Introdução. (Eletrônica 1) GRECO-CIN-UFPE Prof. Manoel Eusebio de Lima

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1 Introdução (Eletrônica 1) GRECO-CIN-UFPE Prof. Manoel Eusebio de Lima

2 O que são sistemas eletrônicos? Sistemas elétricos, como os circuitos da sua casa, usam corrente elétrica para alimentar coisas como lâmpadas, aquecedores, ventiladores, etc. Os sistemas eletrônicos são sistemas que controlam a corrente elétrica, modificando suas flutuações, direção e tempo, de várias formas, para realizar uma série de funções, tais como: diminuir o brilho de lâmpada comunicar-se com satélites amplificar sons Sistema eletrônico A eletrônica do dimmer neste circuito controla o fluxo da corrente elétrica para a lâmpada.

3 Sistemas elétricos Sistemas eletrônicos

4 Por que estudar Eletrônica 1? Para entermos como manipular de forma adequada a corrente elétrica em sistemas que interagem, em nosso cotidiano, como usuários de sistemas computacionais: Amplificadores Interface de comunicação Conversão AD e DA Famílias lógicas Como gerar esta corrente elétrica? - Reação química - Força eletromagnética -

5 Sistemas eletrônicos Estes sistemas precisam de fontes de tensão e corrente constantes, ou seja, fontes que possam garantir a entrega de energia necessária para o funcionameto correto de um determinado circuito. Podemos assim definir dois conceitos importantes: Fonte de tensão Fonte de corrente

6 Fontes de alimentação Fonte de alimentação Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário uma fonte de energia: Fonte de tensão Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a ela. Fonte de corrente Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a ela.

7 Fonte de tensão Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão constante ao circuito conectado a ele, independente de sua carga elétrica. Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta uma resistência interna igual a zero. Ou seja, apenas a corrente muda no circuito em função da carga R L. Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a mesma sempre possui uma pequena resistência interna. Não existe fonte de tensão capaz de fornecer uma corrente de valor infinito desde que toda fonte de tensão possui uma resistência interna I = V/R L V? + - R S R L 0 Ω V L < V

8 Fonte de tensão Real Características Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a resistência de carga. Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a resistência equivalente da carga do circuito. Exemplo: I = V/R L R L >> R S R S = 0,06 Ω V=12V + R L 6 Ω V L < V V L = 12 - IR S

9 Fonte de corrente Fonte de corrente é um equipamento que fornece uma corrente constante ao circuito conectado a ela, independente de sua carga elétrica. Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda no circuito em função da carga R L Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase constante quando o valor da resistência de sua carga é bem inferior a sua resistência interna. Como R L é bem menor que a resistência interna da fonte, a corrente quase não se altera no circuito (I constante) I = V/(R S +R L ) Constante V + R S R L << R S

10 Fonte de corrente Características Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal seria R S -> ) que a resistência de carga. Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que a resistência interna da fonte. V=12V Exemplo: R S = 10 MΩ + I = 12 (10x10 6 +R L ) R L = 10KΩ Fonte de corrente Real (simbologia) R S

11 Fonte de corrente V=12V I R L (KΩ) I(µA) 0 1,200 R S (10M Ω) R L 1 1, , ,188 I = 12 µa (10x10 6 +R L ) I(µA) ,090 Ponto de 99% Região quase ideal 100 R L (KΩ)

12 Como obter fontes de alimentação DC? Bateria + - Fonte AC/DC AC Circuito retificador DC /± 220V V ac + - V dc

13 Fontes de alimentação AC-DC Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz (senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de redução aplicado. Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa tensão, o que implica na necessidade de um transformador para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a retificação. Circuito retificador /± 220V V ac + - V dc

14 Transmissão de energia elétrica Transformador (eleva a tensão) A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende estreitamente dos transformadores, que ora elevam a tensão, ora a reduzem. Transformador (baixa a tensão) Linhas de transmissão de alta tensão

15 O transformador espiras N 1 Voltagem primária espiras N 2 Voltagem secundária primário secundário I N 1 : N 2 1 I 2 V 1 V 2 carga Onde: N 2 = Número de espiras do secundário do transformador N 1 = Número de espiras do primário do transformador Considere que não há perda no circuito magnético do transformador (transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída (P 1 =P 2 ). Se P 1 =P 2, então I 1 V 1 = I 2 V 2 => I 1 / I 2 = V 2 /V 1 ; Relação tensão/número de espiras em um transformador: como V 2 / V 1 =N 2 / N 1, então I 1 / I 2 = N 2 /N 1, ou seja, I 1 = (N 2 /N 1 ). I 2 e I 2 = (N 1 /N 2 ). I 1

16 Transformador Transformador isolador Este transformador se chama isolador porque separa galvanicamente a tensão de entrada da tensão de saída, através de dois enrolamentos totalmente separados, colocados em volta de um núcleo magnético que realiza a transferência de energia. O enrolamento da tensão de entrada é chamado de primário e o da tensão de saída, secundário. Auto-Transformador O transformador que só apresenta um enrolamento, onde o primário e o secundário são eletricamente conectados, é chamado de autotransformador.

17 Transformador X Auto-transformador Vantagens econômicas do Auto-transformador => transformador Economiza-se cobre, correspondente ao enrolamento secundário. No entanto é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na parte comum (secundárioxprimário) circula a mesma corrente de antes. Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e portanto as perdas no ferro e o tamanho físico. Com perda menor, o rendimento também melhora. Desvantagens do Auto-transformador => transformador Os autotransformadores tem o inconveniente de manter eletricamente unidos os circuitos primário e secundário. Se houver um rompimento nas bobinas no secundário a tensão do primário fica igual a do secundário.

18 Tensão/Corrente Alternada (AC) Tensão/corrente alternada Corrente: i = I p sen(wt) Tensão: v = V p sen(wt + ø) Legenda: v - tensão instantânea i - corrente instantânea V p - tensão de pico I p - corrente de pico f - freqüência w - freqüência angular t - tempo ø - ângulo de fase T - período (1 / f)

19 Valores de tensão/corrente gerados Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada é o valor equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma dissipação de calor em um resistor. V A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante um ciclo é dada por 2π P= (1/T) R.i(t) 2. dt 0 A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na mesma resistência é dada por: P= R.I 2. I = Constante i(t) = alternada + - P= R.I 2 V R 2π P= (1/T) R.i(t) 2. dt 0 R

20 Valores de tensão/corrente gerados Assim: 2π R.I 2 = (1/T) R.i(t) 2. dt => I = (1/T) i(t) 2. dt = i(t) 2 médio 0 A corrente I define a corrente alternada em função da razão média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado de valor médio quadrado (vmq ou rms), I rms. I rms = i(t) 2 médio

21 i(t) 2 i p (t) i(t) 2 médio i(t) 2 médio = I rms i(t) Se i = i(t) = i RI 2 = (1/T) R.i(t) 2. p sen(ωt), em termos de potência: dt, I 2 rms = (1/T) i p2 sen 2 (ωt) dt => I 2 rms = (1/T) i 2 p sen 2 (ωt) dt => I 2 rms = (1/T) i 2 p ((1/2-1/2.cos(2ωt)) dt => I rms 2 = (1/T) i p 2 [ ((1/2.T-1/4.sen 2 (2π/T)) ] => I rms 2 = i p (t) 2 /2 I rms = i p (t)/ 2 Valor Eficaz ou valor RMS

22 Valores de tensão gerados Corrente e tensão eficazes: I rms = i p (t)/ 2 V rms = V p (t)/ 2 Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%. Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, fazse referência ao seu valor eficaz. A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro representam seus valores eficazes. Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS). o Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas. Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para alimentar nossos circuitos eletrônicos? AC Circuito retificador DC /± 220V V ac + - V dc

23 Programa do curso Introdução (conceitos) Fonte de tensão Fonte de Corrente Resistores/capacitores (revisão) Diodos Diodo de retificação Diodo Zener Aplicações Transistor bipolar Polarização, amplificadores, seguidor de emissor,... Famílias lógicas: DL, DTL, TTL, CMOS Amplificadores Operacionais e aplicações Conversões AD e DA Instrumentação/ferramentas Osciloscópio Digital Fontes de alimentação Gerador de funções Multímetro Digital Ferramenta de CAD (Multsim) Laboratórios Projetos do curso Dois Exercícios escolares

24 Programa do curso Aplicações/projetos 1a unidade Fontes de alimentação amplificador 2a Unidade Conversores A/D e D/A Interfaces Projeto da disciplina Casa Inteligente/granja Avaliação 2 Unidades Cada unidade: 1 exercício teórico 1 exercício prático 1 Projeto Laboratórios (listas) Referências 1. Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4 a Edição, Pearson Education Makron Books, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad, Loius Nashelsky, 8 a edição, Pearson Education Prentice Hall, Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 4ª edição.

25 Retificação de tensão Existem várias formas de retificação de onda alternada para contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica por seu corpo em uma só direção. Dentre as formas de retificação podemos destacar: Retificação de meia onda Retificação de completa com tap central Retificação de onda completa em ponte

26 Retificação de meia onda Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com uma componente não zero, é chamado retificador. N 1 : N 2 5 : 1 V 1 (rms) V 2 (rms) R L V dc =? π 2π α=ϖt V(volts) V p 0 π 2π α=ϖt

27 Retificação de meia onda N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 V 1 = 120V rms V 2 = 24 V rms R L V dc =? Tensão de pico no primário: V p1 = Vrms. 2 => (120.1,414) V = 170 V Tensão de pico no secundário: V p2 = (N 2 / N 1 ). V p1 = (1/5) V A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha: f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms Considere que o diodo é um diodo ideal

28 N 1 : N 2 5: 1 1N4001 Retificação em meia onda T = 16.7 ms V 1 = 120V rms V 2 = 24 V rms R L V dc =10,8 V T/2 T V(volts) T = 16.7 V 2 V(volts) = 16.7 V t(ms) t(ms) - 34 O valor médio de uma função periódica é dado por V dc = (1/T). V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área da meia onda) dividido pela base (T= 2 π ) V dc = (1/T) V(t)dt, T=2 π. para meia onda (onda retificada): T/2 V dc =(1/T) V p sen(wt). dt = V p /π = 0,318 Vp. 0 Assim, V dc = 0,318.(34)V = 10,8 V Freqüência: f=1/t = 1/16.7 ms = 60 Hz

29 V(volts) 170 Fator de ondulação = 16.7 Retificação em meia onda T = 16.7 ms t(ms) N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 T/2 T V 1 = 120V rms V 2 = 24 V rms R L V dc = Vp/π = 0,318 Vp = 10,8 V Fator de Ondulação(F.O) é dado por: tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(V p /π) = π

30 Retificação de onda completa Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo. N 1 : N 2 5 : 1 + 1N4001 =12V V 1 = 120V - + =12V R L V dc 24 V - 1N4001 As duas tensões V 1 e v 2 são idênticas

31 N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 (f 2 = 120Hz) V 1 = 120V (f 1 = 60Hz) R L V dc =10,4V 17V 1N Tensão de pico no primário: V p1 = (120.1,414) V = 170 V diodo - Tensão de pico no secundário: V p2 = (N 2 / N 1 ). V p1 = (1/5) V (total) - Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V. - O valor cc (V dc ) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é dado por: V dc = 2.(V p /π) = 0,636 V p = 10,8V A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f 2 = 2.f 1 = 2. (60 Hz), T 2 = 1/f 2 = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação = V p /(2.V p /π) = π/2

32 Retificação de onda completa em ponte Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada). A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central. 24 V V 1 = 120V (6OhZ) D 1 D 2 D 4 D 3 V

33 170V 34 V -170V Tensão reversa Tensão reversa

34 D 1 D 2 D 4 34V D 3 V Neste tipo de retificador a tensão de pico V p saída é dada por: V p = 24/0.707 = 34 V Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por V p 2.(0.7) = 32,6 V Vantagens deste modelo: 1. saída em onda completa 2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário 3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário. - O valor cc (V dc ) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por: V dc = 2.(V p /π) = 0,636 V p.observe que a tensão de pico aqui é duas vezes a tensão de pico na retificação com tap central. Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f 2 = 2.f 1 = 2. (60 Hz), T 2 = 1/f 2 = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação V p /(2.V p /π) = π/2

35 Comparação dos métodos de retificação (Tap central) Obs: V p na retificação em ponte é igual ao dobro do valor de V p para as retificação meia onda e onda completa com tap central.

36 Reduzindo Fator de ondulação - filtro Tensão de ondulação Redução do F.O através da introdução de um capacitor em paralelo com a carga do circuito T r = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico) T p = tempo entre picos na tensão de saída Funcionamento: 1. Inicialmente o capacitor está descarregado. 2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico. 3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão V p polariza inversamente o diodo e começa a descarregar-se na carga (R l ). 4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do capacitor, que é função de R l e de C. Esta constante deve ser bem maior que o período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco até o próximo ciclo.

37 Capacitor curva de carga Equação de carga do capacitor V Em t = RC V 0 V 0 V 0 Em t = 2RC 0,86V 0 V 0 0,63 V 0

38 Equação de descarga do capacitor V o V V o

39 V max T 1 -T 2 A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta como na descarga do capacitor, dada por: V min A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin: V r (pp) = V max -V min = V max (1- e - (T 2 -T 1 ) RC ) Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial como Assim, Desde que T2-T1 T/2, onde T é o período da onda senoidal, então a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por: => V r (pp) = V max T/2RC=V max /2fRC

40 Fator de ondulação Retificação em meia onda T = 16.7 ms V max V min Para um circuito com retificação de meia onda V r (pp) = V max /frc

41 Circuito retificador em ponte A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte retificadora: Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda de tensão. V dc = V p 1.4V Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos estimar que: V cc (com ondulação) = V cc (sem ondulação) V r ( pp )/2 Este é um valor médio utilizado na prática. O valor de pico a pico da tensão de ondulação é menor que 10% do valor de pico.

42 Circuito retificador em ponte Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por: I D = 0,5.I L Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo. Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de 2 A. Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução. PIV = V p2 Corrente de surto Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o capacitor está descarregado. O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo determinado. Se o capacitor for, em geral,menor que µf, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo. Se o capacitor for superior a µf, necessitando de vários ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.

43 Tutorial Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características: Tensão: 9*1.414 = V DC (Trafo: 220/18V (9V-0-9V)) Retificação onda completa com tap central Corrente máxima = 100mA (plena carga) Retificação: Ondulação máxima menor que 5%V max Considerar apenas a retificação com capacitores Obs: Utilizar a retificação onda completa Demonstrar projeto no Multsim Material disponível Transformador 220/18 V (com tap central (9V-0V-9V)) Diodos retificadores 1N4001 Capacitor (a ser especificado) Carga para teste

44 Cálculos Cálculo dos componentes: Capacitor retificador: Dado que o valor de ripple é 5% do valor de pico, temos que: V r (pp)=v max /2fRC V r (pp)= 5% de V max => V r (pp) = 0.635V Assim, o valor da capacitância da fonte pode ser dado por: C = V max /(2fRV r (pp)) Onde: f= 60 Hz R(carga máxima) V/I = (12.76/100*10-3 )Ω = Ω Vmax = 12.76V Daí: C = 12.76/(2*60*127.6*0.635) = F 1312 µf * Utilizamos o valor comercial de 1500µF

45 Conversão AC DC - Exemplo Inversão de fase

46 Conversão AC - DC Vr(pp) Canal B (ripple) Canal B Canal A

47 Revisão

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