ELETRÔNICA BÁSICA
Versão 1.0
Wagner da Silva Zanco
2006
http://www.wagnerzanco.com.br
[email protected]
Objetivo
O objetivo desta apostila é servir como parte do material didático utilizado no estudo de Eletrônica Básica, curso que pode
ser ministrado de forma presencial ou semipresencial. Embora o material tenha sido desenvolvido inicialmente para a disciplina de
Eletrônica Básica do curso de Eletrônica em nível técnico, não há impedimento para a sua utilização em disciplinas pertencentes a
cursos técnicos de áreas afins, ou até mesmo em outros segmentos da educação profissional cujo conteúdo programático seja
compatível.
Os assuntos são abordados em uma seqüência lógica respeitando a visão consagrada por muitos professores no que diz
respeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exercícios propostos que ajudarão o aluno na
retenção do item estudado e no desenvolvimento do raciocínio exigido para a aprendizagem da Eletrônica.
Índice Analítico
CAPÍTULO 1: DIODO_______________
1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)
CAPÍTULO 2: CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA
2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO
2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)
______
1
1
1
3
3
3
4
4
CAPÍTULO 3: ESTURUTURA INTERNA DO DIODO
5
5
5
5
5
5
5
6
6
6
7
7
7
7
8
8
8
CAPÍTULO 4: TRANSFORMADOR
9
9
CAPÍTULO 5: FONTES DE TENSÃO
11
11
11
11
11
11
11
CAPÍTULO 6: FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)
13
13
13
13
14
14
14
15
3.1 O ELÉTRON
3.2 ÁTOMO
3.3 CARGA ELÉTRICA
3.4 ELÉTRONS LIVRES
3.5 SEMICONDUTORES
3.6 LIGAÇÃO COVALENTE
3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR
3.8 CRISTAL PURO
3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS
3.10 JUNÇÃO PN
3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E BARREIRA DE POTENCIAL
3.12 DIODO DE JUNÇÃO
3.13 POLARIZAÇÃO DIRETA
3.14 POLARIZAÇÃO REVERSA
3.15 CORRENTE REVERSA
3.16 TENSÃO DE RUPTURA
4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR
5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA
5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA
5.3 CICLO
5.4 PERÍODO (T)
5.5 FREQUÊNCIA ( ƒ )
5.6 VALORES DA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL
6.1 TRANSFORMADOR
6.2 RETIFICADOR
6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA
6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc)
6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc)
6.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)
CAPÍTULO 7: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL
7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
7.3 SEMICICLO POSITIVO
7.4 SEMICICLO NEGATIVO
7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA
7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
7.8 CORRENTE MÉDIA
7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA
17
17
17
18
18
18
18
18
19
20
CAPÍTULO 8: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
8.1 SEMICICLO POSITIVO
8.2 SEMICICLO NEGATIVO
8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA
8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
8.6 CORRENTE MÉDIA
8.7 TENSÃO DE PICO INVERSA
8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS
CAPÍTULO 9: FILTRO CAPACITIVO
9.1 CAPACITOR
9.2 SÍMBOLOS
9.3 TIPOS DE CAPACITORES
9.4 CARGA E DESCARGA
9.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA
9.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE
9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO
9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR
9.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc)
9.10 CORRENTE MÉDIA
9.11 TENSÃO DE PICO INVERSA
CAPÍTULO 10: ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO
21
21
21
21
21
21
22
22
22
24
24
24
24
24
25
25
25
25
27
27
27
10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA DE POTÊNCIA
10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER
10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR
10.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA
10.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA
10.6 DISSIPADOR DE CALOR
10.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL
10.8 FUSÍVEL
10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
10.10 TENSÃO E CORRENTE NO LED
29
29
30
30
33
33
33
33
33
34
34
BIBLIOGRAFIA
35
ELETRÔNICA
Capítulo 1
DIODO
Dispositivo eletrônico fabricado a partir de materiais semicondutores
como Silício e Germânio. O diodo é um dispositivo de grande importância
TENSÃO NO DIODO
Como o diodo se comporta como uma chave aberta, não tem
corrente circulando no circuito. Sendo assim:
dentro da eletrônica, e sua principal característica é a de conduzir a corrente
elétrica em um só sentido.
Quando aplicamos uma tensão no diodo, dizemos que estamos
polarizando o mesmo. Existem dois tipos de polarização:
-
POLARIZAÇÃO DIRETA
-
POLARIZAÇÃO REVERSA
Se,
VR = R.I
e,
I = ∅A
Então,
VR = ∅v
1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
Com isso,
Um diodo está polarizado diretamente quando o terminal positivo da
fonte está mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do
catodo. Quando o diodo está polarizado diretamente ele se comporta como
se fosse uma chave fechada(diodo ideal), permitindo a circulação da
corrente, como mostra a figura a seguir.
VT = VR + VD
VT = ∅ + VD
VT = VD
Isto significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais do
diodo. Não esqueça disso, pois esta idéia será vista bastante mais frente. A
figura a seguir ilustra a idéia.
Como o diodo se comporta como uma chave fechada, é necessária
a presença de um resistor em série com ele para limitar a corrente, caso
contrário à fonte entra em curto.
TENSÃO NO DIODO
Sendo o circuito série,
VT = VD + VR
Como o diodo se comporta como um curto,
EXEMPLOS
A) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente elétrica?
VD = ∅V
Então,
VT = VR
Isto significa que toda a tensão da fonte aparece no resistor em série
com o diodo.
1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)
Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo
da fonte estiver mais perto do catodo e terminal negativo do anodo. Desta
forma, o diodo se comporta como uma chave aberta bloqueando a
passagem da corrente elétrica, como mostra a figura a seguir.
Wagner da Silva Zanco
A primeira coisa a observar é se o diodo está polarizado
diretamente ou inversamente. Como neste exemplo o terminal da fonte está
mais próximo do anodo, o diodo está polarizado diretamente, podendo ser
substituído por uma chave fechada. Como a tensão em cima do diodo é
∅V, toda a tensão da fonte aparece em cima do resistor.
Capítulo 1: Diodo
1
3) Dado o circuito abaixo, calcule?
a) tensão em cada diodo?
b) tensão em cada resistor?
c) corrente em cada braço?
B) Dado o circuito abaixo, calcule:
VR=?
VD=?
I=?
4) Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas?
a)
Estando o terminal positivo da fonte mais próximo do catodo, o
diodo encontra-se polarizado reversamente, podendo ser substituído por
uma chave aberta. Não haverá corrente circulando no circuito(I = ∅A), o
que significa que a tensão em R também é ∅V. Com isso, toda a tensão da
fonte aparece em cima do diodo VD = 12V.
EXERCÍCIOS
1) Dado o circuito abaixo, calcule?
a) tensão em cada diodo?
b) tensão em cada resistor?
c) corrente em cada braço?
b)
2) Dado o circuito abaixo, calcule?
a) tensão em cada diodo?
b) tensão em cada resistor?
c) corrente em cada braço?
2
Capítulo 1: Diodo
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 2
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
Na análise inicial nós consideramos o diodo polarizado diretamente
como uma chave fechada(diodo ideal). Na prática, o diodo só começa a
conduzir quando a tensão em seus terminais ultrapassa a tensão de
condução(limiar), que é 0,7V para diodos de Silício e 0,3V para diodos de
Germânio. Como hoje praticamente todos os diodos fabricados são de
Silício, daremos ênfase a eles a menos que seja dito o contrário. A seguir
vemos o gráfico da tensão versus corrente do diodo de Silício.
Depois que o diodo começou a conduzir a tensão em seus
terminais se mantém em 0,7V, sendo que todo o excedente de tensão da
fonte aparecerá no resistor. Por exemplo:
2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA
2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA
Quando o diodo é polarizado diretamente, podemos observar que a
corrente permanece em zero até que a tensão nos terminais do diodo
ultrapasse a tensão de limiar (0,7V). Isto significa que, mesmo estando
polarizado diretamente, o diodo só conduz quando a tensão em seus
terminais atinge o valor de limiar. A corrente no diodo aumenta bruscamente
após a tensão em seus terminais ter ultrapassado o valor de limiar. O
mesmo, porém, não acontece com a tensão nos terminais do diodo, que
aumenta modestamente para grandes aumentos na corrente direta. Para
efeito de cálculo nós consideramos que em condução o diodo tem em seus
terminais uma tensão de 0,7V, mas lembre-se que na prática a tensão no
diodo aumenta quando a corrente direta aumenta. Um fabricante do diodo
1N5408 informa em seu datasheet que o mesmo pode ter uma tensão de
1.2V quando a corrente direta no diodo for de 3A.
Para que a corrente no diodo não ultrapasse o valor nominal, é
necessário que seja ligado um resistor em série com o diodo quando ele
estiver polarizado diretamente, cuja finalidade é limitar a corrente no
componente para que ele não seja destruído por excesso de dissipação de
calor. O resistor em série com o diodo polarizado diretamente é necessário
porque, em condução, o diodo praticamente não oferece oposição a
passagem da corrente elétrica, ou seja, sua resistência interna é muito
baixa. Por este motivo que normalmente nós consideramos o diodo como
um curto quando ele está polarizado diretamente.
Vemos a seguir um circuito com um diodo polarizado diretamente por
meio de uma fonte variável. Para tensões da fonte entre 0V e 0,7V, o diodo
continua se comportando como uma chave aberta, mesmo estando
polarizado diretamente. Vimos no gráfico do diodo que para esta faixa de
tensão no diodo, a corrente é zero. Quando a tensão da fonte ultrapassa
0,7V, o diodo começa a conduzir, permitindo a passagem dos elétrons.
Vemos no gráfico do diodo também que quando a tensão no diodo atinge
0,7V a corrente tem um aumento brusco. O resistor em série com o diodo
tem a função de não permitir que esta corrente aumente a ponto de
danificar o diodo. O diodo 1N4001, por exemplo, suporta uma corrente
máxima de 1A estando polarizado diretamente. Uma vez em condução,
grandes aumentos na corrente provoca pequena variação na tensão no
diodo. Para efeito de cálculo esta pequena variação de tensão no diodo não
é considerada. Quando se leva em consideração a tensão de condução do
diodo, dizemos que ele está se comportando como um diodo real.
Wagner da Silva Zanco
Quando o diodo é polarizado reversamente ele se comporta como
uma chave aberta até que a tensão em seus terminais ultrapasse o valor de
ruptura, quando então o diodo conduz intensamente e se destrói por
excesso de dissipação de calor. O diodo 1N4001, por exemplo, possui uma
tensão de ruptura de 50V. Se você for usar este diodo polarizado
reversamente em um circuito certifique-se de que a tensão em seus
terminais nunca irá ultrapassar 50V.
Vemos a seguir um diodo polarizado reversamente em série com um
resistor. Como o diodo se comporta como uma chave aberta não tem
corrente circulando no circuito e, conseqüentemente, não tem tensão no
resistor R. Isso significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais
do diodo. Desde que esta tensão reversa no diodo não ultrapasse o valor de
ruptura o diodo irá se comportar como uma chave aberta.
VT = VD + VR
Como,
I = 0 e VR = 0
Então,
VT = VD
Na verdade, o diodo não se comportará exatamente como uma chave
aberta estando polarizado reversamente, pois uma pequena corrente
reversa circulará por ele mesmo estando reversamente polarizado. Como
será visto mais adiante, esta corrente reversa possui duas componentes
que são: corrente de fuga superficial e corrente dos portadores
minoritários. Estas componentes da corrente reversa serão devidamente
explicadas quando formos estudar a estrutura atômica do diodo. Por ora,
saiba que a corrente de fuga superficial depende da tensão reversa nos
terminais do diodo e que a corrente dos portadores minoritários depende da
temperatura.
Capítulo 2: Curva Característica do Diodo
3
C)
Veja a seguir as especificações de alguns diodos encontrados com
certa facilidade no mercado.
Diodo
Tensão de
Ruptura
1N914
ID (máxima
corrente direta)
75V
200mA
1N4001
50V
1A
1N1185
120V
35A
1N4007
1000V
1A
D)
2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO
Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qual
ele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar
a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de
0,7V. Até diodos do mesmo tipo podem começar a conduzir em pontos
diferentes de tensão. Felizmente para efeito de cálculo, nós não
precisamos nos preocupar com isso, mas mantenha este fato em mente
sempre que for fazer alguma montagem com diodos. A folha de dados do
1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver
sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminais
pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de
25ºC.
2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)
Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução como
uma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como um
curto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência interna
pode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por
ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quase
sempre é desprezada. No exemplo acima nós podemos calcular a
resistência interna do diodo, como mostrado a seguir.
E)
RI = 0,7 ÷ 2,3mA = 304,34Ω
EXERCÍCIOS
1) Dado os circuitos a seguir, calcule:
OBS: Diodo real
a) Corrente em cada braço?
b) Tensão em cada resistor?
c) Tensão no diodo?
A)
F)
B)
4
Capítulo 2: Curva Característica do Diodo
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 3
ESTURUTURA INTERNA DO DIODO
3.1 O ELÉTRON
A eletrônica é a ciência que se dedica ao comportamento dos
elétrons, afim de que eles sejam aproveitados em funções úteis.
A própria palavra eletrônica deriva do termo elétrons, de origem
grega, e designa uma das partículas básicas da matéria.
A eletricidade de que estamos acostumados a nos servir chega até
as nossas casas pelo movimento de elétrons através dos fios. O movimento
de elétrons que citamos é chamado de corrente elétrica.
3.2 ÁTOMO
Nós sabemos que a matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa
lugar no espaço. Toda matéria é constituída de átomos. O átomo se divide
em duas partes: Núcleo, onde se encontram os prótons e os nêutrons e
Eletrosfera, onde se encontram os elétrons.
Quando aplicamos em certos materiais energia externa como luz,
calor, pressão, os elétrons absorvem esta energia, e se esta for maior que a
força exercida pelo núcleo, o elétron poderá se desprender do átomo
tornando-se um elétron livre. A corrente elétrica é nada mais que o
movimento de elétrons livres.
Os elétrons livres se encontram em grande quantidade nos materiais
chamados bons condutores, e não existem ou praticamente não existem,
nos chamados maus condutores ou isolantes.
Como exemplo de bons condutores podemos citar as ligas
metálicas, ouro, prata, cobre, ferro, alumínio etc.
Alguns exemplos de isolantes são: vidro, porcelana, mica, borracha,
madeira etc.
3.5 SEMICONDUTORES
Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partículas
diferentes no átomo, tais como mésons, neutrinos, quaks, léptons, bósons
etc.
3.3 CARGA ELÉTRICA
Eletricamente falando, um átomo pode se encontrar em três
situações diferentes:
Neutro ⇒ quando a quantidade de prótons é igual a de elétrons. Este é o
estado normal de qualquer átomo. Neste caso dizemos que ele está em
equilíbrio.
Carregado positivamente ⇒ quando a quantidade de prótons é maior que
a de elétrons.
Carregado negativamente ⇒ Quando a quantidade de prótons é menor
que a de elétrons.
A menor quantidade de carga elétrica que um átomo pode adquirir é a carga
de um próton ou a de um elétron.
Os semicondutores são substâncias cujos átomos possuem quatro
elétrons na camada de valência(última camada). Os semicondutores não
são bons nem maus condutores de eletricidade. Na verdade, a
condutividade de um semicondutor depende da temperatura a qual ele está
submetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolante
perfeito a temperatura de -273ºC. A medida que a temperatura vai
aumentando sua condutividade também aumenta.
O Silício e o Germânio são os semicondutores usados na construção
de dispositivos eletrônicos como diodos, transistores, circuitos integrados
etc. O Germânio praticamente não é mais usado na construção de
dispositivos semicondutores devido a sensibilidade à temperatura. Por isso,
quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do Silício.
O átomo de Silício possui quatorze elétrons, quatorze prótons e
quatorze nêutrons.
3.6 LIGAÇÃO COVALENTE
Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons na
camada de valência. Contudo, para formar o sólido o átomo precisa de oito
elétrons na camada de valência, ou seja, estar quimicamente estável. Para
obter os oito elétrons na camada de valência os átomos se associam numa
ligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente os átomos
compartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemos
na figura a seguir.
Elétron ⇒ carga elétrica negativa(--) fundamental da eletricidade.
Próton ⇒ carga elétrica positiva(+) fundamental da eletricidade
Nêutron ⇒ não possui carga elétrica.
A carga elétrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909
pelo físico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI em Coulomb, o
valor numérico da carga elétrica fundamental de um elétron, sendo a do
próton igual em módulo, mudando apenas o sinal, que é positiva é:
e- = 1,6 x 10-19 C
3.4 ELÉTRONS LIVRES
O que mantém os elétrons ligados aos seus respectivos átomos é o
seu movimento em torno do núcleo, associado a força de atração mutua
existente entre eles e os prótons. Quanto mais afastado do núcleo estiver
este elétron, menor será esta força de atração mutua.
Wagner da Silva Zanco
Na ligação covalente cada átomo compartilha um elétron com o
átomo vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétrons
emprestados, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência,
adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétrons
compartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central.
Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatro
elétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, eletricamente
neutro.
Os átomos de Silício se distribuem no sólido formando uma estrutura
cúbica, onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica
é normalmente chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólido
de Silício é um cristal de Silício. A figura a seguir ilustra a idéia.
Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo
5
cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra. A corrente de
elétrons de valência pode ser vista como uma corrente de lacunas em
sentido contrário, como mostra afigura a seguir.
Cristal de silício puro
3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR
Já vimos que o que mantém os elétrons presos aos seus
respectivos átomos é a força de atração exercida pelo núcleo, associada ao
movimento circular do elétron em torno do núcleo. Sabe-se que associado a
todo movimento circular atua a força centrífuga, que puxa o corpo para fora
do centro do movimento. No caso dos elétrons, ocorre que a força
centrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo, enquanto os prótons os
puxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém os
elétrons ligados aos átomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que a
força de atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que a
força que atua nos elétrons das primeiras camadas.
Se um elétron da camada de valência receber energia externa
como luz calor etc., e esta for maior que a força de atração exercida pelo
núcleo, o elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência,
chamada de banda de condução. Uma vez na banda de condução o elétron
está livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron
livre. Ao ir para a banda de condução, o elétron deixa um vazio que nós
chamamos de lacuna.
3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS
A figura a seguir mostra o cristal ampliado até a estrutura atômica
submetido a uma DDP. O elétron livre mostrado dentro do cristal será
atraído pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela
banda de condução, como indica a seta. Esta corrente de elétrons livres é
de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais
condutores. Observe agora a lacuna mostrada na figura. O elétron do
ponto 1 pode ser atraído pela lacuna. Se isso ocorrer, a lacuna na
extremidade deixará de existir e, onde estava o elétron no ponto 1 terá uma
lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, onde
passará a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocínio, como mostram
as setas, veremos que os elétrons estão se deslocando em direção ao
terminal positivo e a lacuna em direção ao terminal negativo. Ao saírem pela
extremidade do cristal, tanto o elétron livre quanto o elétron de valência
tornam-se elétrons livres, seguem em direção ao terminal positivo da fonte,
entram na fonte, saem pelo terminal negativo e entram na extremidade
oposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como elétrons livres,
outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de valência. O
movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto
como o movimento de lacunas em sentido contrário.
Cristal de silício puro
Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Esta
quebra produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livre
vagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atraído por ela.
Neste caso houve uma recombinação.
Sendo a corrente elétrica o movimento de elétrons livres, o silício é
um isolante perfeito a uma temperatura de -273ºC, porque a esta
temperatura não existe nenhum elétron livre. A medida que a temperatura
vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligações covalentes, assim
como recombinações. À temperatura ambiente de 25ºC um cristal de silício
puro possui uma quantidade de pares elétron-lacuna mais ou menos estável
devido as constantes quebras de ligações covalentes produzidas
termicamente, assim como recombinações.
3.8 CRISTAL PURO
Vemos na figura a seguir um cristal de silício puro. À temperatura
ambiente existe um número mais ou menos estável de elétrons livres e de
lacunas produzidos termicamente, como já vimos anteriormente.
Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o que
diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor só existe
corrente de elétrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores é
apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade são os
elétrons de valência, tenha isso sempre em mente.
Na prática, não temos como medir a corrente de elétrons livres e de
lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas
existem e que o uso dos semicondutores na construção de dispositivos
eletrônicos se deu, em grande parte, por esta característica.
Uma forma de aumentar a condutividade do cristal puro é introduzir
no cristal impurezas pentavalentes, que são átomos com cinco elétrons na
última camada, produzindo um cristal tipo N. Para cada átomo de impureza
pentavalente introduzido no cristal aparecerá um elétron livre. A figura a
seguir mostra um cristal tipo N.
Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamos
observar algo interessante. Existem dois trajetos para os elétrons se
movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas:
uma de elétrons livres e a outra de elétrons de valência. Os elétrons livres
irão se deslocar de um lado para outro do cristal através da banda de
condução, os elétrons de valência se deslocarão de um lado para outro do
6
Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo
Wagner da Silva Zanco
Semicondutor tipo N
de potencial. Esta DDP nos diodos de Germânio é de 0,3V e nos de silício é
de 0,7V.
3.12 DIODO DE JUNÇÃO
Uma outra forma de aumentar a condutividade de um cristal puro é a
dopagem com impurezas trivalentes, que são átomos com três elétrons na
última camada, produzindo um cristal tipo P. Para cada átomo de impureza
trivalente introduzido no cristal aparecerá uma lacuna. A figura a seguir
mostra um cristal tipo P.
Na figura a seguir vemos a estrutura interna de um diodo de junção.
O terminal ligado ao lado P é o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N é o
catodo(k). A faixa cinza próxima a junção é a camada de depleção, que irá
se comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferença
de potencial.
Semicondutor tipo P
3.13 POLARIZAÇÃO DIRETA
3.10 JUNÇÃO PN
Se nós doparmos a metade de um cristal puro com impurezas
trivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes produziremos um
diodo de junção, ou diodo semicondutor. o lado do cristal dopado com
impurezas trivalentes terá muitas lacunas e o lado dopado com impurezas
pentavalentes terá muitos elétrons livres. Os poucos elétrons livres vistos no
lado P, assim como as poucas lacunas vistas no lado N, são produzidos
termicamente.
Ocorre que os elétrons mais próximos da junção são atraídos pelas
lacunas que estão mais próximas, conforme mostram as setas na figura
acima. Quando o elétron deixa o átomo para se recombinar com a
lacuna, este átomo se transforma em um íon positivo, pois ele perdeu um
elétron. Da mesma forma, o átomo ao qual pertencia a lacuna, se
transforma em um íon negativo. Esta recombinação irá ocorrer com todos
os elétrons e lacunas que estiverem próximos da junção. Cada
recombinação fará aparecer um par de íons próximos da junção. Isto
resultará em uma coluna de íons positivos do lado N e um a coluna de íons
negativos do lado P. A figura a seguir ilustra a idéia.
Chegará um momento que a região próxima à junção ficará esgotada
de elétrons livres e lacunas. A coluna de íons negativos do lado P irá repelir
qualquer elétron que tentar atravessar a junção em busca de alguma
lacuna, estabelecendo-se assim um equilíbrio.
Não confunda íon com elétron livre ou lacuna. um íon é um
átomo que adquiriu carga elétrica, ou seja, ganhou ou perdeu elétrons.
Na figura acima o íon negativo está representado por um sinal
negativo com um círculo em volta, e o íon positivo por um sinal
positivo com um círculo em volta.
Para polarizar um diodo diretamente temos de submete-lo a uma
diferença de potencial, de forma que o terminal positivo da fonte fique mais
próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo, como
mostra a figura a seguir. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá
repelir as lacunas do lado P, e o terminal negativo irá repelir os elétrons
livres do lado N. Esta repulsão provocará a compressão da camada de
depleção. Quando a tensão entre os terminais do diodo atingir o valor da
barreira de potencial (0,7V para o silício), ou seja, VT > 0,7V, a camada de
depleção estará tão comprimida que permitirá que os elétrons livres da
região N atravessem a junção e entrem na região P. Uma vez dentro da
região P os elétrons livres descem da banda de condução para a camada
de valência e atravessam a região P como elétrons de valência, pulando de
lacuna em lacuna até saírem pelo terminal do anodo, quando seguem para
o terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo,
entram na região N do diodo pelo terminal do catodo, atravessam a região N
como elétrons livres, cruzam a junção e assim sucessivamente. O que nós
acabamos de descrever é na verdade um fluxo de elétron, ou uma corrente
elétrica. Resumindo, quando o diodo é polarizado diretamente e a tensão
em seus terminais atinge o valor da barreira de potencial o diodo começa a
conduzir corrente, ou seja, permite que os elétrons cruzem a junção.
Uma vez em condução, a resistência entre os terminais do diodo cai
drasticamente. Isto significa que o diodo se comporta quase como um curto,
o que justifica o fato de que sempre veremos um resistor em série com o
diodo quando ele estiver polarizado diretamente. Sua função é limitar a
intensidade de corrente elétrica que passa pelo diodo.
3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E BARREIRA DE POTENCIAL
As colunas de íons que se formaram próximas à junção devido a
recombinação de elétrons e lacunas é chamada de camada de depleção.
Existe entre as duas colunas de íons uma DDP que é chamada de barreira
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo
7
3.14 POLARIZAÇÃO REVERSA
Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo da
fonte está mais próximo do catodo e o terminal negativo mais próximo do
anodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá atrair os elétrons
livres da região N e o terminal negativo irá atrair as lacunas da região P. Isto
provocará a expansão da camada de depleção, dificultando ainda mais a
difusão de elétrons livres através da junção, ou seja, o diodo se comportará
como uma chave aberta.
mais o número de elétrons livres e, conseqüentemente, de choques. o
processo continua até ocorrer uma avalanche de elétrons (alta corrente
elétrica), que causará a destruição do diodo.
EXERCÍCIOS:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
O que é uma ligação covalente?
Qual a carga elétrica de um elétron?
O que é necessário para que um eletrôn se trone livre?
O que caracteriza um material semicondutor?
Porque o Silício normalmente é chamado de cristal?
O diferencia um material condutor de um semicondutor do ponto de
vista da condutividade?
O que é dopagem? Qual a sua finalidade?
Explique como é obtido um diodo de junção.
Defina camada de depleção e barreira de poten cial.
O que ocorre com a camada de depleção quando um diodo é
polarizado diretamente ou reversamente?
Quando polarizado reversamente, a resistência entre os terminais do
diodo é muito alta. Por isso costuma-se dizer que ele se comporta como
uma chave aberta quando está polarizado reversamente.
3.15 CORRENTE REVERSA
Teoricamente, um diodo polarizado reversamente se comporta como
uma chave aberta, mas na prática circulará pelo diodo uma pequena
corrente reversa devido aos portadores minoritários produzidos
termicamente. A intensidade desta corrente reversa depende da
temperatura e não da tensão aplicada. O datasheet de um diodo 1N4001
informa que a sua corrente reversa, a uma temperatura de 25ºC é
tipicamente de 50pA, e a 100ºC é de 1.0µA. Veja como a corrente reversa
aumenta com o aumento de temperatura. Esta corrente reversa é muita das
vezes inconveniente e pode prejudicar o bom funcionamento do circuito.
Isso responde porque certos equipamentos eletrônicos precisam de salas
climatizadas, equipadas com ar condicionado para funcionar.
Um dos motivos do uso em grande escala do Silício na
confecção de componentes eletrônicos é que a corrente reversa nos
componentes fabricados com Silício é menor do que nos fabricados
com Germânio, ou seja, o Silício e menos sensível à temperatura.
Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa,
que é a corrente de fuga superficial. Devido a impurezas (por exemplo
poeiras) localizadas na superfície do cristal, um trajeto ôhmico pode ser
criado viabilizando a circulação desta corrente reversa pela superfície do
cristal. Esta componente depende da tensão reversa aplicada ao diodo.
Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos
portadores minoritários, que depende da temperatura e a corrente de fuga
superficial, que depende da tensão reversa aplicada aos terminais do diodo.
Não se preocupe, por hora, com a corrente reversa, normalmente ela
é tão pequena que na maioria dos casos é desprezada.
3.16 TENSÃO DE RUPTURA
Temos de ter cuidado quando vamos polarizar um diodo
reversamente, pois existe um valor de tensão máxima que cada diodo
suporta estando polarizado desta forma, que é a tensão de ruptura. Se a
tensão reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura o
mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipação de
calor. Por exemplo, um 1N4001 suporta no máximo 50V quando polarizado
reversamente.
O motivo desta condução destrutiva na ruptura é um efeito conhecido
como avalanche. quando o diodo está polarizado reversamente circula por
ele uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritários.
Um aumento na tensão reversa pode acelerar estes portadores minoritários
podendo causar o choque destes com os átomos do cristal. Estes choques
podem desalojar elétrons de valência enviando-os para a banda de
condução, somando-se aos portadores minoritários, aumentando ainda
8
Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 4
TRANSFORMADOR
constante no núcleo. Isso significa que não haverá movimento relativo entre
o campo magnético e o condutor, não havendo tensão induzida.
4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR
O transformador é formado por um núcleo de ferro, onde são
enrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios de
cobre. Sua principal função é aumentar ou abaixar uma tensão aplicada em
seu enrolamento primário.
Vpri = Tensão no enrolamento primário (eficaz ou de pico).
Vsec = Tensão no enrolamento secundário (eficaz ou de pico).
N1 = Número de espiras no primário.
N2 = Número de espiras no secundário.
O princípio de funcionamento do transformador é baseado num
fenômeno conhecido como indução eletromagnética. Quando
movimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece em
seus extremos uma DDP, que é chamada de tensão induzida. O mesmo
irá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o
campo magnético. É necessário, portanto, que haja um movimento relativo
entre o campo magnético e o condutor para que apareça nos extremos dele
uma tensão induzida.
Sabe-se que quando a corrente elétrica passa por um condutor se
estabelece em torno do condutor um campo magnético, cuja intensidade
depende da quantidade de elétrons que estejam passando por segundo no
condutor (intensidade de corrente elétrica). A figura a seguir mostra um
condutor percorrido por uma corrente elétrica e o campo magnético em
torno do condutor, representado pelas linhas de forças.
A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador
de tensão é a relação existente entre o número de espiras nos
enrolamentos primário e secundário. Se o número de espiras do
enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamento
primário, o transformador será elevador de tensão; se for menor será
abaixador de tensão. A fórmula a seguir nos permite calcular a tensão no
enrolamento secundário, sendo conhecida a tensão no primário e a relação
de espiras.
Ex.:
Qual a tensão no enrolamento secundário do transformador a seguir?
Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a
intensidade do campo magnético também varia. Como o condutor está
submetido ao campo, aparecerá em seus terminais uma tensão induzida.
Este é o princípio de funcionamento do transformador: Uma tensão
alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular por
ele uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo
enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável,
que se estabelecerá no núcleo do transformador. Como o enrolamento
secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida
aparecerá em seus extremos devido ao campo magnético variável ao
qual está submetido. Observe que não existe contato elétrico entre os
enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos é
apenas magnética.
Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, não
aparecerá tensão alguma no secundário do transformador. Isso acontece
porque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante no
enrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético
Wagner da Silva Zanco
Observe que N1=10 e N2=1. Isto não significa que o enrolamento
primário possui dez espiras e o secundário uma espira. Para cada dez
espiras no primário, existe uma no secundário, ou seja, se o enrolamento
primário tiver mil espiras, o secundário terá cem espiras. Como foi usado o
valor eficaz de tensão no primário, a tensão calculada no secundário será
eficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tensão no primário, o valor
calculado no secundário seria de pico, não esqueça disto.
Uma outra observação importante sobre o transformador é que o
mesmo não altera a forma da onda nem a freqüência da tensão aplicada no
enrolamento primário. O transformador altera apenas o nível de tensão,
elevando ou abaixando a tensão aplicada no enrolamento primário. No
exemplo acima a tensão aplicada no primário é senoidal, tendo a mesma
forma de onda e freqüência que a tensão no secundário.
EXERCÍCIOS
Capítulo 4: Transformador
9
1) Qual a tensão eficaz que aparecerá no enrolamento secundário de um
transformador que possui uma relação de espiras de 20:4 e uma tensão de
250Vef em seu enrolamento primário?
2) Qual a tensão de pico no secundário do trafo a seguir?
3) Se a tensão medida no secundário de um transformador é 30Vef e a sua
relação de espiras é 15:3, Qual a tensão aplicada no seu enrolamento
primário?
4) Se um transformador tem 2000 espiras no seu enrolamento primário e a
sua relação de espiras é 5:2, quantas espiras possui seu enrolamento
secundário?
5) O que define se o transformador é elevador ou abaixador de tensão?
10 Capítulo 4: Transformador
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 5
FONTES DE TENSÃO
5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA
A polaridade da tensão nos terminais de fonte de tensão contínua não
se altera nunca, o terminal positivo é sempre positivo e o negativo é sempre
negativo. A fonte de tensão contínua mantém constante a DDP entre os
seus terminais. Como exemplos de fontes de tensão contínua podemos citar
a pilha de controle remoto, bateria de automóvel, bateria de celular etc.
Vemos a seguir o gráfico da tensão versus tempo de uma fonte de tensão
contínua. Observe que a tensão se mantém constante ao longo do tempo.
começa, então, a diminuir até chegar a zero, a partir do qual começa um
novo ciclo.
5.4 PERÍODO (T)
É o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade é o segundo.
5.5 FREQUÊNCIA ( ƒ )
É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. É o inverso do período,
e sua unidade é o Hertz (Hz).
A tensão na tomada de luz de nossa casa tem uma freqüência de 60Hz,
ou seja, são gerados sessenta ciclos de tensão a cada segundo.
5.6 VALORES DA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL
Existem várias formas de se representar numericamente uma tensão
alternada senoidal. Estes são:
5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA
- Valor de pico
- Valor de pico a pico
- Valor eficaz
Valor de pico (VP) → É o valor máximo atingido pela senoide A tensão
atinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo.
Valor de pico a pico (VPP) → É o dobro do valor de pico. É a faixa de
tensão entre o pico positivo e o pico negativo.
A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora um
terminal é positivo, ora negativo. A DDP entre os terminais da fonte de
tensão alternada varia a todo instante. Uma tensão alternada pode ter
várias formas, a que nos interessa no momento é a tensão alternada
senoidal. Veja a seguir como a tensão alternada senoidal varia com o
tempo.
VPP = 2 . VP
Valor eficaz (Vef) → É o valor que a tensão alternada deveria ter se fosse
contínua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamos
uma fonte de tensão alternada aos terminais de um resistor durante um
minuto, levando o mesmo se aquecer a 100ºC. O valor de tensão contínua
aplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que o
mesmo se aqueça com a mesma temperatura, é o valor eficaz desta tensão
alternada.
EXEMPLOS
O termo senoidal deriva do fato do gráfico da tensão alternada
senoidal ser idêntico ao gráfico da função seno. As tomadas de luz, onde
nós ligamos a televisão, geladeira e eletrodomésticos em nossa casa, são
exemplos de fontes de tensão alternada senoidal.
A) Qual o período de uma tensão alternada senoidal com uma freqüência
de 60Hz?
5.3 CICLO
Ciclo de uma tensão alternada senoidal é a seqüência de valores
onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo é composto
por dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a
tensão sai de zero, sobe até o valor máximo (VP), onde a partir do qual
começa a diminuir até chegar novamente a zero. Quando a tensão entra no
semiciclo negativo (começa aumentar negativamente), ocorre uma mudança
de polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora é
negativo. A tensão aumenta até chegar ao máximo negativo (-VP), quando
Wagner da Silva Zanco
B) Quais os valores de pico a pico e eficaz de uma tensão alternada
senoidal que tem um valor de pico de 180V?
Capítulo 5: Fontes de Tensão
11
EXERCÍCIOS
1) Se uma tensão alternada tem um valor eficaz de 150V, quais os seus
valores de pico e de pico a pico?
2) Dado o circuito abaixo, calcule:
a) Vef no resistor?
b) Vpp no resistor?
c) Corrente eficaz?
3) tendo uma tensão alternada senoidal um valor de pico a pico de 250V,
calcule:
a)Vef?
b)Vp?
4) Qual a freqüência da tensão alternada abaixo?
12 Capítulo 5: Fontes de Tensão
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 6
FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)
A maioria dos equipamentos eletrônicos são alimentados com tensão
contínua, normalmente de 3V a 30V. Ocorre que a tensão disponível nas
tomadas de luz de nossas casas são 110V ou 220V alternada, dependendo
da localidade. Para transformar a tensão alternada disponível na tomada de
luz em tensão contínua, temos que utilizar um circuito normalmente
conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte de
alimentação. Veja a seguir o diagrama em blocos de um conversor CA-CC.
Observe que, com esta polaridade da fonte de tensão, o diodo fica
polarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte está mais próximo
do anodo. Neste caso o diodo se comportando como uma chave fechada
(diodo ideal). Com o diodo em condução, os terminais da fonte ficam ligados
diretamente aos terminais do resistor de carga (RL). Isto significa que a
tensão nos terminais do resistor será a mesma da fonte, isto é, o semiciclo
positivo da tensão da fonte aparecerá nos terminais do resistor de carga,
como mostra a figura a seguir.
1 - Transformador: Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nas
tomadas de luz (110V/220V) para níveis compatíveis com os equipamentos
eletrônicos.
2 - Retificador: Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC)
pulsante.
3 - Filtro: Converte a tensão CC pulsante vinda do retificador em contínua
CC com ondulação.
4 - Estabilizador: Tem a função de transformar a tensão CC com
ondulação em Tensão CC pura, que é a tensão utilizada pelos
equipamentos eletrônicos.
6.1 TRANSFORMADOR
Quando o semiciclo positivo termina, a tensão da fonte entra no
semiciclo negativo. Isto provoca uma inversão na polaridade da fonte, isto é,
o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo, como
mostra a figura a seguir.
Na maior parte das fontes de alimentação, o transformador abaixa o
nível da tensão de entrada para valores eficazes na faixa de 5Vef a 30Vef.
Pode ser que você veja transformadores em fontes com tensão no
secundário diferente da faixa citada aqui, só o tempo vai dizer.
6.2 RETIFICADOR
Como já foi dito, o retificador converte tensão alternada em tensão
contínua pulsante. Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ou
em ponte. O dispositivo utilizado nos retificadores é o diodo devido a sua
característica de conduzir a corrente elétrica em um sentido apenas.
6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA
O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos
da tensão de entrada é aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o
negativo, dependendo da posição do diodo. veja a seguir um circuito
retificador de meia onda.
Esta inversão na polaridade da fonte faz com que o diodo seja
polarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como uma
chave aberta. Como o diodo está aberto, não tem corrente circulando pelo
resistor. Isto faz com que a tensão em seus terminais seja nula durante todo
o semiciclo negativo. O que o diodo fez na verdade foi deixar passar para o
resistor de carga apenas o semiciclo positivo da tensão da fonte,
bloqueando o semiciclo negativo.
Nós sabemos que a fonte de tensão alternada não tem polaridade
definida, ou seja, um terminal ora é positivo ora é negativo. Vamos
convencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonte
seja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura a
seguir.
Resumindo:
Quando a tensão da fonte entra no semiciclo positivo o diodo conduz
(chave fechada) fazendo com que todo o semiciclo positivo da tensão de
entrada apareça nos terminais do resistor de carga. Durante o semiciclo
negativo o diodo não conduz (chave aberta) impedindo que o semiciclo
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
13
negativo chegue aos terminais do resistor de carga. A tensão nos terminais
do resistor de carga é chamada de contínua pulsante. Contínua porque
mantém sempre a mesma polaridade, e pulsante porque só aparece no
resistor de carga os semiciclos positivos da tensão da fonte. Vemos a seguir
os gráficos das tensões da fonte, resistor e diodo respectivamente. Observe
que o semiciclo positivo da tensão de entrada aparece no resistor de carga
e o semiciclo negativo da tensão aparece em cima do diodo.
6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc)
Se for ligado um amperímetro CC em série com o resistor de carga,
ele vai medir a corrente média na carga. Icc pode ser calculada dividindo a
tensão média no resistor de carga pela sua resistência. Como o diodo está
em série com o resistor de carga, a corrente que passa pelo resistor de
carga passa também pelo diodo. Caso este circuito seja montado na
prática, Icc servirá como referência para especificação do diodo, ou seja, a
corrente que o diodo suporta deverá ser maior que Icc. Normalmente Icc
aparece nas folhas de dados como Io.
EXEMPLOS
6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc)
Os gráficos acima podem ser visualizados com um osciloscópio, mas
como nem sempre temos um osciloscópio à mão, temos que usar outro
recurso para medir a tensão nos terminais do resistor de carga. Se um
voltímetro CC for ligado nos terminais do resistor de carga , ele vai medir a
tensão média, que nada mais é do que a média dos valores instantâneos de
tensão em cada ciclo. A fórmula a seguir pode ser usada para medir a
tensão média na carga.
Vcc = Vp / π
Vcc = Tensão média
Vp = Tensão de pico
π = pi
6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como o resistor de carga é um componente ôhmico (que obedece a
lei de Ohm), o gráfico da corrente será idêntico ao da tensão. Em outras
palavras, isto significa que a corrente no resistor de carga está em fase com
a tensão em cima dele.
14 Capítulo 6: Fonte de Alimentação
Wagner da Silva Zanco
O diodo a ser escolhido deve suportar uma corrente de no mínimo
7,71mA. Deste modo, qualquer diodo que suporte uma corrente direta maior
que 7,71mA pode ser usado, como o 1N914 suporta 200mA, ele vai
funcionar perfeitamente.
Esta regra dos 30% de margem de segurança é apenas uma
orientação, uma vez que existem projetistas que utilizam uma margem de
50%, outros até de 100%. Uma ciosa é certa, quanto maior a margem
segurança utilizada menor a probabilidade do componente apresentar
defeito. Não esqueça, porém de que margens maiores resultam em
componentes mais caros. Quem trabalha com projetos sabe que em
primeiro lugar temos de zelar pela eficácia do projeto, depois pelo custo.
Talvez R$0,10 possa não fazer diferença na compra de um componente,
mas imagine uma produção de 10.000 peças. Neste caso a diferença é de
R$1.000,00. Ao longo do nosso curso nós usaremos a margem de 30%,
por se mostrar uma boa opção na relação eficácia versus custo.
Vamos usar a mesma margem de 30% de segurança para o
dimensionamento do diodo quanto a tensão de ruptura, ou seja, uma vez
calculada a tensão de pico inversa, faça com este valor (Vpi) seja 70% do
valor da tensão de ruptura do diodo. No exemplo acima, a tensão de pico
inversa no diodo será igual a tensão de pico no secundário do
transformador
Vpi = Vp(sec) = 16,97V
6.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)
Quando a tensão de entrada está no semiciclo negativo o diodo está
bloqueado, e isso faz com que todo o semiciclo negativo da tensão de
entrada apareça em cima do diodo, como mostra o exemplo acima. Quando
a tensão da fonte atinge o valor de pico negativo (-Vp), o mesmo acontece
com a tensão em cima do diodo. Esta tensão é chamada de tensão de pico
inversa, que pode ser definida como a máxima tensão reversa no diodo em
funcionamento. Nós sabemos que todo diodo suporta um valor máximo de
tensão reversa, chamada de tensão de ruptura. A tensão de ruptura
suportada pelo diodo tem que ser maior que a tensão de pico inversa. O
diodo 1N914 pode ser usado no circuito acima, pois o mesmo tem uma
tensão de ruptura de 75V, muito maior que os 20V de tensão de pico
inversa que ele terá sobre ele no circuito em funcionamento.
16,97 = 70%
X = 100%
X = 24,24V
Qualquer diodo com uma tensão de ruptura maior que 24,24V pode
ser usado no circuito acima. Como o diodo 1N914 tem uma tensão de
ruptura de 75V, o mesmo pode ser usado sem problemas.
EXERCÍCIOS
1) dado o circuito abaixo, calcule:
- considere o diodo ideal
a) Vcc = ?
b) Icc = ?
c) Vef(sec) = ?
d) Vp(sec) = ?
e) Gráficos Vr, Vd e I = ?
2) Faça o gráfico de tensão no resistor de carga?
O diodo 1N914 poderia ser usado neste circuito, pois a corrente
média que irá passar por ele no circuito em funcionamento é de 5,4mA,
sendo que ele suporta 200mA. Uma boa regra para dimensionamento do
diodo é usar uma margem de 30%, ou seja, faça com que o valor Icc em
funcionamento seja 70% do valor nominal de corrente do doido. Neste caso:
3) Porque o retificador de meia onda tem este nome?
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
15
4) Dado o circuito abaixo, calcule as especificações de corrente direta (Io) e
tensão de ruptura (Vr) para o diodo?
- Considere o diodo real
- Use a margem de segurança de 30%
5) Se no circuito acima o diodo entrar em curto permanente, como ficará o
gráfico de tensão no resistor de carga?
16 Capítulo 6: Fonte de Alimentação
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 7
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL
O transformador com derivação central possui uma derivação na
metade do enrolamento secundário fazendo com que o enrolamento
secundário seja divido em dois: enrolamento secundário superior e
enrolamento secundário inferior.
Se medirmos a tensão em cada enrolamento secundário com um
osciloscópio tomando como referência a derivação central, veremos a figura
2A no semiciclo positivo, e a figura 2B no semiciclo negativo da tensão de
entrada.
Vemos a seguir o diagrama de tempo completo das tensões nos
enrolamentos secundário, secundário superior e secundário inferior.
Quando aplicamos uma tensão alternada no enrolamento primário
do transformador (trafo), e a tensão no enrolamento secundário está em
fase, as polaridades das tensões no primário e no secundário serão como
mostradas na figura 1A quando a tensão de entrada estiver no semiciclo
positivo.
Observe a derivação central. Para o enrolamento secundário
superior sua polaridade é negativa, mas para o enrolamento secundário
inferior sua polaridade é positiva durante o semiciclo positivo de tensão de
entrada, como mostra a figura 1B.
V1 = tensão no enrolamento secundário superior
V2 = tensão no enrolamento secundário inferior
7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Vemos a seguir um retificador de onda completa. Observe que o
circuito aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada. Durante o
semiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tensão do
enrolamento superior apareça em cima do resistor de carga RL. Durante o
semiciclo negativo da tensão de entrada D2 conduz fazendo com que
apareça no resistor de carga toda a tensão do enrolamento inferior.
No semiciclo negativo da tensão de entrada a polaridade da tensão
se inverterá, ou seja, quem é positivo passa a ser negativo e vice-versa,
como mostra a figura 1C.
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
17
7.3 SEMICICLO POSITIVO
Observe na figura 3A as polaridades da tensão nos enrolamentos
superior e inferior. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima
do anodo de D1, ele fica polarizado diretamente durante todo o semiciclo
positivo, comportando-se como uma chave fechada, como mostra a figura
3B. Como D1 é um curto, a tensão do enrolamento superior é aplicado
diretamente aos terminais de RL com a polaridade mostrada. Isto significa
que durante o semiciclo positivo de tensão de entrada aparece nos
terminais da carga um semiciclo positivo.
Durante o semiciclo positivo D2 fica polarizado reversamente, de
modo que não circula corrente no enrolamento inferior durante este
semiciclo de tensão de entrada.
7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA
7.4 SEMICICLO NEGATIVO
No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das
tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com
que D1 fique polarizado reversamente e D2 diretamente, como mostra a
figura 4A. Com D2 em condução, a tensão no enrolamento inferior aparece
nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igual
à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um
novo semiciclo positivo em RL. Como D1 está polarizado reversamente,
não circula corrente no enrolamento superior durante o semiciclo negativo
de tensão de entrada.
Uma observação importante a fazer sobre a tensão no resistor de
carga é com relação a sua freqüência, que é o dobro da freqüência da
tensão de entrada. Observe na figura 5 que para cada ciclo de tensão de
entrada aparece dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada
semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída.
Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na
carga será 120Hz.
7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto
significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de
carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da
tensão.
A seguir vemos os gráficos das tensões no enrolamento secundário,
nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da
tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado
de retificador de onda completa.
7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
A figura 5 mostra a forma da tensão que veremos se colocarmos um
osciloscópio em cima do resistor de carga, que é uma tensão contínua
pulsante. Se ao invés de um osciloscópio, colocarmos um voltímetro CC em
paralelo com o resistor de carga, como mostra a figura a seguir, mediremos
a tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas
sem alteração, ou seja, funciona da mesma forma.
18 Capítulo 6: Fonte de Alimentação
Wagner da Silva Zanco
7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA
Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador de
onda completa durante o semiciclo positivo da tensão de entrada. Observe
que D1 está polarizado diretamente e D2 polarizado reversamente. O
circuito foi redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma
chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento
secundário aparece nos terminais de D2.
A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no
retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média
no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no
retificador de meia onda. É simples chegar a esta conclusão visto que o
retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de
entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.
Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de
pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja,
VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa
em D2 é o valor de pico da tensão no secundário.
VPI = Vp(sec)
VPI = tensão de pico inversa
Vp(sec) = tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário
7.8 CORRENTE MÉDIA
Se um amperímetro CC for colocado em série com a carga ele irá
medir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.
A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na
carga (Icc).
O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da
tensão de entrada. Veja agora que D1 está polarizado reversamente e D2
polarizado diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge o
valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodo D1. Portanto, a
fórmula acima é válida para os dois diodos.
Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração
o diodo como sendo ideal. Veja a seguir as mesmas fórmulas levando em
consideração o diodo como sendo real.
VP(res) = (Vp(sec) /2) – 0,7
Vcc = (2 . VP(res) ) / π
Icc = Vcc / RL
Ip(res) = VP(res) / RL
Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um
semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a
corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga,
como mostra a fórmula a seguir.
VPI = Vp(sec) - 0,7
No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo
deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode
ser usada sem problemas.
Ao projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que
cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30%
de tolerância poder ser usada como referência, embora possamos usar um
valor de tolerância maior, nunca menor.
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 6: Fonte de Alimentação
19
EXERCÍCIOS
1)
Dado o circuito abaixo, calcule:
Obs – diodo ideal
a)
b)
c)
d)
Tesão média na carga (Vcc)?
Corrente média na carga (Icc)?
Tensão de pico inverso (VPI) ?
Gráfico da tensão no resistor de carga?
2)
Repita os calculas da questão nº 1 considerando o diodo real.
3)
Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda
completa com relação ao retificador de meia onda?
4)
Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador?
5)
Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser
colocado no primário do transformador, usando a corrente
calculada na questão anterior como base de cálculo?
6)
Qual a forma de onda de tensão e da corrente na carga no
circuito a seguir?
7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 300mA e
o trafo tem uma tensão no secundário de 12V, especifique os valores
nominais mínimos de corrente direta e de tensão de pico inversa para cada
diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerância?
20 Capítulo 6: Fonte de Alimentação
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 8
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM
PONTE
O retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e não
necessita de transformador com derivação central. Como o circuito é um
retificador de onda completa, os dois ciclos de tensão de entrada são
aproveitados. Uma vantagem do retificador em ponte com relação ao
retificador de onda completa com dois diodos é que no primeiro toda a
tensão do enrolamento secundário é aproveitada, enquanto que, no outro,
apenas a metade da tensão no secundário chega aos terminais da carga. A
figura a seguir mostra um retificador em ponte.
8.1 SEMICICLO POSITIVO
Observe na figura 2a a polaridade da tensão no enrolamento
secundário. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima do
anodo de D1 e a polaridade negativa mais próxima do catodo de D3, ambos
estão polarizados diretamente. Observe ainda na fig 2a que a polaridade
positiva da tensão no enrolamento secundário está mais próxima do catodo
de D4 e a polaridade negativa está mais próxima do anodo de D2, fazendo
com que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. A fig 2b
mostra o circuito com os diodos representados como chaves(diodo ideal).
Veja que D1 e D3 estão fechados(polarização direta) e D2 e D4 estão
abertos(polarização reversa). A condução de D1 e D3 faz com que os
terminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais do
enrolamento secundário, fazendo com que todo o semiciclo positivo de
tensão no secundário seja aplicado aos terminais do resistor de carga com
a polaridade mostrada.
8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA
Observe na figura 4 que para cada ciclo de tensão de entrada
aparecem dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada
semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída.
Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na
carga será 120Hz, ou seja, a freqüência no resistor de carga é o dobro da
freqüência da tensão de entrada.
8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA
Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto
significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de
carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da
tensão.
8.2 SEMICICLO NEGATIVO
No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das
tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com
que D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente,
como mostra a figura 3a. Com D2 e D4 em condução, toda a tensão do
enrolamento secundário aparece nos terminais da carga. Observe que a
polaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante o
semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL.
8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA
Se um voltímetro CC for ligado em paralelo com o resistor de carga
como mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc).
Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração no circuito, ou
seja, funciona da mesma forma.
A seguir vemos os gráficos das tensões no nrolamento secundário,
nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da
tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado
de retificador de onda completa.
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte
21
redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechada
e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparece
nos terminais de D2. O mesmo raciocínio podemos usar para D3 e D4.
A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no
retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média
no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no
retificador de meia onda. É simples chegar a esta conclusão, visto que o
retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de
entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.
Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de
pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja,
VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa
em D2 é o valor de pico da tensão no secundário. O mesmo ocorre com D4,
ou seja, VD4 = Vp(sec) quando a tensão no secundário chega ao valor
máximo.
VPI = Vp(sec)
VPI = tensão de pico inversa
Vp(sec) = tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário
8.6 CORRENTE MÉDIA
Se um amperímetro CC for ligado em série com a carga ele irá medir
a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.
O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da
tensão de entrada. Veja que agora D1e D3 estão polarizados reversamente
e D2 e D4 polarizados diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo
atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodos D1 e D3.
Portanto, a fórmula acima é válida para os quatro diodos.
A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na
carga (Icc).
Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração
o diodo como sendo ideal, veja a seguir as mesmas fórmulas levando em
consideração o diodo como sendo real.
VP(res) = Vp(sec) – 1,4V
Vcc = (2 . VP(res) ) / π
Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um
semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a
corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga,
como mostra a fórmula a seguir.
Icc = Vcc / RL
Ip(res) = VP(res) / RL
VPI = Vp(sec) - 0,7
No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo
deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode
ser usada sem problemas.
8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS
Se você for projetar um retificador de onda completa, a corrente
direta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A
regra dos 30% de tolerância poder ser usada como referência, embora você
possa usar um valor de tolerância maior, nunca menor.
8.7 TENSÃO DE PICO INVERSA
Os retificadores em ponte São tão comuns que os fabricantes
lançaram vários modelos de retificadores em ponte montados em um
encapsulamento de plástico selado. Veja a seguir algumas formas de
pontes retificadoras encontradas no mercado. Cada diodo que compõe a
ponte possui uma corrente direta máxima e uma tensão que pico inversa
máxima que é especificado pelo fabricante quando a ponte é fabricada. Por
exemplo, a ponte retificadora 3N246, fabricada pela Fairchild, suporta uma
corrente direta máxima de 1,5 A e uma tensão de pico inversa de 50V. Estes
parâmetros são válidos para cada diodo que faz parte da ponte.
Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador em
ponte durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, D1e D3 estão
polarizados diretamente e D2 e D4 polarizados reversamente. O circuito foi
22 Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte
Wagner da Silva Zanco
EXERCÍCIOS
1)
Dado o circuito abaixo, calcule:
Obs – diodo ideal
a)
b)
c)
d)
Tesão média na carga (Vcc)?
Corrente média na carga (Icc)?
Tensão de pico inverso (VPI) ?
Gráfico da tensão no resistor de carga?
2)
Repita os cálculos da questão nº 1 considerando o diodo real.
3)
Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda
completa em ponte com relação ao retificador de onda
completa com trafo com derivação central ?
4)
Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador
no circuito da questão 1?
5)
Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser
colocado no primário do transformador, usando a corrente
calculada na questão anterior como base de cálculo?
6)
Qual a forma de onda de tensão e corrente na carga no circuito
a seguir?
7)
No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 200mA
e se o trafo tem uma tensão no secundário de 15Vrms,
especifique os valores nominais mínimos de corrente direta e
de tensão de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra
dos 30% de tolerância?
8)
Qual a freqüência da tensão na carga ligada na saída de um
retificador em ponte se a freqüência da tensão de entrada é de
100Hz?
Wagner da Silva Zanco
Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte
23
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 9
FILTRO CAPACITIVO
9.1 CAPACITOR
O capacitor é um dispositivo elétrico constituído de duas placas
condutoras separadas por um material isolante, normalmente chamado de
dielétrico. A principal característica de um capacitor é a de armazenar
Quando a chave é colocada na posição A, os terminais do capacitor
ficarão ligados diretamente aos terminais da fonte, fazendo com que o
mesmo se carregue com a tensão da fonte e com a mesma polaridade,
como mostra a fig 2.
O tempo que o capacitor leva para atingir a tensão da fonte durante
a carga pode ser aumentado se um resistor for colocado em série com o
capacitor. Como não tem resistor em série com o capacitor durante a carga,
o mesmo se carrega com a tensão da fonte imediatamente após chave ser
colocada na posição A.
cargas elétricas. Esta característica está associada a sua capacitância,
que é a capacidade que tem o capacitor em armazenar cargas elétricas.
Quanto maior a capacitância do capacitor, maior a sua capacidade em
armazenar cargas elétricas. A unidade de cacitância é o Farad (F).
9.2 SÍMBOLOS
Se após o capacitor estar carregado com a tensão da fonte a chave
for colocada novamente na posição 0, o capacitor irá manter-se carregado
por tempo indeterminado, como mostra a fig 3.
9.3 TIPOS DE CAPACITORES
Os capacitores comerciais são denominados de acordo com o seu
dielétrico. Os capacitores mais comuns são os de ar, mica, papel, cerâmica,
poliester e eletrolítico. O capacitor utilizado em fontes de alimentação como
filtro capacitivo é o eletrolítico. O capacitor eletrolítico possui polaridade, ou
seja, ele só pode se carregar num único sentido. A polaridade vem impressa
em seu corpo. Na figura a seguir vemos o símbolo de um capacitor
eletrolítico de 220µF. Observe as polaridades. Isto significa que o capacitor
só pode se carregar com a polaridade mostrada, ou seja, a placa superior
só pode se carregar com cargas positivas e a placa inferior com cargas
negativas.
9.4 CARGA E DESCARGA
Na figura a seguir temos um circuito que podemos usar para
demonstrar o funcionamento do capacitor. Suponha que o capacitor esteja
completamente descarregado e a chave esteja posicionada na posição 0.
Como o capacitor está descarregado, a DDP em seus terminais é zero.
24 Capítulo 9: Filtro Capacitivo
Se a chave agora for colocada na posição B, como mostra a Fig 4, o
capacitor ira se descarregar em cima do resistor. No instante em que o
circuito de descarga for fechado, os elétrons em excesso na placa inferior
irão fluir para a placa superior com o objetivo de restabelecer o equilíbrio, ou
seja, as duas placas voltarem a estar neutras. Este fluxo de elétrons é
chamado de corrente de descarga(ID). Quando todos os elétrons em
excesso na placa inferior voltarem para a placa de origem(superior) a
corrente de descarga cessará, o que significa que o capacitor estará
descarregado, ou seja, não haverá mais DDP entres as placas do capacitor.
Observe que enquanto o capacitor está se descarregando ele
funciona como se fosse uma fonte de tensão temporária, fornecendo
corrente ao resistor. Esta é uma idéia importante de se fixar porque ela será
usada quando formos estudar fonte de tensão com filtro capacitivo.
Assim como na carga, o tempo de descarga pode ser alterado se o
resistor for substituído por outro de valor diferente. Quanto maior o valor do
resistor de descarga, maior o tempo que o capacitor leva para se
descarregar.
Wagner da Silva Zanco
Sem o capacitor
Veja a seguir o gráfico de tempo de descarga do capacitor. Este é
um gráfico da tensão nos terminais do capacitor em função do tempo. Após
cinco constantes de tempo (T = 5.R.C), o capacitor estará com 0,7% da
tensão inicial que é 10V. Este valor de tensão é tão próximo de zero que
normalmente, para efeito prático, nós consideramos o capacitor
descarregado após cinco constantes de tempo.
Com o capacitor
9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR
9.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA
A ondulação que observamos na tensão de saída com o capacitor
no circuito existe porque o capacitor fica se carregando e descarregando
durante cada ciclo de tensão de entrada. Vamos analisar nesta seção como
isto acontece.
No primeiro semiciclo positivo de tensão no secundário, o diodo
conduz e liga os terminais do capacitor diretamente aos extremos do
enrolamento secundário. Durante a primeira metade do semiciclo positivo, a
tensão no secundário vai aumentando até atingir o pico positivo,
acontecendo o mesmo com a tensão no capacitor. A figura a seguir mostra
o capacitor carregado. Observe que a tensão no capacitor tem a mesma
polaridade da tensão no secundário. Se o diodo for considerado ideal,
quando a tensão no secundário atingir o pico positivo, a tensão no capacitor
também será igual à Vp.
Quando um capacitor é projetado o fabricante especifica um valor
máximo de tensão que o mesmo pode ter em seus terminais. Esta tensão é
chamada de rigidez dielétrica. Se o capacitor se carrega com uma tensão
acima do valor especificado pelo fabricante, o capacitor se danifica. Por
exemplo, um capacitor de 220µF/25V não pode ter em seus terminais uma
tensão maior que 25V. Caso você vá usar este capacitor em algum circuito,
certifique-se de que sob quaisquer condições de funcionamento, ele não irá
se carregar com uma tensão maior que 25V.
9.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE
Toda vez que tivermos duas fontes de tensão ligadas em série na
forma como está mostrado na Fig 6a, ou seja, o pólo positivo ligado ao
negativo e vice versa, a tensão equivalente entre os pontos A e B será a
soma das tensões de cada fonte. Neste caso dizemos que as fontes tem a
mesma polaridade. Por outro lado, se as fontes estiverem ligadas em série
e com polaridades opostas, ou seja, pólo positivo ligado com o pólo positivo
ou vice-versa, como mostra a Fig 6b, a tensão equivalente entre os pontos
A e B será a diferença entre as tensões de cada fonte, prevalecendo a
polaridade da fonte maior.
9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO
Nos podemos transformar a tensão contínua pulsante presente na
saída de um retificador numa tensão contínua com ondulação se
colocarmos um capacitor em paralelo com a carga, como mostram as
figuras a seguir.
Wagner da Silva Zanco
Logo depois que a tensão no secundário atinge o valor de pico ela
começa a diminuir, e o diodo então para de conduzir. Porque?
Observe que a tensão que chega nos terminais do diodo é a
diferença entre as tensões no secundário do transformador e no capacitor,
devidos as suas polaridades. Quando a tensão no secundário começa a
diminuir após o pico positivo, a tensão no capacitor se torna ligeiramente
maior que a tensão no secundário porque a tensão no mesmo não diminui
na mesma velocidade. Isto que faz com que prevaleça a polaridade da
tensão no capacitor, o que polariza o diodo reversamente, como mostra a
figura a seguir.
Com o diodo polarizado reversamente, o capacitor começa a se
descarregar em cima do resistor de carga, o que faz com que a tensão em
seus terminais comece a diminuir, como mostra a figura a seguir.
Capítulo 9: Filtro Capacitivo
25
Quando a tensão de entrada entra no semiciclo negativo, a
polaridade da tensão no secundário se inverte, fazendo com que o diodo
fique mais reversamente polarizado, visto que a tensão em seus terminais
agora é a soma das tensões do secundário e no capacitor. Quando a
tensão no secundário atinge o pico negativo, o diodo terá em seus
terminais aproximadamente 2.Vp(sec)(duas vezes a tensão de pico no
secundário). Esta é a máxima tensão que o diodo terá em seus
terminais quando polarizado reversamente.
No próximo semiciclo positivo, a polaridade da tensão no secundário
do transformador volta a inverter. Agora temos a tensão no secundário do
transformador aumentando, e a tensão no capacitor diminuindo devido à
descarga. Chegará um momento que a tensão no secundário do
transformador irá ultrapassar a tensão no capacitor. Isso fará com que o
diodo volte a conduzir, ligando os terminais do capacitor aos extremos do
enrolamento secundário, fazendo com que o capacitor torne a se carregar
até atingir o valor de pico. Quando a tensão no secundário do transformador
ultrapassa o pico positivo, o diodo abre novamente e o capacitor volta a se
descarregar em cima do resistor de carga, dando início a um ciclo de carga
e descarga até que o circuito seja desligado.
Para que o circuito funcione corretamente da forma como foi
descrita, a constante de tempo(T= RL.C) deve ser pelo menos dez
vezes maior que o período da tensão de entrada. Isto garante que o
tempo de descarga seja muito maior que o tempo de carga, condição
que deve ser satisfeita para que o diodo pare de conduzir logo após o
pico positivo.
Observe que no retificador de onda completa a ondulação é bem
menor. Os dois semiciclos são aproveitados e, em conseqüência disto, o
capacitor se descarrega durante um intervalo de tempo duas vezes menor,
o que significa que a ondulação é duas vezes menor. A seguir vemos a
fórmula para calcular a tensão de ondulação de pico a pico( Vpp(ond)) no
capacitor de filtro.
A freqüência de ondulação é igual à freqüência de entrada se o
retificador for de meia onda, e o dobro da freqüência de entrada se for de
onda completa. O gráfico a seguir mostra a tensão ondulada na carga com
todas as indicações importantes.
O tempo de carga(TC) é o tempo durante o qual o diodo se mantém
em condução, fazendo com que o capacitor recupere sua carga. O tempo
de descarga(TD) é o tempo em que o diodo se mantém aberto, fazendo
com que o capacitor se descarregue em cima do resistor de carga. A
ondulação de pico a pico é a diferença entre a tensão máxima(Vp(res)) e a
tensão mínima(Vmin) na carga. Num projeto prático esta ondulação deve
ficar abaixo dos 10% do valor máximo de tensão na carga(Vp(res)). Por
exemplo, se VP=15V, Vpp(ond) não deve ser maior que 1,5V.
É importante observar que o diodo só conduz durante uma parte do
semiciclo positivo, período em que o capacitor recupera sua carga. Quanto
maior o resistor de carga menor a ondulação da tensão na carga. Uma outra
forma de reduzir a ondulação é usarmos um retificador de onda completa ao
invés de um retificador de meia onda, como mostra a figura a seguir.
26 Capítulo 9: Filtro Capacitivo
Wagner da Silva Zanco
Exemplo:
Se o retificador for de meia onda, a especificação de corrente do
diodo tem de ser maior que a corrente média na carga.
Dado o circuito a seguir, calcule a ondulação de pico a pico na
carga?
Icc(diodo) > Icc
Se o retificador for de onda completa, cada diodo só conduz durante
um semiciclo da tensão de entrada, isto significa que a especificação do
diodo tem que ser maior que a metade de Icc.
Icc(diodo) > Icc / 2
Para projeto, uma tolerância de no mínimo 30% deve ser utilizada
para a escolha do diodo, ou seja, o diodo deve suportar uma corrente direta
de no mínimo 30% acima do valor de Icc se o retificador for de meia onda, e
de no mínimo 30% acima de Icc/2 se o retificador for de onda completa.
9.11 TENSÃO DE PICO INVERSA
Observe que a tensão de ondulação de pico a pico está abaixo de
10% da tensão máxima na carga, isto significa que o capacitor foi
especificado corretamente. Veja a seguir o gráfico da tensão na carga.
Como já visto anteriormente, o diodo do retificador de meia onda
com filtro capacitivo tem uma tensão máxima reversa de 2Vp em seus
terminais quando a tensão no secundário atinge o pico negativo. A figura a
seguir ilustra o evento. Observe que o capacitor também tem em seus
terminais Vp. A tensão que chega nos terminais do diodo é dada pela
somas das tensões no capacitor e no enrolamento secundário devido as
suas polaridades, por isso aparece nos terminais do diodo 2Vp. No
retificador de meia onda o diodo deve suportar uma tensão reversa maior
que 2Vp no secundário.
9.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc)
O capacitor de filtro eleva o nível CC da tensão na carga. Quanto
maior o resistor de carga menor a ondulação. As vezes nós consideramos a
tensão média na carga (Vcc) aproximadamente igual ao valor máximo de
tensão na carga(Vp(res)) quando o resistor de carga tem um valor muito alto.
Porém, se desejarmos obter um valor mais preciso de Vcc podemos usar a
fórmula a seguir.
Vcc = Vp(res) – (Vpp(ond) / 2)
VPI = 2Vp(sec)
Nos retificadores de onda completa e em ponte a tensão reversa
máxima que cada diodo tem em seus terminais ocorre quando a tensão no
secundário atinge os picos e é igual a Vp(sec). Nestes casos o capacitor não
influencia na tensão de pico inversa como no retificador de meia onda.
Neste caso:
VPI = Vp(sec)
EXERCÍCIOS
1)
No circuito a seguir, após S1 ser fechada, quanto tempo o
capacitor leva para se descarregar?
2)
Como é chamada a forma da tensão na carga de um retificador
com filtro capacitivo?
9.10 CORRENTE MÉDIA
Se um amperímetro CC for ligado em série com o resistor de carga
ele irá medir a corrente média na carga (Icc). Para calcularmos Icc basta
dividirmos Vcc por RL, como mostra a fórmula abaixo.
Icc = Vcc / RL
Icc = corrente média na carga
Vcc = tensão média na carga
RL = resistor de carga
Wagner da Silva Zanco
3)
O que é tensão de ondulação de pico a pico?
Capítulo 9: Filtro Capacitivo
27
4)
Qual o valor do capacitor de filtro para o circuito a seguir?
5)
Se no circuito da fig 21 o retificador for substituído por um de meia
onda, calcule o novo valor da capacitância do capacitor?
6)
Faça o gráfico da tensão de carga para o circuito da figura a
seguir, incluindo os valores máximos e mínimos, e calcule o valor
médio da tensão na carga?
7)
O que é rigidez dielétrica?
8)
Calcule as especificações de corrente direta e tensão de pico
inversa para os diodos dos circuitos das questões nos 4, 5 e 6?
28 Capítulo 9: Filtro Capacitivo
Wagner da Silva Zanco
ELETRÔNICA
GRÁFICO DO DIODO
Capítulo 10
ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO
O diodo zener é um diodo de silício cuja estrutura interna foi alterada
para permitir que ele possa trabalhar na região de ruptura. Se um diodo
comum atingir a região de ruptura ele se queima por excesso de dissipação
de potência. O mesmo não acontece com um diodo zener. Vemos a seguir
o símbolo de um diodo zener.
A figura a seguir mostra a curva característica de um típico diodo
zener. Veja que polarizado diretamente o diodo zener se comporta
exatamente como um diodo comum.
Zener
BZX79C5V1
BZV6DC12
BZW03C15
Vz
5mA
50mA
75mA
Iz
5,1V
12V
15V
O diodo zener é comumente chamado de regulador de tensão porque
mantém a tensão em seus terminais constante mesmo que a corrente que
passe por ele varie, estando o mesmo funcionando na região de ruptura.
Como já dito anteriormente, o zener precisa que a corrente que passe
por ele seja maior que Iz min para ele estabilizar a tensão em seus
terminais. Caso Iz seja menor que Iz min o zener perde a capacidade de
estabilização.
Iz min → É a corrente mínima que deve passar pelo diodo zener,
estando ele na região de ruptura, para manter o funcionamento como
estabilizador de tensão. Iz min é fornecida pelo fabricante.
O circuito a seguir mostra como utilizar o zener como estabilizador de
tensão. Desde que VT seja maior que Vz e a corrente no zener seja maior
que Iz min, o Zener manterá estabilizada a tensão em seus terminais.
Vo = Tensão estabilizada
Quando o diodo zener é polarizado reversamente ele funciona como
uma chave aberta até que a tensão em seus terminais alcance o valor de
ruptura (Vz). Uma vez atingida a região de ruptura o zener conduz
normalmente, e só se danifica se for ultrapassada a sua especificação de
potência.
Quando o zener entra na região de ruptura a sua impedância interna
é quase zero. Por isso é que sempre veremos em série com o zener um
resistor Rs que serve para limitar a corrente zener em níveis abaixo da sua
especificação máxima de corrente (Iz max). Além disso, para que o zener
estabilize a tensão de saída, a tensão de entrada deve ser maior que Vz. A
diferença entre a tensão de entrada e a tensão Vz é absorvida por Rs. A
figura a seguir ilustra a idéia.
Num diodo zener a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguido
de um aumento da corrente praticamente constante. Esta característica faz
do diodo zener um dispositivo fundamental para a estabilização da tensão.
Porém, para que o zener funcione como estabilizador de tensão é
necessário que, além de operar na ruptura, a intensidade da corrente que
estiver passando por ele (Iz) deva estar compreendida entre os valores
máximo (Iz max) e mínimo (Iz min). Se a corrente no zener for menor que Iz
min ele perde a capacidade de estabilizar a tensão. Por outro lado, se a
corrente que passa por ele for maior que Iz max o zener irá se danificar por
excesso de dissipação de calor.
10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA
A potência dissipada por um diodo zener é igual ao produto da tensão
em seus terminais pela corrente que estiver passando por ele. Em símbolos:
Se a tensão de entrada subir para 40V, a tensão nos terminais do
zener permanece praticamente constante em 12V, enquanto a tensão em
cima de Rs sobe para 28V, como mostra a figura a seguir.
Pz = Vz x Iz
PZ = Potência dissipada
Vz = Tensão zener
Iz = Corrente zener
Desde que Pz seja menor que a sua especificação máxima de
potência, o zener pode funcionar na região de ruptura sem ser destruído.
Existe no mercado zeners com tensões de ruptura que pode variar de
2V a mais de 200V, com especificação de potência de 1/4 W a mais de
50W. A tabela a seguir mostra alguns modelos de zeners encontrados no
mercado, com as suas respectivas tensões de funcionamento e corrente
máxima reversa.
Wagner da Silva Zanco
Veja que a tensão em Rs é a diferença entre a tensão de entrada e a
tensão no zener.
Capítulo 10: Estabilização da Tensão
29
EXERCÍCIO:
1) Dado o circuito a seguir, e sabendo que a tensão de entrada varia entre
20V e 40V, determine as correntes mínima e máxima que irão passar pelo
diodo zener.
Com o tempo o zener foi substituído nas fontes de alimentação
lineares por um circuito integrado chamado CI regulador. Uma das
vantagens da utilização de um CI regulador no lugar do zener é a potência
máxima de saída, que pode ser muito maior com a utilização de um CI
regulador do que com um diodo zener.
Colocando os valores calculados no gráfico do zener nós teremos:
10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR
Existe no mercado uma série de CIs reguladores de tensão que
podem ser utilizados em conversores CA-CC como elemento de
estabilização da tensão de saída. A figura a seguir mostra o CI regulador
7805 utilizado para fornecer uma tensão de saída estabilizada na saída da
fonte de tensão de 5V. O capacitor de 100nF na saída do CI regulador é
para eliminar pequenas variações de tensão na saída que por ventura não o
CI regulador não consiga eliminar.
Veja que a corrente no zener aumentou de 8mA para 28mA, porém, a
tensão em seus terminais permaneceu constante. Este é um dos motivos
pelo qual o diodo zener é amplamente utilizado como estabilizador de
tensão.
Um resistor de carga pode ser conectado aos terminais do zener
dispondo da tensão constante fornecida pelo zener. A figura a seguir ilustra
a idéia. Embora o circuito tenha duas malhas, a idéia permanece a mesma.
Os CIs reguladores mais utilizados são os das famílias 78XX e 79XX.
Estes CIs reguladores são estabilizadores de tensão com limitação interna
de corrente e compensação de temperatura, e podem fornecer vários níveis
de tensão de saída. A diferença entre eles é que os da família 78XX
fornecem tensão de saída positiva, e os da família 79XX fornecem tensão
de saída negativa. A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da
família 78XX, suas respectivas tensões de saída e corrente máxima de
trabalho.
CI
7805
7806
7808
7809
7812
7815
7818
7824
Tensão de Saída
5V
6V
8V
9V
12V
15V
18V
24V
Corrente de Saída
1A
1A
1A
1A
1A
1A
1A
1A
A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da família 79XX,
suas respectivas tensões de saída e corrente máxima de trabalho.
2) Calcule as correntes máxima e mínima no zener colocando um resistor
de carga de 2K nos terminais de saída no circuito do exercício nº 1.
10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER
A figura a seguir mostra um circuito que foi muito utilizado no passado
para fornecer tensão estabilizada. Veja que a tensão com ondulação
presente nos terminais do capacitor é estabilizada pelo conjunto Zener e Rs.
Para que circuito funcione corretamente é preciso que sejam
observadas todas as questões abordadas anteriormente neste capítulo.
Principalmente com relação a tensão de ruptura e a corrente zener.
30 Capítulo 10: Estabilização da Tensão
CI
7905
7906
7908
7909
7912
7915
7918
7924
Tensão de Saída
-5V
-6V
-8V
-9V
-12V
-15V
-18V
-24V
Corrente de Saída
1A
1A
1A
1A
1A
1A
1A
1A
Um cuidado deve ser tomado no uso de CIs reguladores. A tensão de
entrada dever ser de pelo menos 3V maior que a tensão de saída fornecida
pelo componente. Por exemplo, se você for utilizar o CI 7805 na sua fonte
de alimentação, certifique-se de que na entrada dele não tenha menos de
8V sob quaisquer condições de funcionamento. Ao especificar o valor do
capacitor de filtro e os parâmetros do transformador, mantenha a tensão
mínima de ondulação acima de 8V.
A figura a seguir mostra um CI regulador no encapsulamento TO-220,
encontrado com muita facilidade no mercado a um custo muito baixo.
Wagner da Silva Zanco
C = 200m / (120 x 1,55)
C = 1075µF
O valor comercial mais próximo é 1000µF. Observe que este valor é
um pouco menor que o calculado. Isto fará com que a ondulação seja
levemente superior a 10%, o que não provocará nenhum prejuízo para o
bom funcionamento do circuito.
Vemos a seguir uma tabela com a função dos pinos dos CIs
reguladores das famílias 78XX e 79XX.
78XX
Pino
1
2
3
O capacitor terá em seus terminais uma tensão máxima de 15,5V,
quando a tensão no enrolamento secundário atingir os picos. Neste caso, a
rigidez dielétrica (RD(cap)) dele, utilizando uma tolerância de 30%, deverá ser
de:
RD(cap) = (15,5 x 100) / 70
79XX
Função
Entrada
Comum
Saída
Pino
1
2
3
Função
Comum
Entrada
Saída
Exemplo 1:
RD(cap) = 22,1V
Para que o capacitor funcione corretamente ele deve suportar uma
tensão de trabalho maior que 22,1V. O valor mais próximo é 25V. Sendo
assim, o capacitor especificado para este projeto será de 1000µF/25V. A
figura a seguir mostra o diagrama esquemático de parte da fonte.
Projeto de uma fonte estabilizada de 5 V/200mA com CI regulador
7805, para uma tensão de entrada de 127/220Vef.
Trafo:
A tensão no secundário do trafo deve ser escolhida de forma que a
tensão em cima do capacitor de filtro não caia abaixo de 8V sob quaisquer
condições de funcionamento. 8V é a tensão mínima a ser aplicada no CI
regulador 7805 para que ele não perca a capacidade de regulação da
tensão de saída.
Os valores de tensão eficaz no secundário dos transformadores
comerciais mais facilmente encontrados no mercado são: 3V, 6V, 9V, 12V,
15V, 18V, 24V, e 30V. Na maioria das vezes os transformadores comerciais
são projetados para operar com tensões eficazes no primário de 127V e
220V.
A figura a seguir mostra o gráfico da tensão no capacitor com os
valores máximo e mínimo da tensão de ondulação.
Vamos escolher, para este projeto, o trafo 127Vef/12Vef e 500mA de
capacidade de corrente no secundário, uma vez que a corrente máxima que
esta fonte deverá fornecer é de 200mA, como especificação inicial. Neste
caso, a tensão de pico no secundário será de:
Vp(sec) = Vef x √2
Vp(sec) = 12 x √2 = 16,9V
Capacitor:
Diodos:
Vamos optar por um retificador em ponte, uma vez que ele não
precisa de um trafo com derivação central. Neste caso, as tensões máxima
e mínima no capacitor de filtro serão de:
Vp(cap) = Vp(sec) – 1,4
Vp(cap) = 16,9 – 1,4 = 15,5V
Adotando uma ondulação de 10% de Vp(cap) para a tensão na entrada
do CI regulador, nós teremos:
Vond(pp) = 15,5 / 10
Vond(pp) = 1,55V
A tensão mínima nos terminais do capacitor e, conseqüentemente, do
CI 7805, será de:
Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)
Vmin(cap) = 15,57 – 1,55 = 14,02V
Veja que a tensão mínima no capacitor é de 14,02V. Esta é a tensão
mínima que será aplicada na entrada do CI regulador. Muito maior do que
os 8V mínimos necessários. O valor do capacitor será de:
C = Icc / (F(saída) x Vond(pp) )
Wagner da Silva Zanco
Como o retificador em ponte foi o escolhido para o projeto, a corrente
média que passará em cada diodo será a metade da corrente média na
carga. Neste caso:
Icc(diodo) = Icc / 2
Icc(diodo) = 200m / 2 = 100mA.
Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima que
cada diodo deverá suportar será de:
Icc(diodo) = (100m x100) / 70
Icc(diodo) = 142,85mA
A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais no
semiciclo em que ele não estiver conduzindo será de:
VPI = Vp(sec) - 0,7V
VPI = 16,9 – 0,7 = 16,2V
Utilizando a tolerância de 30% teremos:
VPI = (16,2 x 100) / 70
VPI = 23,1V
Capítulo 10: Estabilização da Tensão
31
O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponte
retificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e uma
tensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC é
mostrado na figura a seguir.
1º - Manter a tensão no secundário do transformador em 12Vef e
aumentar a tensão de ondulação de pico a pico para uma taxa acima de
10% de Vp(cap). Esta, porém, não é uma opção recomendada.
2º - Aumentar a tensão no secundário do transformador. Com isso
nós podemos aumentar Vond(pp) sem ultrapassar os 10% de Vp(cap). Esta é a
opção recomendada.
Vamos redimensionar o transformador para uma tensão no
secundário de 15Vef, ao invés de 12Vef e ver se o problema será resolvido.
Neste caso, o novo valor do capacitor de filtro será:
Exemplo 2:
Vp(sec) = Vef x √2
Vamos redimensionar a fonte de alimentação projetada no exemplo 1
de forma a ampliar a sua capacidade de fornecimento de corrente para
500mA, mantendo os 5V de tensão de saída.
Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V
----------------------------------------Vp(cap) = Vp(sec) – 1,4
Em primeiro lugar temos de olhar para o transformador e ver se ele
se adapta ao novo valor de corrente de saída. É recomendado que
deixemos uma margem de segurança de pelo menos 30%. Neste caso, a
corrente máxima no secundário passa a ser de:
Vp(cap) = 21,21 – 1,4 = 19,8V
----------------------------------------Vond(pp) = 19,8 / 10
IMAX(sec) = (500m x 100) / 70
IMAX(sec) = 714,28mA
Vond(pp) = 1,98V
--------------------------------------Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)
O valor comercial mais próximo é de 1A. Vamos então optar por um
transformador de 127V/220V / 12V – 1A.
Vmin(cap) = 19,8 – 1,98 = 17,82V
---------------------------------------C = 500m / (120 x 1,98)
Vamos, no entanto, manter os 12Vef de tensão no secundário e ver
se este valor se adapta aos novos parâmetros da fonte.
C = 2104µF
Capacitor:
O novo valor do capacitor de filtro será:
Veja que o problema foi resolvido. O capacitor agora tem uma
capacitância de 2104µF, menos que os 2200µF máximo recomendado. A
rigidez dielétrica do capacitor agora será:
C = 500m / (120 x 1,55)
RD(cap) = (Vp(cap) x 100) / 70
C = 2688µF
RD(cap) = (19,8 x 100) / 70 = 28,28V
Temos um problema aqui. Não é recomendada a utilização de
capacitores acima de 2200µF neste tipo de fonte de tensão. Capacitores
com capacitância muito elevada levam mais tempo para se carregar.
Dependendo do valor instantâneo da tensão de entrada na hora em que a
fonte é ligada, a corrente nos diodos retificadores pode atingir valores acima
da sua capacidade máxima, uma vez que um capacitor descarregado se
comporta como um curto. Neste caso, a única resistência que irá limitar a
corrente de carga do capacitor é a resistência interna do enrolamento
secundário somada a resistência interna dos diodos que estiverem em
condução no momento. O pior caso acontece quando a fonte for ligada no
momento em que o valor instantâneo da tensão de entrada estiver no valor
de pico. A corrente mencionada neste parágrafo é identificada nos
datasheets como corrente de surto (IFSM). O diodo 1N4001 possui uma
corrente de surto de 30A. Isto significa que ele pode suportar, no momento
em que a fonte é ligada, uma corrente de 30A durante um ciclo de tensão
de entrada sem ser danificado.
Nos casos em que a corrente de surto ultrapassa a corrente IFSM do
diodo utilizado como retificador, é recomendada a utilização de um resistor
em série com o diodo, chamado Resistor Surto. A sua finalidade é limitar a
corrente de carga inicial do capacitor de filtro. A figura a seguir ilustra a
idéia.
O valor comercial mais próximo é de 35V. Sendo assim, o capacitor
utilizado como filtro será de 2200µF/35V.
Diodos:
Icc(diodo) = Icc / 2
Icc(diodo) = 500m / 2 = 250mA.
Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima que
cada diodo deverá suportar será de:
Icc(diodo) = (250m x100) / 70
Icc(diodo) = 357,14mA
A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais no
semiciclo em que ele não estiver conduzindo será de:
VPI = Vp(sec) - 0,7V
VPI = 21,21 – 0,7 = 20,51V
Utilizando a tolerância de 30% teremos:
VPI = (20,51 x 100) / 70
VPI = 29,3V
O Rsurto tem valor baixo, normalmente menor que 10Ω, e dissipa uma
potência considerável. A potência dissipada pelo Rsurto é convertida em
calor, não sendo, portanto aproveitada pela carga. Para evitar a utilização
de resistor shunt, vamos manter o capacitor de filtro com valor abaixo de
2200µF.
O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponte
retificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e uma
tensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC é
mostrado na figura a seguir.
Como vamos então resolver o problema do capacitor de filtro cujo
valor calculado foi de 2688µF? Temos duas saídas:
32 Capítulo 10: Estabilização da Tensão
Wagner da Silva Zanco
Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)
Vmin(cap) = 20,51 – 2,05 = 18,46V
---------------------------------------C = 500m / (120 x 2,05)
C = 2032,5µF
10.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA
Como já foi dito, o CI regulador 79XX fornece tensão negativa na sua
saída. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentação de
–12V/200mA. As fórmulas utilizadas para o dimensionamento do capacitor
de filtro, dos diodos retificadores e do transformador são as mesmas
utilizadas para o CI 78XX.
10.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA
Muitas aplicações, como aquelas que utilizam amplificadores
operacionais, necessitam de uma fonte de alimentação simétrica. Uma fonte
simétrica fornece duas tensões de alimentação, uma positiva e outra
negativa. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentação
simétrica utilizando Cis reguladores.
10.6 DISSIPADOR DE CALOR
A maioria dos CIs reguladores possuem uma proteção contra
aumentos excessivos de temperatura. Se a temperatura interna atingir um
determinado valor o CI regulador é desligado.
Para que o CI regulador não se aqueça demasiadamente, muitas
vezes é necessária a utilização de um dissipador de calor. O dissipador de
calor ajuda o CI regulador a liberar o calor na mesma velocidade com que
ele é produzido. Isto impedirá que ele se aqueça demasiadamente.
Um dissipador de calor pode ser improvisado aparafusando uma
barra de alumínio na parte metálica do CI regulador. Á área da barra de
alumínio deverá ter uma relação com a potência de saída (Vo x Icc) gerada
pela fonte. Existem no mercado dissipadores fabricados para determinadas
potências dissipadas. Os fabricantes de dissipadores inclusive
disponibilizam tabelas onde podem ser encontrados diversos modelos de
dissipadores nos mais diferentes tamanhos e formas. Veja a seguir alguns
dissipadores encontrados no mercado.
10.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL
Observe que o transformador utilizado tem um enrolamento
secundário com derivação central. No semiciclo positivo da tensão de
entrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CI
regulador 7812 através do diodo D1, enquanto que neste semiciclo o
enrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador
7912 através do diodo D3.
Existem no mercado vários CIs reguladores que fornecem uma
tensão de saída que pode ser ajustada dentro uma faixa de tensão. A figura
a seguir mostra um exemplo de uma aplicação com o CI LM317, fabricado
pela National Semiconductor, que pode fornecer na sua saída, tensões na
faixa de 1,25V – 25V. A tensão de saída é ajustada por meio do
potenciômetro de 5KΩ conectado entre o pino de ajuste e o terra. Para
maiores informações, consultar o datasheet.
No semiciclo negativo da tensão de entrada o enrolamento
secundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através do
diodo D4, enquanto que neste semiciclo o enrolamento secundário inferior
fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D2.
É importante observar que a corrente circulará pelos dois
enrolamentos secundários, superior e inferior, tanto no semiciclo positivo
quanto no semiciclo negativo da tensão de entrada. As fórmulas utilizadas
para o dimensionamento do capacitor de filtro, dos diodos retificadores e do
transformador para uma fonte de tensão simétrica são as mesmas utilizadas
anteriormente para a fonte de tensão simples. Com a exceção de que o
cálculo da tensão no capacitor deve ser efetuado tomando como base a
tensão em um dos enrolamentos secundários, ou seja, VP(sec) / 2.
a tensão de saída pode ser obtida por meio da fórmula mostrada a
seguir.
Capacitores C1 e C2:
Vp(sec) = Vef x √2
Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V
----------------------------------------Vp(cap) = Vp(sec) – 0,7
Vp(cap) = 21,21 – 0,7 = 20,51V
----------------------------------------Vond(pp) = 20,51 / 10
Vond(pp) = 2,05V
---------------------------------------
Wagner da Silva Zanco
10.8 FUSÍVEL
É altamente recomendável a utilização de fusíveis em fonte de
alimentação. O fusível é um dispositivo fabricado proteger o circuito contra
sobrecorrente . Uma vez que a intensidade de corrente elétrica que passa
pelo fusível ultrapassa o seu valor nominal ele se abre, interrompe a
passagem da corrente e, conseqüentemente, desliga o circuito. Vemos a
seguir os símbolos mais utilizados para representar um fusível.
Capítulo 10: Estabilização da Tensão
33
intensidade da corrente que estiver passado por ele. Para efeito de cálculo
nós utilizaremos uma queda de 2V para uma corrente de 10mA.
Todo fusível possui uma corrente nominal, que é a intensidade
corrente máxima que ele suporta sem se romper. Enquanto a intensidade
da corrente que passa pelo fusível não ultrapassa o valor nominal, ele se
comporta como um curto, não oferecendo nenhuma oposição a passagem
da corrente elétrica.
O fusível normalmente é ligado em série com o enrolamento primário.
A idéia é calcular a intensidade da corrente que passa pelo enrolamento
primário a partir da intensidade da corrente que passa pelo enrolamento
secundário.
Quando vamos excitar um led com uma fonte de tensão temos de
especificar o valor para o resistor que deverá ficar ligado em série com ele
para manter a corrente que passa pelo led nos níveis normais. Como já foi
dito no parágrafo anterior, vamos especificar o valor do resistor para uma
tensão no led de 2V e para uma corrente no led de 10mA.
Vejamos o circuito a seguir. O led está sendo acionado por uma fonte
de tensão de 5V. O resistor R deverá manter a corrente em 10mA. Neste
caso, o valor de R será:
Sabemos que o transformador não gera potência, ele apenas
transfere para o secundário a potência recebida no enrolamento primário.
Sendo assim:
P(RIM) = P(SEC)
V(PRI) x I(PRI) = V(SEC) x I(SEC)
VT = VR + Vled
Deduzindo I(PRI) teremos:
VT = (I x R) + Vled
I(PRI) = (V(SEC) x I(SEC)) / V(PRI)
Uma boa aproximação para o cálculo de I(PRI) é utilizarmos os
valores eficazes para as tensões V(PRI) e V(SEC) e o valor de Icc para a
corrente do secundário.
Se, por exemplo,
500mA, I(PRI) será:
V(PRI) = 127Vef, V(SEC) = 15Vef e Icc =
I(PRI) = (15 x 500m) / 127 = 59,05mA.
Veja que a intensidade de corrente no enrolamento primário é quase
dez vezes menor que no enrolamento secundário. Isto justifica o fato do
fusível ser ligado no enrolamento primário. Utilizando uma tolerância de
30%, o valor da corrente nominal do fusível I(FUS) será:
I(FUS) = (59,05m x 100) / 70 = 84,36mA
O valor comercial superior mais próximo é de 100mA.
10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
Em um diodo com polarização direta os elétrons atravessam N como
elétrons livres, atravessam a junção e se recombinam com as lacunas para
atravessar a região P como elétrons de valência. A medida que os elétrons
caem da banda de condução para a camada de valência eles irradiam
energia.
Deduzindo R na fórmula teremos:
R = (VT – Vled) / I
Sendo assim,
R = (5 – 2) / 10m = 300Ω
O valor comercial mais próximo é 270Ω.
Um resistor de 270Ω manterá a corrente ligeiramente acima de
10mA. Intensidade de corrente suficiente para que o led brilhe com uma
intensidade perfeitamente visível. Entretanto, se for necessário aumentar o
brilho do led, basta aumentar a corrente que passa por ele. Isto pode feito
diminuindo o valor do resistor R.
O led é freqüentemente utilizado em fontes de alimentação para
sinalizar que a fonte está ligada. Neste caso, o led pode ser colocado na
saída do CI regulador. O valor do resistor R dependerá, obviamente, da
tensão de saída do CI regulador. A figura a seguir mostra o diagrama
esquemático de uma fonte de tensão com, fusível, led de sinalização e
chave geral liga/desliga (Sg).
Nos diodos comuns essa energia é irradiada na forma de calor, mas
nos leds a energia é irradiada na forma de luz.
Os leds vêm substituindo as lâmpadas incandescentes em várias
aplicações devido a baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento.
Exercícios:
1)
2)
Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que
bloqueia a passagem da luz. Os leds utilizam elementos como Gálio,
Arsênio e Fósforo. Dependendo do material utilizado um led pode emitir luz
da cor verde, laranja, azul, ou até mesmo emitir luz infravermelho, (luz
invisível).
10.10 TENSÃO E CORRENTE NO LED
O led tem uma quede de tensão típica de 1,5V a 2,5V para correntes
que variam de 10mA a 50mA. A queda de tensão exata no led depende da
34 Capítulo 10: Estabilização da Tensão
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
Qual a principal diferença entre um diodo comum e um diodo zener?
Quais as condições necessárias para que o diodo zener funcione
como estabilizador de tensão?
Qual a função dos CIs reguladores?
Quais as duas famílias de CIs reguladores mais utilizadas?
Projete uma fonte de tensão estabilizada de 9V-300mA com chave
liga/desliga, fusível e led indicador.
Redimensione a fonte da questão anterior para uma corrente de
saída de 600mA.
Qual a função do Resistor Surto?
Qual a função do dissipador de calor?
Como é produzida a luz em um led?
Projete uma fonte simétrica estabilizada de +5V /-5V – 400mA com
chave liga/desliga, fusível e led indicador.
Wagner da Silva Zanco
BIBLIOGRAFIA
MALVINO, ALBERT PAUL. Eletrônica Vol I e II, 4ª Edição. São Paulo: Graw-Hill, 1997.
GUSSOW, MILTON. Eletricidade Básica. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1985.
O´MALLEY, JHON. Análise de Circuitos. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1983.
EDMINISTER, JOSEP A. Circuitos Elétricos, 2ª edição. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1985.
CAVALCANTI, PAULO JOÃO MENDES. Eletrotécnica - para Técinos em Eletrônica, 12ª edição. Rio de Janeiro: Freitas
Bastos,1980.
A HISTÓRIA DA ELETRÔNICA. BRASIL, 2005. Disponível em: http://www.wagnerzanco.com.br/artigo/artigo.htm. Acesso em: 01 de
Agosto de 2005.
A HISTÓRIA DA ELETRICIDADE. BRASIL, 2005. Disponível em: http://www.sel.eesc.sc.usp.br/protecao/conteudodehistorico.htm.
Acesso em: 10 de Agosto de 2005.
Wagner da Silva Zanco
Bibliografia
35