fuga. É regra comum adotarmos que a corrente de fuga de um diodo de Silício dobra de valor a cada aumento de temperatura correspondente a 10 o C. Outra parcela da corrente reversa é a corrente de fuga superficial (IFS), uma corrente formada por impurezas da superfície do diodo, que criam caminhos para a corrente percorrer. Esta parcela depende da tensão aplicada ao diodo. FIGURA 50: TENSÃO DE RUPTURA Algo a ser notado no gráfico é um ponto máximo de tensão. Este ponto é chamado de tensão de ruptura (VR), e como o próprio nome diz, se a tensão aplicada ao diodo ultrapassar este valor, ele se danificará. Isto acontece porque se aplicando a polarização reversa ao diodo, elétrons livres são deslocados a ponto de se chocarem com outros elétrons, tornando-os livres também; estes, agora livres, podem se chocar com outros e assim sucessivamente, criando um efeito cascata chamado de efeito avalanche. Por causa da grande quantidade de elétrons livres, o diodo se rompe devido à potência dissipada, muito maior do que ele pode suportar. 34

35 CURVA CARACTERÍSTICA Com os gráficos da polarização direta e da reversa, temos a curva característica do diodo: FIGURA 51: CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO SEMICONDUTOR Como neste caso estamos utilizando diodos retificadores, só nos interessa a parte da região direta. Como se pode notar pela curva característica, os valores de VD e IR são muito pequenos, porém, há casos em que estes valores não podem ser desprezados. Surge então a necessidade de utilizar circuitos equivalentes ao diodo. MODELOS DE TRABALHO: São três os circuitos mais utilizados: 1 o MODELO: O DIODO COMO CHAVE Neste caso, o diodo se comporta como uma chave que abre na polarização reversa e fecha na direta: ESTE MODELO É CONHECIDO COMO DIODO IDEAL. FIGURA 52: 1º MODELO DE TRABALHO DO DIODO 35

36 2 o MODELO: O DIODO COM TENSÃO VD Neste caso, temos o diodo sendo representado com uma chave que liga e desliga, de acordo com a polarização, em série com uma fonte de tensão que representa a barreira de potencial: ESTE É O MODELO MAIS UTILIZADO NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS. FIGURA 53: 2º MODELO DE TRABALHO DO DIODO 3 o MODELO: O DIODO COM TENSÃO VD E RESISTÊNCIA RD Neste caso, o diodo é representado com uma chave liga e desliga em série com a fonte VD e em série com uma resistência RD, que representa sua resistência na polarização direta: ESTE É O MODELO MAIS PRÓXIMO DO DIODO REAL. É CONHECIDO COMO MODELO LINEAR. FIGURA 54: 3º MODELO DE TRABALHO DO DIODO ESPECIFICAÇÕES DO DIODO SEMICONDUTOR: 1. O DIODO SÓ CONDUZ NUMA POLARIZAÇÃO DIRETA SE A TENSÃO APLICADA SOBRE O MESMO NÃO FOR INFERIOR Ã TENSÃO DE BARREIRA; 2. NUMA POLARIZAÇÃO DIRETA, O DIODO SUPORTA UMA CORRENTE MÁXIMA DIRETA (Idmáx); POR CONSEGUINTE, SUPORTA UMA POTÊNCIA MÁXIMA (Pdmáx). Pdmáx = VD x IDmáx 3. NA POLARIZAÇÃO REVERSA, A TENSÃO APLICADA AO DIODO NÃO PODE SER SUPERIOR À TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRmáx OU VBr). 4. NA POLARIZAÇÃO REVERSA, EMBORA MUITO PEQUENA, HÁ A CORRENTE REVERSA (IR). 36

37 1) Um material semicondutor é aquele que: EXERCÍCIOS a) Somente se comporta como condutor; b) Possui oito elétrons na última camada; c) Só se comporta como isolante; d) Possui características elétricas ora condutoras, ora isolantes. 2) O que é a camada de valência? 3) As lacunas: a) São buracos sem carga elétrica; b) Não se movem; c) Elas se movem e possuem carga negativa; d) Elas se movem e possuem carga positiva. 4) Em um cristal de semicondutor puro: a) Não há maneira de haver uma boa condução de eletricidade; b) Sempre se comportará como condutor; c) A condução elétrica depende da temperatura; d) Pode existir boa condutibilidade sem necessariamente aquecê-lo. 5) Explique o que são átomos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes. 6) Por que a adição de impurezas num cristal semicondutor é necessária? 37

38 7) O semicondutor tipo P chama-se assim por que: a) As impurezas adicionadas possuem carga positiva; b) Possui um excesso de lacunas; c) As impurezas adicionadas possuem carga negativa; d) Possui um excesso de elétrons. 8) O semicondutor tipo N chama-se assim por que: a) As impurezas adicionadas possuem carga positiva; b) Possui um excesso de lacunas; c) As impurezas adicionadas possuem carga negativa; d) Possui um excesso de elétrons. 9) O que é um diodo? 10) Ao se unir os cristais P e N, as cargas livres próximas à junção tendem a migrar para o outro lado. Por que o restante das cargas não faz o mesmo? 11) O terminal no lado P é chamado de ANODO, assim como o terminal no lado N é chamado de CATODO. Por que esses terminais possuem esses nomes? 38

39 PARA OS EXERCÍCIOS 12 A 19, CONSIDERE O CIRCUITO AO LADO: 12) Sabendo-se que Ve = 10 V, VD = 0,7 V e RS = 1 k, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR : Ve = 10 V VD = 0,7 V Ve 0,7 V Pdmáx = VD x IDmáx VRs Ve VD ID Rs Rs ID =???? RS = 1 k, RESOLUÇÃO: VD 0, 7V Ve Im áx Rs 13) Sabendo-se que Ve = 8 V, VD = 0,7 V e RS = 15 k, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Ve = 8 V VD = 0,7 V Ve 0,7 V VRs Ve VD ID ID =???? Rs Rs Pdmáx = VD x IDmáx RS = 15 k, RESOLUÇÃO: VD 0, 7V Ve Im áx Rs 39

40 14) Sabendo-se que Ve = 20 V, VD = 0,7 V e RS = 470, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Ve = VD = Ve 0,7 V VRs Ve VD ID ID =???? Rs Rs Pdmáx = VD x IDmáx RS = RESOLUÇÃO: VD 0, 7V Ve Imáx Rs 15) Sabendo-se que Ve = 15 V, VD = 0,7 V e RS = 100, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Ve = ID =???? VD = RS = RESOLUÇÃO: 40

41 16) Sabendo-se que Ve = 5 V, VD = 0,7 V e PD = 7 mw, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RS =???? RESOLUÇÃO: 17) Sabendo-se que Ve = 7 V, VD = 0,7 V e PD = 10 mw, determine o valor do resistor RS. DADOS: FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 41

42 18) Sabendo-se que Ve = 3 V, VD = 0,7 V e PD = 3 mw, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 19) Sabendo-se que Ve = 12 V, VD = 0,7 V e PD = 14 mw, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 42

43 DADO O CIRCUITO E GRÁFICO ABAIXO, RESOLVA OS EXERCÍCIOS 20 E 21: 20) Sabendo-se que Ve = 2 V e RS = 400, os valores de VD e ID, são, respectivamente: a) VD = 0,9 V e ID = 0,75 ma ; b) VD = 1,0 V e ID = 2,50 ma ; c) VD = 0,7 V e ID = 3,25 ma ; d) VD = 1,0 V e ID = 1,50 ma. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 43

44 21) Sabendo-se que Ve = 2 V e RS = 200, os valores de VD e ID, são, respectivamente: a) VD = 0,7 V e ID = 6,50 ma; b) VD = 1,0 V e ID = 2,25 ma; c) VD = 1,2 V e ID = 4,50 ma; d) VD = 1,0 V e ID = 2,50 ma. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 22) O diodo não conduz na polarização reversa por que: e) Os portadores minoritários não permitem; f) A camada de depleção aumenta; g) A barreira de potencial diminui; h) O aumento de energia térmica conseqüente não permite. 23) A corrente de saturação: i) Depende da tensão; j) Depende da temperatura; k) Depende do tipo de impureza; l) Depende da resistência. 24) A corrente de fuga superficial: a) Depende da tensão; b) Depende da temperatura; c) Depende do tipo de impureza; d) Depende da resistência. 44

45 25) Considerando o circuito abaixo: e sabendo-se que RS = 1k5, RD = 15 e Ve = 30 V, determine o valor da corrente ID, utilizando o 3 o modelo de diodo. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 45

46 CAPACITORES O capacitor é um componente capaz de armazenar cargas elétricas. Ele se compõe basicamente de duas placas de material condutor, denominadas de armaduras. Essas placas são isoladas eletricamente entre si por um material isolante chamado dielétrico. armaduras dielétrico Observações: FIGURA 55: PRINCÍPIO DO CAPACITOR I. O material condutor que compõe as armaduras de um capacitor é eletricamente neutro em seu estado natural; II. Em cada uma das armaduras o número total de prótons e elétrons é igual, portanto as placas não têm potencial elétrico. Isso significa que entre elas não há diferença de potencial (tensão elétrica). FIGURA 56: ARMADURA DO CAPACITOR Armazenamento de carga Conectando-se os terminais do capacitor a uma fonte de CC, ele fica sujeito à diferença de potencial dos pólos da fonte. O potencial da bateria aplicado a cada uma das armaduras faz surgir entre elas uma força chamada campo elétrico, que nada mais é do que uma força de atração (cargas de sinal diferente) ou repulsão (cargas de mesmo sinal) entre cargas elétricas. O pólo positivo da fonte absorve elétrons da armadura à qual está conectado enquanto o pólo negativo fornece elétrons à outra armadura. A armadura que fornece elétrons à fonte fica com íons positivos adquirindo um potencial positivo. A armadura que recebe elétrons da fonte fica com íons negativos adquirindo potencial negativo. 46

47 placa positiva placa negativa FIGURA 57a: CARREGANDO UM CAPACITOR Quando o capacitor assume a mesma tensão da fonte de alimentação (Vc = E) diz-se que o capacitor está "carregado". Ao aplicar a um capacitor C estando inicialmente sem carga uma tensão contínua (E) através de um resistor R (os dois componentes estão em série) no instante t = 0 (instante em que o interruptor do circuito da figura 57b é fechado), a corrente nesse instante é máxima (Imáx = E/R). A partir daí, o capacitor inicia um processo de carga com um aumento gradativo da tensão entre seus terminais (V C ) e, consequentemente, teremos uma diminuição da corrente, obedecendo a uma função exponencial, até atingir o valor zero, que é quando o capacitor estará totalmente carregado. FIGURA 57b: CARREGANDO UM CAPACITOR A partir desta característica, podemos equacionar a tensão entre seus terminais (Vc) e a corrente em função do tempo: onde: t - i(t) Imáx e [i(t)] : valor da corrente num determinado instante (A) [Imáx] : valor inicial da corrente no circuito (A) [e] : base do logaritmo neperiano (e = 2,72) [] : constante de tempo do circuito ( = R x C) (s) Aplicando a Lei de Kirchhoff das malhas no circuito da figura 57b, temos: ou t E - i(t) e R Aplicando a 1ª Lei de Ohm em V R, temos: E = V R + V C E = [R x i(i)] + V C 47

48 Então: E = R x i(i) + V C V C = E R x i(t) V C t E - E R e R V C t - E E e V C t - E1 e que é denominada a equação de carga de um capacitor. Com esta equação, podemos calcular a tensão do capacitor durante a sua carga: Se t = 0 V C 0 - E1 e V C = 0 Se t = - E1 e C V V C = 0,632E ou seja V C = 63,2% de E Se t = 5 V C 5 - E1 e V C = 0,993E ou seja V C E Assim, para um capacitor estar totalmente carregado (V C E), ele necessita de um tempo igual a cinco vezes a sua constante de tempo. Se, após ter sido carregado, o capacitor for desconectado da fonte de CC, suas armaduras permanecem com os potenciais adquiridos. Isso significa que, mesmo após ter sido desconectado da fonte de CC, ainda existe tensão presente entre as placas do capacitor. Assim, essa energia armazenada pode ser reaproveitada. Descarga do capacitor Tomando-se um capacitor carregado e conectando seus terminais a uma carga haverá uma circulação de corrente, pois o capacitor atua como fonte de tensão. capacitor carregado capacitor em descarga FIGURA 58a: DESCARREGANDO UM CAPACITOR 48

49 Isso se deve ao fato de que através do circuito fechado inicia-se o estabelecimento do equilíbrio elétrico entre as armaduras. Os elétrons em excesso em uma das armaduras se movimentam para a outra onde há falta de elétrons, até que se restabeleça o equilíbrio de potencial entre elas. Durante o tempo em que o capacitor se descarrega, a tensão entre suas armaduras diminui, porque o número de íons restantes em cada armadura é cada vez menor. Ao fim de algum tempo, a tensão entre as armaduras é tão pequena que pode ser considerada zero. Estando o capacitor totalmente carregado (Vc = Vcmáx), podemos montar um circuito para a sua descarga: FIGURA 58b: DESCARREGANDO UM CAPACITOR No instante t = 0 (fechamento do interruptor do circuito da figura 58b) o capacitor inicia sua descarga através do resistor R. Neste instante, a corrente no circuito é máxima e a partir daí ela diminui, obedecendo uma função exponencial, até atingir o valor zero, quando o capacitor estiver totalmente descarregado. Equacionando a corrente em função do tempo, temos: e V R = R x i(t) Considerando o capacitor em paralelo com o resistor, temos V C = V R ; assim: t - V C = R x i(t) V R Imáx e e devemos considerar que R x Imáx = Vcmáx C que é denominada a equação de descarga de um capacitor. Com esta equação, podemos calcular a tensão do capacitor durante a sua descarga: Se t = t - i(t) Imáx e Se t = 0 - Vcmáx e C 0 - V V C = Vcmáx V Vcmáx e V C C = 0,368Vcmáx ou seja V C = 36,8% de Vcmáx Se t = 5 V C Vcmáx e 5 - V Vcmáx e V C C = 0 Assim, para um capacitor estar totalmente descarregado (V C = 0), ele necessita de um tempo igual a cinco vezes a sua constante de tempo. t - 49

50 Capacitância A capacidade de armazenamento de cargas de um capacitor depende de alguns fatores: Área das armaduras, ou seja, quanto maior a área das armaduras, maior a capacidade de armazenamento de um capacitor; Espessura do dielétrico ou distância entre as placas, pois, quanto mais fino o dielétrico, mais próximas estão as armaduras. O campo elétrico formado entre as armaduras é maior e a capacidade de armazenamento também; Natureza do dielétrico, ou seja, quanto maior a capacidade de isolação do dielétrico, maior a capacidade de armazenamento do capacitor. Para isto, existe uma constante dielétrica do material. onde: Sendo assim, a capacitância pode ser calculada da seguinte maneira: [C] : capacitância (F) farad [A] : Área das placas (armadura) (m²) [k] : constante dielétrica do material isolante A C k (8, ) d [d] : distância entre as placas (espessura do dielétrico) (m) Essa capacidade de um capacitor de armazenar cargas é denominada de capacitância, que é um dos fatores elétricos que identifica um capacitor. A unidade de medida de capacitância [C] é o farad, representado pela letra F. Por ser uma unidade muito "grande", apenas seus submúltiplos são usados. Veja tabela a seguir. Unidade Símbolo Valor com relação ao farad microfarad F 10-6 F ou 0, F nanofarad nf (ou KpF) 10-9 F ou 0, F picofarad pf F ou 0, F onde: A capacitância pode também ser calculada pela seguinte fórmula: [C] : capacitância (F) farad [Q] : carga elétrica no capacitor (C) coulomb [U] : tensão aplicada no capacitor (V) volt Q C U 50

51 Tensão de trabalho Além da capacitância, os capacitores têm ainda outra característica elétrica importante: a tensão de trabalho, ou seja, a tensão máxima que o capacitor pode suportar entre as armaduras. A aplicação no capacitor de uma tensão superior à sua tensão máxima de trabalho provoca o rompimento do dielétrico e faz o capacitor entrar em curto. Na maioria dos capacitores, isso danifica permanentemente o componente. Associação de capacitores Os capacitores, assim como os resistores podem ser conectados entre si formando uma associação série, paralela e mista. A associação paralela e a série são encontradas na prática. As mistas raramente são utilizadas. A associação paralela de capacitores tem por objetivo obter maiores valores de capacitância. C 1 C 1 C 2 C 2 FIGURA 58: CAPACITORES EM PARALELO Essa associação tem características particulares com relação à capacitância total e à tensão de trabalho. A capacitância total (C T ) da associação paralela é a soma das capacitâncias individuais. Isso pode ser representado matematicamente da seguinte maneira: C T = C 1 + C 2 + C C N Para executar a soma, todos os valores devem ser convertidos para a mesma unidade. Exemplo: Qual a capacitância total da associação paralela de capacitores mostrada a seguir: C T = C 1 + C 2 + C 3 = 1 + 0, ,68 = 1,727 C T = 1,727 F FIGURA 59: RESOLUÇÃO DE CAPACITORES EM PARALELO 51

52 A tensão de trabalho de todos os capacitores associados em paralelo corresponde à mesma tensão aplicada ao conjunto. FIGURA 59: TENSÃO EM CAPACITORES EM PARALELO Assim, a máxima tensão que pode ser aplicada a uma associação paralela é a do capacitor que tem menor tensão de trabalho. Exemplo: seguir é 63 V: A máxima tensão que pode ser aplicada nas associações apresentadas nas figuras a tensão máxima 63 V FIGURA 60: TENSÃO DE CAPACITORES EM PARALELO É importante ainda lembrar dois aspectos: Deve-se evitar aplicar sobre um capacitor a tensão máxima que ele suporta; Em CA, a tensão máxima é a tensão de pico. Um capacitor com tensão de trabalho de 100 V pode ser aplicado a uma tensão eficaz máxima de 70 V, pois 70 V eficazes correspondem a uma tensão CA com pico de 100 V. Associação paralela de capacitores polarizados Ao associar capacitores polarizados em paralelo, tanto os terminais positivos dos capacitores quanto os negativos devem ser ligados em conjunto entre si. C C 2 FIGURA 61: CAPACITORES POLARIZADOS EM PARALELO 52

53 Observação: DEVEMOS NOS LEMBRAR QUE CAPACITORES POLARIZADOS SÓ PODEM SER USADOS EM CC PORQUE NÃO HÁ TROCA DE POLARIDADE DA TENSÃO. Associação série de capacitores A associação série de capacitores tem por objetivo obter capacitâncias menores ou tensões de trabalho maiores. C 1 C 2 C 1 C 2 FIGURA 62: CAPACITORES EM SÉRIE Quando se associam capacitores em série, a capacitância total é menor que o valor do menor capacitor associado. Isso pode ser representado matematicamente da seguinte maneira: Essa expressão pode ser desenvolvida (como a expressão para RT de resistores em paralelo) para duas situações particulares: a) Associação série de dois capacitores: C T C 1 C 2 1 C C C N C T C C 1 1 x C C 2 2 b) Associação série de N capacitores IGUAIS Para a utilização das equações, todos os valores de capacitância devem ser convertidos para a mesma unidade. Exemplos de cálculos: C C T n 1) C T , 0, 2 0, , 059 C T = 0,059 F 53

54 2) 1 F C T C C C 1 2 C , 5 1 0, 5 0, 5 15, 0, 33 C T = 0,33 F Tensão de trabalho da associação série Quando se aplica tensão a uma associação série de capacitores, a tensão aplicada se divide entre os dois capacitores. V V V V FIGURA 63: TENSÃO DE CAPACITORES EM SÉRIE A distribuição da tensão nos capacitores ocorre de forma inversamente proporcional à capacitância, ou seja, quanto maior a capacitância, menor a tensão; quanto menor a capacitância, maior a tensão. Como forma de simplificação pode-se adotar um procedimento simples e que evita a aplicação de tensões excessivas a uma associação série de capacitores. Para isso, associa-se em série capacitores de mesma capacitância e mesma tensão de trabalho. Desta forma, a tensão aplicada se distribui igualmente sobre todos os capacitores. V V V Associação série de capacitores polarizados FIGURA 64: CAPACITORES IGUAIS EM SÉRIE Ao associar capacitores polarizados em série, o terminal positivo de um capacitor é conectado ao terminal negativo do outro. 54

55 FIGURA 65: CAPACITORES POLARIZADOS EM SÉRIE É importante lembrar que capacitores polarizados só devem ser ligados em CC. Tipos de capacitores No mercado, encontram-se vários tipos de capacitores empregando os mais diversos materiais e que podem ser resumidos em quatro tipos básicos: capacitores fixos despolarizados; capacitores ajustáveis; capacitores variáveis; capacitores eletrolíticos. Capacitores fixos despolarizados FIGURA 66: TIPOS DE CAPACITORES Os capacitores fixos despolarizados apresentam um valor de capacitância específico, que não pode ser alterado. A figura a seguir mostra o símbolo usado para representar os capacitores fixos despolarizados, de acordo com NBR 12521/91. Os capacitores fixos são: FIGURA 67: SÍMBOLO DE UM CAPACITOR capacitor de stiroflex; capacitor de cerâmica; capacitor de poliéster. 55

56 FIGURA 68: CAPACITOR DE STIROFLEX, CERÂMICA E POLIÉSTER Estes capacitores caracterizam-se por serem despolarizados, ou seja, qualquer uma das suas placas pode ser ligada a potenciais positivos ou negativos. Os capacitores despolarizados não têm polaridade especificada para ligação. Alguns capacitores fixos podem apresentar-se com os dois terminais nas extremidades (axial) ou com os dois terminais no mesmo lado do corpo (radial). Capacitores ajustáveis FIGURA 69: CAPACITOR AXIAL E CAPACITOR RADIAL Os capacitores ajustáveis são utilizados nos pontos de calibração dos circuitos. Apresentam valor de capacitância ajustável dentro de certos limites, por exemplo,10 pf e 30 pf. Capacitores variáveis Os capacitores ajustáveis são utilizados em locais onde a capacitância é constantemente modificada. As figuras a seguir mostram um capacitor variável e o seu símbolo gráfico de acordo com NBR 12521/91. FIGURA 70: CAPACITOR VARIÁVEL 56

57 Há ainda os capacitores variáveis múltiplos. Esses se constituem de dois ou mais capacitores variáveis acionados pelo mesmo eixo. As figuras a seguir mostram um capacitor duplo e seu respectivo símbolo. FIGURA 71: CAPACITOR VARIÁVEL MÚLTIPLO Observação: A LINHA PONTILHADA INDICA QUE OS DOIS CAPACITORES TÊM SEU MOVIMENTO CONTROLADOS PELO MESMO EIXO (ACOPLAMENTO MECÂNICO). Capacitores eletrolíticos Capacitores eletrolíticos são capacitores fixos cujo processo de fabricação permite a obtenção de altos valores de capacitância em pequeno volume A figura abaixo permite uma comparação entre as dimensões de um capacitor eletrolítico e um não-eletrolítico de mesmo valor. FIGURA 72: CAPACITOR ELETROLÍTICO O fator que diferencia os capacitores eletrolíticos dos demais capacitores fixos é o dielétrico. Nos capacitores fixos comuns, o dielétrico é de papel, mica ou cerâmica. O dielétrico dos capacitores eletrolíticos é um preparado químico chamado de eletrolítico que oxida pela aplicação de tensão elétrica, isolando uma placa da outra. O eletrólito permite a redução da distância entre as placas a valores mínimos, o que possibilita a obtenção de maiores valores de capacitância, desde 1 F até os valores maiores que F. 57

58 Este capacitor é selado em um invólucro de alumínio que isola as placas e o eletrólito da ação da umidade. Em decorrência do processo de fabricação, ele apresenta algumas desvantagens no que diz respeito à polaridade, alteração de capacitância e tolerância. Caso a ligação de polaridade nas placas do capacitor não seja feita corretamente, o dielétrico químico (eletrólito) nos capacitores eletrolíticos provoca a formação de uma camada de óxido entre as placas. Essa camada pode provocar a destruição do eletrólito, pois permite a circulação de corrente entre as placas. Isso faz com que o capacitor sofra um processo de aquecimento, que faz o eletrólito ferver. A formação de gases no seu interior provoca a explosão do componente. Empregam-se os capacitores eletrolíticos polarizados apenas em circuitos alimentados por corrente contínua. Nos circuitos de corrente alternada, a troca de polaridade da tensão danifica o componente. O símbolo do capacitor eletrolítico expressa a polaridade das placas. FIGURA 73: SÍMBOLOS DO CAPACITOR ELETROLÍTICO No componente, a polaridade é expressa de duas formas: Por um chanfro na carcaça, que indica o terminal positivo; FIGURA 74: IDENTIFICAÇÃO DA POLARIDADE DO CAPACITOR ELETROLÍTICO POR CHANFRO Por sinais de + impressos no corpo. FIGURA 75: IDENTIFICAÇÃO DA POLARIDADE DO CAPACITOR ELETROLÍTICO POR SINAL 58

59 O capacitor eletrolítico sofre alteração de capacitância quando não está sendo utilizado. Esta alteração se deve ao fato de que a formação da camada de óxido entre as placas depende da aplicação de tensão no capacitor. Quando o capacitor eletrolítico permanece durante um período sem utilização, o dielétrico sofre um processo de degeneração que afeta sensivelmente a sua capacitância. É por esta razão que esses capacitores apresentam mês e ano de fabricação impressos em seus corpos. Assim, sempre que for necessário utilizar um capacitor que esteve estocado durante algum tempo, deve-se conectá-lo a uma fonte de tensão contínua durante alguns minutos para permitir a reconstituição do dielétrico antes de aplicá-lo no circuito. Quanto à tolerância, os capacitores eletrolíticos estão sujeitos a uma tolerância elevada no valor real, com relação ao valor nominal. Esta tolerância pode atingir valores que variam de 20 a 30% e até mesmo 50% em casos extremos. Tipos de capacitores eletrolíticos Existem dois tipos de capacitores eletrolíticos, que se relacionam com o dielétrico empregado: capacitor eletrolítico de óxido de alumínio; capacitor eletrolítico de óxido de tântalo. Observe nas figuras um capacitor eletrolítico de óxido de alumínio e outro de tântalo. FIGURA 76: CAPACITOR DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO E CAPACITOR DE TÂNTALO Os capacitores eletrolíticos de óxido de tântalo sofrem menor variação com o tempo do que os de óxido de alumínio. Há também os capacitores eletrolíticos múltiplos que consistem em dois, três ou mais capacitores no mesmo invólucro. FIGURA 77: CAPACITOR ELETROLÍTICO MÚLTIPLO 59

60 Em geral, nestes capacitores o invólucro externo ou carcaça é comum a todos os capacitores. De acordo com a NBR 12521/91, os capacitores eletrolíticos múltiplos são representados pelo símbolo mostrado na figura a seguir,. FIGURA 77: SÍMBOLO DO CAPACITOR ELETROLÍTICO MÚLTIPLO Especificação técnica dos capacitores Os capacitores são especificados tecnicamente por: Tipo; Capacitância; Tensão de trabalho. Exemplos: capacitor de poliéster, 0,47 F 600V; capacitor eletrolítico 2200 F 63V. A capacitância e a tensão de trabalho dos capacitores são expressas no corpo do componente de duas formas: Diretamente em algarismos; Através de um código de cores. Capacitância em algarismos Observe nas figuras a seguir alguns capacitores com os respectivos valores de capacitância e a tensão de trabalho, expressos diretamente em algarismos. Os valores são apresentados normalmente em microfarads (F) ou picofarads (pf). FIGURA 78: IDENTIFICAÇÃO DA CAPACITÂNCIA E DA TENSÃO DE UM CAPACITOR 60

61 Observação: QUANDO SE TRATA DE CAPACITORES MENORES QUE 1 F (POR EXEMPLO, 0,1 F; 0,0047 F; 0,012 F), O ZERO QUE PRECEDE A VÍRGULA NÃO É IMPRESSO NO CORPO DO COMPONENTE. APARECE UM PONTO REPRESENTANDO A VÍRGULA, COMO, POR EXEMPLO:.1F;.047F;.012F. Capacitância em código de cores A figura que segue mostra o código de cores para capacitores e a ordem de interpretação dos algarismos. FIGURA 79: IDENTIFICAÇÃO DA CAPACITÂNCIA E DA TENSÃO DE UM CAPACITOR POR CÓDIGO DE CORES Exemplos: Amarelo - Violeta - Laranja - Branco - Azul pf + 10% 630V 47 nf Laranja - Amarelo - Branco - Vermelho - Vermelho pf + 10% 250V 0,39 F Observação: O VALOR DE CAPACITÂNCIA EXPRESSO PELO CÓDIGO DE CORES É DADO EM PICOFARADS (pf). 61

62 Teste de isolação do capacitor Um capacitor em condições normais apresenta resistência infinita entre suas placas (isolação), não permitindo assim circulação de corrente. Mas quando o dielétrico sofre degeneração, a resistência entre as placas diminui permitindo a circulação de uma pequena corrente denominada corrente de fuga. Para verificar as condições do capacitor quanto à resistência de isolação entre as placas, utiliza-se normalmente o ohmímetro. A escolha da escala do ohmímetro depende do valor de capacitância do capacitor a ser testado. Capacitância Para valores de capacitância até 1 F, a escala recomendada é x Para valores superiores recomenda-se a escala x100 ou x10. Após selecionada a escala, é preciso conectar as pontas de prova do ohmímetro aos terminais do capacitor. Neste momento, o ponteiro deflexiona rapidamente em direção ao zero e em seguida retorna mais lentamente em direção ao infinito da escala. Quando o capacitor está com a isolação em boas condições, o ponteiro deve retornar até o infinito da escala. É necessário então inverter as pontas de prova e repetir o teste. Defeitos em capacitores Escala até 1F x de 1 F a 100 F x acima de 100 F x 10 ou x 1 Para detectar os principais defeitos apresentados pelos capacitores, procede-se da seguinte forma: capacitor em fuga - o capacitor se comporta como resistor; capacitor em curto - o capacitor se comporta como indutor; capacitor interrompido ou aberto - o capacitor se comporta como um interruptor aberto. 62

63 1. Responda às seguintes perguntas: a) Qual é a função básica de um capacitor? EXERCÍCIOS b) Qual é a carga elétrica de um capacitor em seu estado natural? c) Quando se diz que um capacitor está carregado? d) O que ocorre quando uma carga é conectada aos terminais de um capacitor? e) O que ocorre com o valor da tensão do capacitor quando está se descarregando? f) Defina capacitância. 63

64 g) Quais fatores influenciam no valor da capacitância de um capacitor? h) Qual é a unidade de medida da capacitância, e por qual letra é representada? i) Um capacitor não polarizado, construído para uma tensão de trabalho de 220 V pode ser ligado a uma rede de tensão alternada de 220 VEF? Justifique. j) Cite os quatro tipos básicos de capacitores que podem ser encontrados no mercado. 2. Determine o valor da capacitância de um capacitor que armazena 4 C de carga com 2 V nos seus terminais. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Q = 4C C =? Q U = 2V C U RESOLUÇÃO: 64

65 3. Determine o valor da capacitância de um capacitor que armazena 10,35 C de carga com 3 V nos seus terminais. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Q = 10,35 C C =? U = 3V Q C U RESOLUÇÃO: 3. Qual o valor da carga armazenada por um capacitor de 10 F com 3 V aplicados aos seus terminais? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C = 10F Q =? Q U = 3V C U RESOLUÇÃO: 4. Qual o valor da carga acumulada por um capacitor de 0,5 F com 50 V aplicados aos seus terminais? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C = 0,5 F Q =? Q U = 50 V C U RESOLUÇÃO: 65

66 5. Qual a tensão aplicada aos terminais de um capacitor de 0,001 F que armazena 2 C? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C = 0,001F Q =? Q = 2C RESOLUÇÃO: Q C U 6. Qual a tensão aplicada aos terminais de um capacitor de 5 mf que armazena 10 C? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C = 0,005 F Q =? Q = 10C RESOLUÇÃO: Q C U 7. A área de uma placa de um capacitor de duas placas com mica é de 0,0025 m² e a distância entre as placas é de 20 cm (0,02m). Se a constante dielétrica da mica é 7, qual o valor da capacitância? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : A = 0,0025m² C =? d = 0,02m k = 7 RESOLUÇÃO: A C k (8, ) d 66

67 8. A área de uma placa de um capacitor de duas placas com mica é de 0,5 m² e a distância entre as placas é de 1 cm (0,01m). Se a constante dielétrica de papel é 3,5, qual o valor da capacitância? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : A = 0,5m² C =? d = 0,01m k = 3,5 RESOLUÇÃO: A C k (8, ) d 9. Resolva os problemas que seguem. Monte os respectivos diagramas. a) Qual é a capacitância total em uma associação de capacitores em série com os seguintes valores. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C1 = 1200 F C T =? C2 = 60 F C3 = 560 F RESOLUÇÃO: C T C 1 1 C C

68 b) Determine a capacitância total de uma associação de capacitores em paralelo, cujos valores são: DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C1 = 2200 F C T =? C2 = 2200 F C3 = 2200 F RESOLUÇÃO: CT = C1 + C2 + C3 c) Uma associação de capacitores em paralelo é formada por dois capacitores, com valores de 0,01 F e 0,005 F. Qual é o valor de capacitância equivalente desta associação em KpF? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C1 = 0,01 µf C T =? C2 = 0,005 µf RESOLUÇÃO: 68

69 d) Qual o valor da capacitância equivalente de três capacitores ligados em paralelo, se seus valores são 0,15 µf / 50 V; 0,015 µf / 100 V e 0,003 µf / 150 V? Qual a tensão de trabalho dessa associação? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C1 = 0,15 µf / 50 V C T =? C2 = 0,015 µf / 100 V C3 = 0,003 µf / 150 V RESOLUÇÃO: e) Qual o valor da capacitância equivalente de três capacitores ligados em série, se seus valores são 300 pf, 150 pf e 100 pf? DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : C1 = 300 pf C T =? C2 = 150 pf C3 = 100 pf RESOLUÇÃO: 69

70 10. Calcule o intervalo de tempo necessário para que o capacitor do circuito abaixo se carregue, com uma tensão igual a 8 V, após a chave ter sido acionada: DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : R = 10 kω = R x C t =? C = 470 µf VC = 8 V E = 10V RESOLUÇÃO: V C t - E1 e 70

71 11. Calcule a tensão no capacitor abaixo na situação de carga quando decorridos 10s: DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : R = 22 kω = RC E = 12 V VC =? C = 1000 µf RESOLUÇÃO: V C t - E1 e 12. Calcule a tensão no capacitor abaixo na situação de descarga quando decorridos 15s: DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : R = 22 kω Vcmáx = 12V VC =? V Vcmáx e C - t C = 1000 µf RESOLUÇÃO: = RC 71

72 CIRCUITOS CEIFADORES CIRCUITOS COM DIODOS Observe o circuito abaixo: NOTE QUE A TENSÃO APLICADA AO CIRCUITO CEIFADOR É V 2, UMA TENSÃO MENOR DO QUE A TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO V 1. ISTO FOI CONSEGUIDO GRAÇAS AO TRANSFORMADOR (TR) FIGURA 80: CEIFADOR SÉRIE NEGATIVO Como V 2 é uma tensão alternada, ora o diodo vai conduzir (quando polarizado diretamente, no semiciclo positivo da tensão), e ora o diodo não vai conduzir (quando polarizado reversamente, no semiciclo negativo da tensão).isto fará com que, quando o diodo conduzir, haverá tensão na saída; quando ele não conduzir, não haverá tensão na saída.: FIGURA 81: SEMICICLO POSITIVO DA TENSÃO ALTERNADA V 2 FIGURA 82: SEMICICLO NEGATIVO DA TENSÃO ALTERNADA V 2 72

73 Vale lembrar que quando o diodo está conduzido, há uma tensão em seus terminais de 0,7 V; portanto, a tensão de pico da saída V s vale: U S p U 2 p 0,7 Porém utilizaremos o 1º modelo de trabalho do diodo (diodo ideal) para analisar o funcionamento desses circuitos. Sendo assim, a tensão de saída V S acaba possuindo o mesmo valor de V 2. Voltando ao gráfico, podemos notar que uma parte da tensão não chegou à saída do circuito; diz-se então que esta parte foi retirada, ceifada. Daí o nome de circuito ceifador. Como a parte negativa da tensão de entrada (V 2 ) foi tirada da saída, dizemos que este circuito é um ceifador negativo. Para obtermos um ceifador positivo, basta inverter o diodo: CIRCUITOS RETIFICADORES Circuito retificador de meia onda: FIGURA 83: CEIFADOR SÉRIE POSITIVO A configuração mais simples de um retificador permite a passagem de apenas um dos semiciclos da tensão de entrada para a saída. É semelhante ao ceifador série. Na figura 84, temos um exemplo de circuito retificador meia onda: FIGURA 84: RETIFICADOR DE MEIA ONDA CEIFADOR SÉRIE NEGATIVO 73

74 Pode-se observar que, na saída V S, temos apenas a parte positiva da tensão. Apesar de esta ir de zero a um valor máximo e novamente a zero (sinal pulsante), ela é contínua, pois não inverte de sentido. Para o sinal de tensão de saída V S, os valores característicos são: FIGURA 85: VALORES CARACTERÍSTICOS DE MEIA ONDA Valor eficaz: Valor médio: U s p U S efic 2 U S U S p m As especificações dos diodos devem obedecer aos limites impostos pelo circuito: Corrente direta máxima: Potência direta máxima: U S p IDmáx RL PDmáx VD IDmáx Tensão reversa máxima: VRmáx U 2 p Como se pode notar, a saída é um sinal pulsante. As aplicações para este tipo de sinal não são muito abrangentes e para o tipo de circuito abordado aqui, este tipo de sinal pode danificar componentes eletrônicos. Sendo assim, é necessário tentar tornar o sinal o mais constante possível. Isto pode ser conseguido com a utilização de um filtro capacitivo: 74

75 FIGURA 86: FILTRAGEM DE MEIA ONDA Como no semiciclo positivo o diodo está conduzindo, o capacitor irá se carregar, até atingir o valor máximo. Para ficar mais fácil o entendimento, vamos considerar o circuito ideal, onde o capacitor ficará carregado com U 2 p. Então, no pico positivo, a tensão em C é U 2 p. Logo após o pico positivo, a tensão em V 2 é ligeiramente menor que a tensão em C. Sendo assim, a tensão no capacitor polarizará reversamente o diodo, abrindo-o. O capacitor se descarrega através da resistência RL. A tendência é o capacitor perder toda a sua carga, o que não acontece porque a constante de tempo ζ de descarga é tal que a sua duração é bem maior do que o período T do sinal alternado. Sendo assim, ele perde uma pequena parte de sua carga, até o ponto onde a tensão em V 2 seja maior do que a tensão em C, repetindo o processo acima descrito. A tensão U S é quase uma tensão constante. Só não o é por causa das constantes cargas e descargas do capacitor, chamadas de ondulação. Esta tensão ONDULAÇÃO OU RIPPLE vale: Usp VOND RL f C onde f é a freqüência de entrada (da rede; 60 Hz). A ondulação não deve ultrapassar 10% de U s p. Circuito retificador onda completa com transformador de derivação central (center-tap): Neste tipo de circuito, onde o transformador possui uma derivação no meio do secundário, dois diodos são colocados de maneira que, tanto no semiciclo positivo como no negativo, a tensão na saída sempre estará no mesmo sentido: FIGURA 87: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM CENTER TAP 75

76 V ETEC LAURO GOMES No semiciclo positivo, o diodo D1 conduz, enquanto que D2 não. Assim, temos na saída. No semiciclo negativo, é a vez de D2 conduzir e D1 não; temos V na saída, porém, graças à forma de como estão dispostos os diodos em relação ao transformador, a tensão na saída possui o mesmo sentido que antes, como podemos observar nas figuras 43 e 44: FIGURA 88: SEMICICLO POSITIVO NO CIRCUITO DE ONDA COMPLETA FIGURA 89: SEMICICLO NEGATIVO NO CIRCUITO DE ONDA COMPLETA Deve-se notar que nunca os diodos funcionam ao mesmo tempo. Se isto ocorrer, o transformador estará em curto-circuito. Para o sinal de tensão de saída V S, os valores característicos são: 76

77 FIGURA 90: VALORES CARACTERÍSTICOS DA RETIFICAÇÃO ONDA COMPLETA Valor eficaz: Valor médio: U S p U Sefic 2 U As especificações dos diodos são: Corrente direta máxima: Potência direta máxima: Tensão reversa máxima: S 2U S p máx U S p IDmáx RL PDmáx VD IDmáx VRmáx 2U 2 p Para que a tensão de saída seja apenas negativa, é necessário inverter os dois diodos. Na filtragem, a tensão na saída tem o seguinte aspecto: FIGURA 91: FILTRAGEM NA RETIFICAÇÃO ONDA COMPLETA COM CENTER TAP 77

78 Circuito retificador onda completa tipo ponte: ETEC LAURO GOMES Este tipo de circuito utiliza quatro diodos montados numa configuração chamado ponte: FIGURA 92: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PONTE No semiciclo positivo, os diodos D4 e D2 estarão polarizados diretamente, enquanto que os diodos D1 e D3 estarão polarizados reversamente. No semiciclo negativo acontece o contrário. FIGURA 93: SEMICICLO POSITIVO NO RETIFICADOR TIPO PONTE FIGURA 94: SEMICICLO NEGATIVO NO RETIFICADOR TIPO PONTE 78

79 Para o sinal de tensão de saída V S, os valores característicos são: ETEC LAURO GOMES FIGURA 95: VALORES CARACTERÍSTICOS NA RETIFICAÇÃO TIPO PONTE Valor eficaz: Valor médio: Corrente direta máxima: Potência direta máxima: Tensão reversa máxima: U S p U Sefic 2 U S 2U S p máx U S p IDmáx RL PDmáx VD IDmáx VRmáx U 2 p O aspecto da tensão de saída com o filtro fica: FIGURA 96: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PONTE COM FILTRO 10 % de U s p. A ondulação vale (f = 120 Hz, se a freqüência da rede for 60 Hz), não devendo ser acima de Usp VOND RL f C 79

80 EXERCÍCIOS 26) Desenhe a forma de onda de tensão de saída de um ceifador positivo: 27) Desenhe a forma de onda de tensão de saída do circuito abaixo: 80

81 28) Para um retificador de meia onda, considere a tensão U2 efic 8,485 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Calcule os valores médio e eficaz da tensão de saída US DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: Retificador meia onda U 2EFIC 8,485V RESOLUÇÃO: U s p U Sefic 2 U S U S p m U 2 p U 2efic 2 Usefic =????? Usm =????? 81

82 29) Quais são as especificações do diodo do exercício 28? ETEC LAURO GOMES DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: Retificador meia onda U 2EFIC 8,485 V f = 60 Hz RL = 150 U S p IDmáx RL PDmáx VD IDmáx VRmáx U 2 p IDmáx=??? PDmáx=??? VRmáx=??? RESOLUÇÃO: 30) Para um retificador de meia onda, considere a tensão U2 efic 10,6066 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Calcule os valores médio e eficaz da tensão de saída US. DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 82

83 31) Para o circuito do exercício 30, se considerarmos RL = 330, qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 32) Quais as especificações para o diodo do exercício 30? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 83

84 33) Para um retificador de onda completa com center tap, considere a tensão U2 efic 14,1421 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Determine os valores médio e eficaz da tensão de saída US. DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: Onda completa center tap U S U s p efic 2 U M =????? U 2EFIC 14,1421 V U EFIC =????? f = 60 Hz RESOLUÇÃO: 2U S p U S m U 2 p U 2efic 2 34) Para o circuito do exercício 33, se considerarmos RL = 220, qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 84

85 35) Quais as especificações para o diodo do exercício 33? ETEC LAURO GOMES DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 36) Para um retificador de onda completa com center tap, considere a tensão U2 efic 21,2132 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Quais os valores médio e eficaz da tensão de saída US? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 85

86 37) Para o circuito do exercício 36, se considerarmos RL = 150, qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 38) Quais as especificações para o diodo do exercício 36? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 86

87 39) Para um retificador tipo ponte, considere a tensão U2 efic 21,2132 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Quais são os valores médio e eficaz da tensão de saída US? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 40) Para o circuito do exercício 39, se considerarmos RL = 150, qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 87

88 41) Quais as especificações para o diodo do exercício 39? ETEC LAURO GOMES DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 42) Para um retificador do tipo ponte, considere a tensão U2 efic 14,1421 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Os valores médio e eficaz da tensão de saída US são : DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 88

89 43) Para o circuito do exercício 42, se considerarmos RL = 470, qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 44) As especificações para o diodo do exercício 42 são: DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 89

90 LED (Light Emitting Diode) DIODO EMISSOR DE LUZ Geralmente, devido à baixa potência dissipada, esquece-se que um diodo de silício libera calor ao conduzir. Os LED s são diodos compostos de arseneto de gálio, fazendo que a energia descrita no parágrafo anterior seja liberada na forma de luz, visível ou não. FIGURA 97: DIODO EMISSOR DE LUZ LED Na figura 97, pode-se observar como o LED é fisicamente; percebe-se que internamente (1) o catodo K, é maior que o anodo A, e que o lado do catodo é reto (2), além de como o diodo é representado simbolicamente (3). Sendo utilizados como sinalizadores em aparelhos e instrumentos eletrônicos, o LED funciona como se fosse um diodo comum: só funcionam se polarizados diretamente. A diferença é que eles conduzem com uma tensão maior, geralmente entre 1,5 e 2,5 V, além da corrente elétrica ser de intensidade menor (geralmente até 50 ma). Por causa disso, ao se utilizar um LED, é necessário associar um resistor em série na polarização direta: FIGURA 98: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DIRETA DE UM LED Geralmente neste tipo de circuito, deseja-se calcular o valor do resistor Rs; para que isto seja possível, é necessário : CONHECER O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA Ue; CONHECER OS DADOS QUIESCENTES DO LED (VD E ID). 90

91 Na figura 98, se aplicarmos a lei de Kirchhoff das malhas (tensões), teremos: Ue = VRs + VD VRs = Ue VD A tensão no resistor Rs, pela 1ª Lei de Ohm, vale VRs = Rs x ID Sendo assim, a corrente no LED vale : VRs ID Rs Portanto, o resistor Rs vale : UeVD ID Rs Ue VD Rs ID DISPLAY: Os LED s também podem ser utilizados na confecção de um indicador chamado FIGURA 99: DISPLAY DE 7 SEGMENTOS 91

92 No caso, o LED corresponde ao que se chama de segmento: ETEC LAURO GOMES FIGURA 100: SEGMENTOS DE UM DISPLAY Existem dois tipos de display de sete segmentos: FIGURA 101: PRINCÍPIO DO DISPLAY TIPO CATODO COMUM Na figura 101, todos os CATODOS dos segmentos estão interligados no terra (GND) ; por isso ele é denominado catodo comum. Sendo assim, para ligá-los, é necessário enviar um nível de tensão elétrica nas entradas dos segmentos (a, b, c, d, e, f, g), para que os mesmos fiquem polarizados diretamente e acendam. FIGURA 102: PRINCÍPIO DO DISPLAY TIPO ANODO COMUM Na figura 102, todos os ANODOS dos segmentos estão interligados em uma tensão elétrica (+ Vcc) ; por isso ele é denominado anodo comum. Sendo assim, para ligá-los, é necessário enviar o terra (GND) nas entradas dos segmentos (a, b, c, d, e, f, g), para que os mesmos fiquem polarizados diretamente e acendam. 92

93 REGULADOR DE TENSÃO 7805 ETEC LAURO GOMES Atualmente, ao invés de utilizarmos um diodo zener como regulador de tensão e um transistor como fonte de tensão, podemos utilizar um circuito integrado que efetua a operação de regular e estabilizar a tensão de saída. Os reguladores de tensão na forma de circuitos integrados de três terminais são quase que obrigatórios em projetos de fontes de alimentação para circuitos de pequena e média potência. Os tipos da série 7800 podem fornecer tensões de 5 a 24 volts tipicamente com corrente de 1 A. A série de circuitos integrados 78XX onde o XX é substituído por um número que indica a tensão de saída, consiste em reguladores de tensão positiva com corrente de até 1 A de saída. Abaixo temos uma tabela com os vários tipos de LM78XX, qual a sua tensão de saída e faixa de entrada: Componente Saída (V) Faixa Entrada (V) LM LM LM LM LM LM LM LM LM A tensão máxima de entrada para os tipos de 5 a 18 V é de 35 V. Para o tipo de 24 V a tensão de entrada máxima é de 40 V. Ou seja, para um bom funcionamento, a tensão de entrada deve ser no mínimo 2 V mais alta que a tensão que se deseja na saída. Os circuitos integrados da série 78XX possuem proteção interna contra curtocircuito na saída e não necessitam de qualquer componente externo. O LM7805 é um regulador de tensão linear fornecido por vários fabricantes como a Fairchild ou ST Microelectronics. Ele pode vir em vários encapsulamentos. Para corrente de saída até 1ª existem dois encapsulamentos: TO-220 (vertical) e D-PAK (horizontal): FIGURA 103: CIRCUITO INTEGRADO LM78XX 93

94 A tabela abaixo mostra as principais características do LM7805: Mínimo Típico (padrão) Máximo Tensão de saída (V) 4,8 5,0 5,2 Regulagem de linha (V) Regulagem de carga (V) Corrente de trabalho (ma) ,2 6,0 Rejeição de ondulação (db) Impedância de saída (MΩ) Na figura 104 temos a aplicação imediata num regulador positivo de 1 A para tensões de 5 a 24 volts com corrente de saída de até 1 A: FIGURA 104: ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UM LM7805 COM CORRENTE DE SAÍDA DE 1A Capacitores de desacoplamento (entre 10µF e 47µF) são necessários na entrada e saída, conectados ao terra. O capacitor C2 desacopla a entrada do estabilizador enquanto que o C1, que deve ser cerâmico de boa qualidade, tem por finalidade evitar oscilações em altas frequências e também desacopla a saída. Um exemplo de uma fonte de tensão estabilizada com LM7805 está demonstrado abaixo: FIGURA 105: FONTE DE TENSÃO ESTABILIZADA COM LM

95 RELATÓRIOS PARA AS EXPERIÊNCIAS REAIS 95

96 EXPERIÊNCIA Nº 1: UTILIZAÇÃO DO OSCILOSCÓPIO NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Identificar e praticar com o osciloscópio, conhecendo seus controles e compreendendo suas funções. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Osciloscópio com duas pontas de prova PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1ª PARTE: Conhecendo o osciloscópio 1) Localize a parte frontal do osciloscópio; 2) Antes de ligar o instrumento, certifique-se que os controles e chaves abaixo relacionados estejam conforme tabela a seguir: TABELA 01: POSICIONAMENTO DE CHAVES E CONTROLES ITEM AJUSTE POWER POSIÇÃO OFF INTEN GIRAR NO SENTIDO HORÁRIO (POSIÇÃO 3 hs) FOCUS METADE DO CURSO VERT MODE CH1 POSITION POSIÇÃO CENTRAL VOLTS/DIV 0.5 V / DIV VARIABLE CAL (GIRANDO NO SENTIDO HORÁRIO) AC-DC-GND GND SOURCE SELECIONADO PARA CH1 COUPLING AC SLOPE + TRIG ALT LIBERADO LEVEL LOCK PRESSIONADO HOLDOFF MIN (GIRANDO NO SENTIDO ANTI-HORÁRIO) TRIGGER MODE AUTO TIME/DIV 0,5 ms / DIV POSITION METADE DO CURSO SWP.UNCAL LIBERADO CHOP LIBERADO CH2 INV LIBERADO X-Y LIBERADO X10 MAG LIBERADO 3) Através do botão de força principal do instrumento (POWER), ligue o osciloscópio. Descreva o que acontece. 96

97 4) Verifique e anote em uma folha à parte o que acontece ao acionarmos os seguintes controles do osciloscópio: 1.1. INTEN; 4.2. FOCUS; 4.3. TRACE ROTATION; 4.4. AC-DC-GND; 4.5. VERT MODE; 4.6. POSITION 4.5.a. CH1; 4.7. TIME/DIV 4.5.b. CH2; 4.5.c.DUAL 2ª PARTE: Calibrando o osciloscópio 1. Depois de posicionar os controles e chaves de acordo com a tabela 01, deverá aparecer um traço na tela reticulada cerca de 20 segundos depois de pressionado o botão POWER; se nenhum traço aparecer, mesmo após cerca de 1 minuto, repita todo o procedimento de ajustes da tabela 01; 2. Regula o traço para um brilho apropriado e para uma imagem bem nítida. Que controles devem ser utilizados para esse fim? 3. Verifique se o traço esteja alinhado com a linha horizontal central do reticulado Que controles devem ser utilizados para esse fim? 4. Conecte o terminal BNC da ponta de prova ao terminal de entrada INPUT de CH1 e aplique na outra extremidade (a ponta de prova propriamente dita, visível ao se retrair a capa protetora, conhecida como chapéu de bruxa ) da ponta, ajustada em x1, o sinal de 2,0 Vpp proveniente do CALIBRATOR. RESPONDA: O que é um sinal Vpp? 5. Coloque o botão AC - GND DC na posição AC (Responda o porquê disso). Anote a forma de onda na figura abaixo: 6. Ajuste o controle FOCUS até obter um traço bem nítido. 97

98 7. Ajuste os controles POSITION e POSITION em posições adequadas, tais que, a forma de onda mostrada na tela fique alinhada com o reticulado, para que a tensão e o período possam ser lidos como desejado. 8. Para visualização de sinais, ajuste os controles VOLTS/DIV e TIME/DIV nas posições conforme tabela a seguir, tais que, a forma de onda do sinal seja apresentada na tela com uma amplitude apropriada e um número conveniente de picos: A B A x B 2 x A x B C D C x D 1 (C x D) Nº DE Nº DE VALOR TENSÃO VALOR DA VOLTS/DIV DIVISÕES AMPLITUDE TIME/DIV DIVISÕES DO Vpp FREQÜÊNCIA VERTICAIS HORIZONTAIS PERÍODO 1ª 0,5V/DIV 0,2ms/DIV 2ª 1V/DIV 0,5ms/DIV 3ª 2V/DIV 1ms/DIV 4ª 5V/DIV 2ms/DIV 9. Para cada uma das medidas efetuadas, desenhe a forma de onda: 1ª 2ª 3ª 4ª 4ª RESPONDA: Como se calculam a AMPLITUDE, a tensão VPP, o PERÍODO e a FREQÜÊNCIA? Qual ou quais são as melhores escalas para a medida a ser efetuada? 98

99 EXPERIÊNCIA Nº 2 : UTILIZAÇÃO DO GERADOR DE ÁUDIO NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Identificar e praticar com o gerador de áudio, conhecendo seus controles e compreendendo suas funções. MATERIAL A SER UTILIZADO : 01 Osciloscópio com duas pontas de prova; 01 Gerador de áudio. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Localize o gerador de áudio. Descreva seus principais botões e controles: 2. Ligue o gerador de áudio e verifique com o professor a melhor posição das chaves e botões do mesmo. 3. Conecte o terminal BNC da outra ponta de prova na saída de áudio do osciloscópio. 4. Interligue os dois cabos de osciloscópio (ponta de prova com ponta de prova; garra jacaré com garra jacaré ). 5. Selecione o sinal do tipo ~ do gerador de áudio. RESPONDA: Que tipo de sinal é este? 6. Coloque o botão AC GND DC do osciloscópio na posição AC. 7. Coloque os controles do osciloscópio VOLTS/DIV em 2V/DIV e TIME/DIV em 0,5 ms/div. 8. Com o ajuste de AMPLITUDE do gerador de áudio, injete no CH1 um sinal de 4V de pico a pico. Após isso, ajuste a frequência do sinal do gerador de áudio para obter 1 khz. Ajuste os controles POSITION e POSITION do osciloscópio em posições adequadas para que a forma de onda mostrada na tela fique alinhada com o reticulado. Desenhe a forma de onda: 99

100 9. Mude o tipo de sinal para: a) triangular e b) quadrada. Desenhe as formas de onda: a) b) 10. Agora, para a tabela a seguir, você deve ajustar a melhor escala no osciloscópio para que a forma de onda do sinal seja apresentada na tela com uma amplitude apropriada e um número conveniente de picos: A B = 1 A C D C x D = A E = F x G F G TIPO DE ONDA PERÍODO TEÓRICO FREQUÊNCIA (GERADOR DE ÁUDIO) Nº DIVI HORIZ TIME/ DIV PERÍODO MEDIDO AMPLITUDE (GERADOR DE ÁUDIO) Nº DE DIVISÕES VERTICAIS VOLTS/DIV 16,67 ms 60 Hz 2 V SENOIDAL 10 ms 100 Hz 4 V 2 ms 500 Hz 3 V 0,5 ms 2 khz 5 V 50 µs 20 khz 6 V 100 ms 10 Hz 10 V TRIANGULAR 20 ms 50 Hz 8 V 5 ms 200 Hz 7 V 0,2 ms 5 khz 4,6 V 5 µs 200 khz 5,5 V 0,5 ms 2 khz 5,2 V QUADRADA 0,1 ms 10 khz 3,4 V 20 µs 50 khz 6,6 V 10 µs 100 khz 4 V 2 µs 500 khz 6 V 100

101 EXPERIÊNCIA Nº 03 : A CURVA DO DIODO ETEC LAURO GOMES NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Medir as tensões e correntes num diodo polarizado direta e reversamente, dando condições de se desenhar a curva característica. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Protoboard com fonte de tensão; 01 Resistor de 390 ½ W 02 Multímetros; 01 Resistor de 2k2 ½ W 01 Diodo retificador 1N4001; 01 Resistor de 27 k ½ PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Monte o circuito abaixo: 2. Para cada valor de tensão da fonte listado na tabela abaixo, meça e anote a tensão e a corrente no diodo, para cada resistor: Ve (V) Vd (V) 390 2k2 27 k 390 2k2 27 k Id (ma) Vd (V) Id (ma) Vd (V) Id (ma) 3. Responda: A resistência direta do diodo possui uma resposta linear? Por que? Ve (V) 0 2,5 0,2 3 0,4 3,5 0,6 4 0, ,2 7 1,4 9 1,6 10 1, Vd (V) Id (ma) Vd (V) Id (ma) Vd (V) Id (ma) 101

102 4. Inverta a polaridade da fonte de tensão, montando o circuito abaixo e para cada valor de tensão da fonte listado na tabela a seguir, meça e anote a tensão e a corrente no diodo: OBS. : NESTE CASO, DEVE-SE MEDIR A TENSÃO SEPARADAMENTE DA CORRENTE, COMO MOSTRA A FIGURA: 390 2k2 27 k Ve (V) VR (V) IR (μa) VR (V) IR (μa) VR (V) IR (μa) 0-0,5-1 -1, Plote os valores obtidos nas tabelas, desenhando o gráfico da curva característica do diodo. 14. Responda: 6.1. Quando um diodo age como uma resistência alta? 6.2. Como um diodo difere de um resistor comum? 102

103 EXPERIÊNCIA Nº 04 : CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Verificar as características da carga e descarga um capacitor, medindo seus valores de tensão e levantando seus gráficos. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Multímetro com pontas de prova 01 Placa de circuito série 01 Fonte variável Cabos banana 01 Resistor de 2k2 e 27 kω 01 Capacitor de 470 e 2200 µf 01 Cronômetro 1. Monte o circuito abaixo 2. Acione o interruptor feito com cabo banana e o cronômetro simultaneamente. Determine e anote o instante em que cada tensão for atingida R = 2k2 Ω e C = 470 µf Vc (V) t (s) 3. Com os dados levantados, desenhe o gráfico abaixo: Página 103

104 4. Com o capacitor totalmente carregado, monte o circuito abaixo: 5. Feche o interruptor feito com o cabo banana e acione ao mesmo tempo o cronômetro. Determine e anote o instante de tempo em que cada tensão da tabela abaixo é atingida: R = 2k2 Ω e C = 470 µf Vc (V) t (s) Página 104

105 6. Com os dados levantados, desenhe o gráfico abaixo: 7. Repita os itens 1 a 6 a carga e descarga do capacitor para os seguintes dados: CASO 2: R = 2K2 Ω e C = 2200 µf CASO 3: R = 27K Ω e C = 470 µf CASO 4: R = 227 Ω e C = 2200 µf Página 105

106 CASO 2: R = 2k2 Ω e C = 2200 µf Vc (V) t (s) Página 106

107 R = 2k2 Ω e C = 2200 µf Vc (V) t (s) Página 107

108 CASO 3: R = 27k Ω e C = 470 µf Vc (V) t (s) Página 108

109 R = 27k Ω e C = 470 µf Vc (V) t (s) Página 109

110 CASO 4: R = 27k Ω e C = 2200 µf Vc (V) t (s) Página 110

111 R = 27k Ω e C = 2200 µf Vc (V) t (s) Página 111

112 8. Comparando os casos de carga e descarga: 8.1. O que acontece com a constante de tempo ao aumentarmos a resistência? 8.2. O que acontece com a constante de tempo ao aumentarmos a capacitância? 8.3. O que acontece com a constante de tempo ao aumentarmos a resistência e a capacitância? 8.4. Qual dos 04 casos leva mais tempo para o capacitor se carregar e descarregar? 8.5. Qual dos 04 casos leva menos tempo para o capacitor se carregar e descarregar? Página 112

113 EXPERIÊNCIA Nº 05 : CONSTRUÇÃO DE RETIFICADORES DE TENSÃO NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Construir um retificador de tensão de meia onda e de onda completa, verificando as formas de onda da saída. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Osciloscópio com 2 pontas de prova; 01 Multímetro com 2 cabos banana; 01 Protoboard; 01 Transformador 110 V / +6 V +6 V; 01 Resistor de 390, 2k2, 27k ; 01 Capacitor de 47 μf, 470 μf e 2200 μf 04 Diodos retificadores; Fios para protoboard. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1ª PARTE: Retificador de meia onda 1. Monte o circuito ao lado: VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA!!! (110 V) 2. Com o canal CH2 em DC conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito: 3. Insira o capacitor de 47 μf no circuito, conforme o esquema abaixo: Página 113

114 4. Ligue o capacitor e colocando o CH2 em AC, meça e anote a ONDULAÇÃO (tensão de pico a pico) V ond = (V) 5. Trocando os resistores e capacitores conforme tabela a seguir, meça a ondulação. Compare com o valor teórico: C (μf) R (k) Ondulação medida Ondulação calculada ,39 2,2 27 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 Usp VOND RL f C onde f é a frequência (60 Hz). 6. O que acontece com a ondulação ao aumentarmos a resistência? E a capacitância? Página 114

115 2ª PARTE: Retificador de onda completa tipo ponte 1. Monte o circuito abaixo, com o resistor valendo 390 Ω: SEMPRE VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA!!! 2. Com o canal CH2 em DC conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito: 3. Com o multímetro na escala VDC, meça a tensão no resistor VR DC = (V) 4. Responda : Que tensão é essa? Página 115

116 5. Inclua no circuito o capacitor de 47 μf, colocando-o em paralelo com o resistor. Não deixe de colocar um fio como chave liga-desliga para o capacitor: SEMPRE VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA!!! 6. Com o canal CH2 em DC conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito ao ligar o capacitor: 7. Colocando o CH2 em AC, meça a ONDULAÇÃO (Tensão de pico a pico): V ond = (V) 8. Trocando os resistores e capacitores conforme tabela a seguir, meça a ondulação. Compare com o valor teórico. C (μf) R (k) Ondulação medida Ondulação calculada ,39 2,2 27 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 Usp VOND RL f C onde f é a frequência (120 Hz). Página 116

117 9. O que acontece com a ondulação ao aumentarmos a resistência? E o que acontece se aumentarmos a capacitância? 10. Comparando esta tabela com a anterior (meia-onda), que conclusão podemos tirar a respeito da ondulação? Página 117

118 EXPERIÊNCIA Nº 06: POLARIZAÇÃO DE UM LED ETEC LAURO GOMES NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: OBJETIVO: Medir as tensões e correntes num led (diodo emissor de luz) MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Protoboard com fonte de tensão; 01 Resistor de 390 ½ W 02 Multímetros; 01 Resistor de 2k2 ½ W 01 Diodo retificador 1N4001; 01 Resistor de 27 k ½ W 01 LED PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Monte o circuito abaixo: 2. Para cada valor de tensão da fonte listado na tabela abaixo, meça e anote a tensão e a corrente no LED, para cada resistor: Ve (V) VL (V) 390 2k2 27 k 390 2k2 27 k IL (ma) VL (V) IL (ma) VL (V) IL (ma) Ve (V) 0 2,5 0,2 3 0,4 3,5 0,6 4 0, ,2 7 1,4 9 1,6 10 1, VL (V) IL (ma) VL (V) IL (ma) VL (V) IL (ma) Página 118

119 3. Responda: Em que caso o led brilha mais? Por quê? 4. Inverta a polaridade da fonte de tensão, montando o circuito abaixo e para cada valor de tensão da fonte listado na tabela a seguir, meça e anote a tensão e a corrente no LED : OBS. : NESTE CASO, DEVE-SE MEDIR A TENSÃO SEPARADAMENTE DA CORRENTE, COMO MOSTRA A FIGURA : 390 2k2 27 k Ve (V) VR (V) IR (μa) VR (V) IR (μa) VR (V) IR (μa) 0-0,5-1 -1, Página 119

120 LABORATÓRIO 1 CARACTERÍSTICAS DO DIODO DE JUNÇÃO NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: NOME: Nº TURMA: Página 120

121 Página 121

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