Introdução (Eletrônica 1)

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1 Introdução (Eletrônica 1) GRECOCINUFPE Prof. Manoel Eusebio de Lima Programa do curso! Primeira Unidade Introdução (revisão) Sistemas elétricos x Sistema eletrônicos Fonte de tensão Fonte de Corrente Transformador/autotransformador Tensão e corrente eficazes (RMS) Conversão AC/DC Diodos Diodo de retificação Diodo Zener Aplicações Transistor bipolar Polarização de transistores BJT Amplificadores: classe A, Pushpull, classe AB, BC, CC Fontes básica de alimentação Fontes paralelas Fontes seriais Laboratórios/Tutoriais Polarização de transistores Amplificadores Fontes Projetos Amplificador Classe AB, Fonte! Segunda Unidade Amplificadores diferenciais (conceito) Amplificadores Operacionais e aplicações Conversões AD e DA Famílias lógicas: DL, DTL, TTL, MOS, CMOS Projetos de portas Lógicas com CMOS (básico) Projeto/Laboraório: Kit Arduino, sensores, conversão AD e DA, atuadores,... Escrita de patentes Programa do curso! Infraestrutura/Laboratório Instrumentação básica/ ferramentas Osciloscópio Digital Fontes de alimentação Gerador de funções Multímetro Digital Protoboard Ferramenta de CAD Multsim esquemático e simulação Monitores! Algumas referências! Avaliação Primeira Unidade Exercício teórico (peso 7) Implementação dos tutoriais (peso 3) Segunda Unidade Projeto/implementação (peso 5) Teste oral (projeto) (peso 3) Escrita de patente (peso ) 1. Eletrônica, Malvino, ol I e ol II, 4 a Edição, Pearson Education Makron Books, 4.. 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, 5ª edição. 4. Sistemas Digitais, Tocci, 1ª edição O que são sistemas eletrônicos?! Sistemas elétricos, como os circuitos de nossas casas, usam tensão e correntes elétricas alternadas (6Hz no Brasil), para alimentar coisas como lâmpadas, aquecedores, ventiladores, etc.! Os sistemas eletrônicos são sistemas que controlam estas tensões e correntes, modificando suas flutuações, direção e tempo, de várias formas, para realizar uma série de funções, tais como: diminuir o brilho de lâmpada comunicarse com satélites amplificar sons Sistema eletrônico A eletrônica do dimmer neste circuito controla o fluxo da corrente elétrica para a lâmpada. Sistemas elétricos Sistemas eletrônicos Por que estudar Eletrônica 1?! Para entermos como manipular de forma adequada a corrente elétrica em sistemas que interagem em nosso cotidiano: Amplificadores Interface de comunicação Conversão AD e DA Famílias lógicas! Como gerar esta corrente elétrica? Reação química Força eletromagnética Sistema eólico Energia solar 1

2 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 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. 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 a impedância R L 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? R S I = /R L R L Ω L < 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 1 vezes menor que a resistência equivalente da carga do circuito. Exemplo: R S =,6 Ω =1 I = /R L R L >> R S R L 6 Ω L < L = 1 IR S 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) R S I = /(R S R L ) Constante 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 1 vezes menor que a resistência interna da fonte. =1 Exemplo: R S = 1 MΩ I = 1 (1x1 6 R L ) R L = 1KΩ Fonte de corrente Real (simbologia) R S R L << R S

3 Fonte de corrente Como obter fontes de alimentação DC? =1 I R L (KΩ) I(µA) R S (1M Ω) I = 1 µa (1x1 6 R L ) R L I(µA) 1, 1 1, , , ,9 Ponto de 99%! Bateria! Fonte AC/DC AC DC Circuito retificador ac /± dc Região quase ideal 1 R L (KΩ) Fontes de alimentação ACDC! Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 6 Hz (senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes valores (, 11, 1, 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 ac /± dc Transmissão de energia elétrica! 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 Transformador (eleva a tensão) espiras N 1 oltagem primária O transformador Onde: N = 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 ). Se P 1 =P, então I 1 1 = I => I 1 / I = / 1 ; Relação tensão/número de espiras em um transformador: como / 1 =N / N 1, então I 1 / I = N /N 1, ou seja, I 1 = (N /N 1 ). I e I = (N 1 /N ). I 1 espiras N oltagem secundária 1 primário I N 1 : N 1 I secundário carga 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.! AutoTransformador O transformador que só apresenta um enrolamento, onde o primário e o secundário são eletricamente conectados, é chamado de autotransformador. 3

4 Transformador X Autotransformador Tensão/Corrente Alternada (AC)! antagens econômicas do Autotransformador => transformador Economizase cobre, correspondente ao enrolamento secundário. No entanto é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na parte comum (secundárioxprimário) circulase a mesma corrente para ambos os estágios. Ao suprimirse 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 Autotransformador => transformador Os autotransformadores tem o inconveniente de manter eletricamente unidos os circuitos primário e secundário. Se houver um rompimento na bobina no secundário, a tensão do primário fica igual a do secundário.! Tensão/corrente alternada Corrente: i = I p sen(wt) Tensão: v = p sen(wt ø) Legenda: v tensão instantânea i corrente instantânea p tensão de pico I p corrente de pico f freqüência w freqüência angular t tempo ø ângulo de fase T período (1 / f) alores de tensão/corrente gerados! alor 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.! A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante um ciclo é dada por π P= (1/T) R.i(t). dt! A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na mesma resistência é dada por: P= R.I. I = Constante i(t) = alternada P= R.I R π P= (1/T) R.i(t). dt R alores de tensão/corrente gerados! Assim: π R.I = (1/T) R.i(t). dt => I = (1/T) i(t). dt = i(t) médio! 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 ), I. I = i(t) médio i p (t) i(t) Considerando i = i(t) = i p sen(ωt) i(t) médio i(t) médio = I alores de tensão gerados! Corrente e tensão eficazes: I = i p (t)/ = p (t)/ i(t) " Se i = i(t) = i RI = (1/T) R.i(t). p sen(ωt), em termos de potência: dt, I = (1/T) i p sen (ωt) dt => I = (1/T) i p sen (ωt) dt => I = (1/T) i p ((1/1/.cos(ωt)) dt => I = (1/T) i p [ ((1/.T1/4.sen (π/t)) ] => I = i p (t) / I = i p (t)/ alor Eficaz ou valor RMS! Tensão Eficaz (ou RMSRootMeanSquare)=,77 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 7%.! Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, fazse referência ao seu valor eficaz. A corrente e tensão alternadas medidas por um multímetro 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 ac /± dc 4

5 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 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. 1 () (volts) p N 1 : N () R L dc =? π π α=ϖt π π α=ϖt Retificação de meia onda N 1 : N 1 = 1 N 1 : N 5: 1 = 4 R L dc =1,8 Retificação em meia onda T = 16.7 ms T/ T 1 = 1 = 4 R L dc =? (volts) 17 = (volts) 34 T = 16.7 t(ms) Tensão de pico no primário: p1 =. => (1.1,414) = 17 Tensão de pico no secundário: p = (N / N 1 ). p1 = (1/5) A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha: f = 6 Hz, T= 1/f = 16,7 ms Considere que o diodo é um diodo ideal 17 t(ms) 34 O valor médio de uma função periódica é dado por dc = (1/T). (t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área da meia onda) dividido pela base (T= π ) dc = (1/T) (t)dt, T= π. para meia onda (onda retificada): T/ dc =(1/T) p sen(wt). dt = p /π =,318 p. Assim, dc =,318.(34) = 1,8 Freqüência: f=1/t = 1/16.7 ms = 6 Hz (volts) Fator de ondulação = = 1 t(ms) N 1 : N = 4 Fator de Ondulação(F.O) é dado por: tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= p /( p /π) = π R L Retificação em meia onda T = 16.7 ms T/ T dc = p/π =,318 p = 1,8 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 (D) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D durante o semiciclo negativo. 1 = 1 N 1 : N =1 =1 R L dc 4 As duas tensões 1 e v são idênticas 5

6 1 = 1 (f 1 = 6Hz) N 1 : N Tensão de pico no primário: p1 = (1.1,414) = 17 (f = 1Hz) R L dc =1,4 diodo Tensão de pico no secundário: p = (N / N 1 ). p1 = (1/5) (total) Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17. O valor cc ( dc ) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é dado por: dc =.( p /π) =,636 p = 1,8, onde p = p /, assim, dc =,318 p, com p =34. A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f =.f 1 =. (6 Hz), T = 1/f = 16,7/ = 8,33 ms Fator de ondulação (tensão de pico/ valor médio da tensão retificada) = p /(. p /π) = π/ 17 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 teríamos com o circuito de retificação de onda completa, com tomada central. 1 = 1 () (6OhZ) 4 () D 1 D D 4 D Tensão reversa D 1 D D 4 D 3 34 Tensão reversa Neste tipo de retificador a tensão de pico p saída é dada por: p = 4/.77 = 34 Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por p.(.7) = 3,6 antagens deste modelo: 1. saída em onda completa. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário 3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário. O valor cc ( dc ) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por: dc =.( p /π) =,636 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 =.f 1 =. (6 Hz), T = 1/f = 16,7/ = 8,33 ms Fator de ondulação p /(. p /π) = π/ Reduzindo Fator de ondulação filtro Comparação dos métodos de retificação Tensão de ondulação (Tap central) Obs: p é a tensão total na saída do secundário do transformador. 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.. 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 p polariza inversamente o diodo e começa a descarregarse 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. 6

7 Capacitor curva de carga! Equação de carga do capacitor! Equação de descarga do capacitor o o Em t = RC Em t = RC,86,63 Fator de ondulação Retificação em meia onda T = 16.7 ms max min Para um circuito com retificação de meia onda r (pp) = max /frc Circuito retificador em ponte! A tensão de saída da fonte, levandose em conta uma ponte retificadora: Existe dois diodos ligados em série, cada um com,7 de queda de tensão. dc = p 1.4 Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos estimar que: cc (com ondulação) = cc (sem ondulação) r ( pp )/ Este é um valor médio utilizado na prática. O valor de pico a pico da tensão de ondulação é menor que 1% do valor de pico. Observações:! Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por: I D =,5.I L Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semiciclo. Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de A.! Existe uma tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução. reversa = p /! 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 1. µf, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo. Se o capacitor for superior a 1. µf, necessitando de vários ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo. 7

8 Tutorial! Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características: Tensão: 9*1.414 = 1.76 DC (Trafo: /18 (99)) Retificação onda completa com tap central Corrente máxima = 1mA (plena carga)! Retificação: Ondulação máxima menor que 5% max Considerar apenas a retificação com capacitores! Obs: Utilizar a retificação onda completa Demonstrar projeto no Multsim! Material disponível Transformador /18 (com tap central (99)) Diodos retificadores Capacitor (a ser especificado) Carga para teste Cálculos! Cálculo dos componentes: Capacitor retificador: Dado que o valor de ripple é 5% do valor de pico, temos que: r (pp)= max /frc Assim, o valor da capacitância da fonte pode ser dado por: C = max /(fr r (pp)) r (pp)= 5% de max => r (pp) =.635 Onde: f= 6 Hz R(carga máxima) /I = (1.76/1*1 3 )Ω = 17.6 Ω max = 1.76 Daí: C = 1.76/(*6*17.6*.635) =.131 F 131 µf * Utilizamos o valor comercial de 15µF Conversão AC DC Exemplo Conversão AC DC r(pp) Inversão de fase Canal B (ripple) Canal B Canal A Revisão 8