Governador
Cid Ferreira Gomes
Vice Governador
Domingos Gomes de Aguiar Filho
Secretária da Educação
Maria Izolda Cela de Arruda Coelho
Secretário Adjunto
Maurício Holanda Maia
Secretário Executivo
Antônio Idilvan de Lima Alencar
Assessora Institucional do Gabinete da Seduc
Cristiane Carvalho Holanda
Coordenadora da Educação Profissional – SEDUC
Andréa Araújo Rocha
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Índice
Capitulo 1 – Introdução a Eletrônica
Capitulo 2 – Semicondutor (Teoria dos Diodos)
Capitulo 3 – Transistor Bipolar
Capitulo 4 – Circuito Integrado
Capitulo 5 – Praticas
2
20
50
132
140
Bibliografia
144
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CAPITULO 1
INTRODUÇÃO A ELETRÔNICA
1.1 - RESISTOR
Os resistores são os componentes mais conhecidos e mais utilizados na eletrônica.
Antes de falarmos sobre os diversos tipos de resistores vamos conhecer o código de cores que
é a maneira pela qual lemos o valor ôhmico e a tolerância do mesmo.
TABELA DE CÓDIGO DE RESISTORES
Tipos de resistores:
Filme de carbono (CR)
Bege
Filme metálico (SRF)
Verde claro
Metal Glazed (VR)
Azul
Filme Metálico (MR) [PRECISÃO]
Verde escuro
Existem resistores de diversos tipos como foi mencionado acima. Eles se encontram
dependendo do resistor possuindo de 3 até 6 anéis ou faixas. Cada uma dessas faixas tem um
valor correspondente a um algarismo, e o conjunto dessas faixas que se encontram nos
resistores é o que da a referência dele. Iremos ver agora o procedimento para se efetuar a
leitura de resistores, seja ele com 3, 4, 5 ou 6 faixas e anéis.
PARA LER UM RESISTOR COM 3 FAIXAS
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → N° de zeros
PARA LER UM RESISTOR COM 4 FAIXAS
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → N° de zeros
Faixa → Tolerância
PARA LER UM RESISTOR COM 5 FAIXAS
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → N° de zeros
Faixa → Tolerância
PARA LER UM RESISTOR COM 6 FAIXAS
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
Faixa → Algarismo Significativo
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Faixa → N° de zeros
Faixa → Tolerância
Faixa → Temperatura
Faixa = A= 1º dig.
Faixa = B = 2° dig.
Faixa = C = 3° dig.
Faixa = D = 4° dig.
Faixa = E = 5° dig.
Faixa = F = 6° dig.
A B C D E F
COR
A=
B=
C=
D=
E=
F=
1°DIG. 2°DIG. 3°DIG. MULT. TOLER. C.TEMP.
Prata
-
-
-
0,01
10
-
Ouro
-
-
-
0,1
5
-
Preto
0
0
0
1
-
-
Marrom
1
1
1
10
1
100
Vermelho 2
2
2
100
2
50
3
3
3
1K
-
-
Amarelo 4
4
4
10K
-
-
Verde
5
5
5
100K
-
-
Azul
6
6
6
1M
-
-
Violeta
7
7
7
10M
-
-
Cinza
8
8
8
-
-
-
Branco
9
9
9
-
-
-
Laranja
DIG. = DIGITO
MULT. = MULTIPLICADOR (ohm)
TOLER. = TOLERÂNCIA (%)
C. TEMP. = COEFICIENTE DE TEMPERATURA
Exemplo: Um resistor com 1ª faixa laranja, 2ª faixa laranja, 3ª faixa amarelo e 4ª faixa
prata, qual a referência do resistor?
Resp: A referência do resistor é 330K com tolerância de 10%.
OBSERVAÇÕES:
1K=1000Ω
1M = 1.OOO.OOOΩ
1R=1Ω
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Existem vários tipos de resistores, fabricados por meios e materiais diferentes, com
características diferentes. É importante o técnico ter uma ideia destas diferenças para
especificar corretamente o componente.
Para especificar um resistor a fim de realizar a sua compra ou definir a sua utilização em
um circuito é necessário conhecer: valor nominal ou valor ôhmico, tolerância e capacidade de
dissipação de potência. Além disto é necessário ter uma ideia do tipo do resistor segundo a sua
fabricação. Os tipos de fabricação mais comuns são os seguintes: resistores de carvão,
resistores de película, resistores bobinados de fio.
Algumas aplicações em eletrônica exigem resistores variáveis. Existem vários tipos
como: os potenciômetros, trimpots, LDR's, termistores, entre outros, no que diz respeito aos
fundamentos do seu funcionamento e utilização.
1.2 - CAPACITOR
Os capacitores são componentes capazes de acumular carga elétrica. Um capacitor é
constituído de duas placas metálicas separadas por um meio dielétrico (isolante).
Quando uma tensão V é aplicada nas placas do capacitor (através de um circuito
externo) então se acumulam cargas positivas numa placa e negativas na outra placa conforme
na figura abaixo.
A separação de cargas indica que há energia elétrica acumulada no interior do capacitor.
Isto significa que após o acúmulo de carga nas placas de um capacitor, o mesmo estará em
condições de devolver esta energia acumulada a um circuito externo.
Vamos imaginar um capacitor de placas paralelas ligadas a uma fonte E.
Assim que a fonte E é ligado os elétrons da placa superior são atraídos pelo terminal
positivo da fonte deixando esta placa positiva (falta de elétrons). Estes elétrons ao penetrarem
na fonte E são repelidos pelo terminal negativo da mesma para a placa inferior. Em
consequência a placa inferior se carrega com carga E negativa (excesso de elétrons).
A principal característica de um capacitor é a capacitância C que é dado por C = (Q/V), o
quociente da carga acumulada, dividida pela tensão nos seus terminais. Assim quanto for maior
a capacitância de um capacitor mais energia será armazenada no interior do mesmo. A unidade
de capacitância é o Farad. Normalmente o Farad se exprime pelos seus submúltiplos, o microFarad, pico-Farad e nano-Farad, respectivamente, uF, pF e nF. A tabela de conversão é:
pF, pico-Farad = 10-12 -F
nF, nano-Farad = IO-9 F
uF, micro-Farad = 10-6 F
Os valores práticos (comercialmente falando) de capacitância são muito menores do que
o valor de 1 (um) Farad.
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A capacitância C e a energia acumulada em um capacitor são dadas pela fórmula:
C=KA
D
Onde A é a área da placa, D é a distancia entre elas e K é uma constante que depende
do material dielétrico. A colocação de um dielétrico entre as placas aumenta a capacitância C
dependendo do valor da permeabilidade relativa E do material. Vimos também que o aumento
da área A, e a diminuição decresce a capacitância C.
Associação de capacitores: Da mesma forma que os resistores, os capacitores podem
ser associados em série e em paralelo. Os valores resultantes das associações podem ser
resumidos da seguinte maneira.
Vemos, portanto que associar dois capacitores em série diminui a capacitância
equivalente e associar dois capacitores em paralelo aumenta a capacitância equivalente. Estes
resultados podem ser entendidos da seguinte maneira: Ao colocar dois capacitores em paralelo
a área A vai aumentar logo a capacitância C vai aumentar.
Os capacitores classificam-se em: em fixos, separáveis e variáveis.
Dentro do grupo dos capacitores fixos, temos os polarizados (eletrolíticos, eletrolíticos de
tântalo) que podem ser colocados numa polaridade de tensão. Aos outros podem ter qualquer
polaridade. De uma maneira geral, os eletrolíticos e eletrolíticos de tântalo cobrem a faixa de uF
(micro-Farads); Os capacitores plásticos cobrem á faixa de nF (nano-Farad); Os de cerâmica e
mica cobrem a faixa de pico-Farad não sendo esta uma negra fixa.
A substituição de um capacitor numa manutenção deve ser feita por um de mesma
especificação. Tipos mais comuns de capacitores, segundo o dielétrico:
Eletrolíticos comuns
Eletrolíticos de tântalo
Cap. de papel (tubular)
Cap. de metalizado
Cap. de poliéster metalizado
Cap. de poliéster
Cap. de policarbonato metalizado
Cap. de policarbonato
Cap. de polipropileno
Cap. de poliestireno
Cap. de cerâmica (disco e tubular)
Mica
Óleo
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Para capacitâncias altas (a partir de 1 uF) são usados os capacitores eletrolíticos de
alumínio. Os eletrolíticos são usados em circuitos de baixa frequência e corrente continua. É
importante observar a polaridade correta e a tensão de trabalho na qual o mesmo poderá
trabalhar. O valor da capacitância C de um eletrolítico de alumínio e sua tensão de trabalho é
estampado no envólucro.
Os capacitores não-polarizados, ou seja, plásticos; cerâmica e mica. Estes capacitores
abrangem uma grande faixa de variação de capacitância entre alguns poucos de pico-Farads
ate 0,47uF (que é aproximadamente meio mico-Farad). Devido à diferença entre dielétricos as
aplicações são diferentes mesmo que algumas vezes o valor da capacitância sejam iguais.
CÓDIGO DE CORES EM CAPACITORES
Em alguns tipos de capacitores as informações sobre o mesmo são dados na forma de
código de cores. Neste caso deve-se usar a tabela abaixo:
COR
N°
TOL.
TENSAO(V) COR
N°
TOL.
TENSAO(V)
Preto
0
-
-
Violeta
7
-
700
Marrom
1
-
100
Cinza
8
-
800
Vermelho 2
-
250
Branco
9
-
900
Laranja
3
-
300
Ouro
-
-
1000
Amarelo
4
-
400
Prata
-
5%
2000
Verde
5
-
500
Sem cor
-
10%
-
Azul
6
-
630
-
-
20%
-
1.3 - DIVISOR DE TENSÃO
O divisor de tensão é constituído por uma fonte de tensão e dois resistores conforme o
circuito abaixo. Neste circuito o objetivo é calcular as quedas de tensão em R1 e R2,
conhecidos os seus valores e o valor E da fonte. Estas tensões são dadas por:
Monte um circuito da figura acima com R1 = 4,7 Kohms e R2 = 2,2Kohms. Faça os
cálculos com as fórmulas do item anterior usado E = 10F e em seguida E = 7V respectivamente
e preencha os valores correspondentes na tabela abaixo. Em seguida meça as tensões com o
voltímetro e preencha o restante da tabela.
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Valor Calculado
E (Volts)
V1
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Valor Medido
V2
V1 + V2
V1
V2
V1 + V2
10
7
Repita o procedimento para R1 = 1Kohm e R2 - 10Kohms.
Valor Calculado
E (Volts)
V1
Valor Medido
V2
V1 + V2
V1
V2
V1 + V2
10
7
Observe que no divisor de tensão a maior queda de tensão, seta no resistor de maior
valor.
Agora monte o circuito abaixo e ajuste o potenciômetro de maneira a obter 1,5Volts entre
os pontos B e C. em seguida desligue a fonte do circuito, não mexa na posição do
potenciômetro, e meça com ohmímetro, a resistência entre M-B e B-C. Verifique se o valor de
1,5V está compatível com a fórmula apresentada no item anterior, isto é:
No circuito anterior, o seu divisor de tensão é variável. Qual a faixa de tensão obtida
fazendo o giro do potenciômetro entre os pontos inicial e final?
Faixa de tensão: (Valor mínimo =
Volts; Valor Máximo =
.Volts)
1.4- LEI DE OHM
A George Simon Ohm (1787 - 1854), um físico alemão é creditada a formulação da
relação tensão-corrente para o resistor, baseada em experimentos desenvolvidos em 1826. Em
1827 ele publicou seus resultados em um artigo titulado "A Corrente Galvânica, Tratada
Matematicamente". Como resultado de seu trabalho, a unidade de resistência é chamada ohm.
O irônico, entretanto, é que Henry Cavendish (1731 — 1810), um químico britânico, havia feito
as mesmas descobertas 46 anos antes. Se ele não tivesse deixado de publicar suas
descobertas, a unidade de resistência poderia ser conhecida como "caven".
A lei de Ohm estabelece que a tensão sobre um resistor é diretamente proporcional à
corrente que o atravessa. A constante de proporcionalidade é o valor da resistência do resistor,
ohms. O símbolo que representa um resistor em um circuito é mostrada na figura abaixo:
Para a tensão e a corrente indicadas, a lei de Ohm é
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V= Ri
onde R > O é a constante em ohms.
O símbolo usado para representar o ohms é a letra grega maiúscula ( Ψ. Deste modo,
temos R = v / i, então
Em algumas aplicações, como em circuitos eletrônicos, o ohm é uma unidade
inconvenientemente pequena, e unidades como quilo-ohms (k Ψ e mega-ohms ou
simplesmente megaohms (M Ψ são comuns.
1° EXEMPLO
Como exemplo, se R = 3 Ω e v = 6V na figura passada, a corrente é
Se o valor de R é mudada par 1 k
, a corrente é
O cálculo é simplificado, observando-se que 1 V / k = 1 mA, 1 V / M = 1 μ A etc.
Como R é constante, no exemplo acima é uma equação de uma linha reta. Por causa
disto o resistor é dito linear. Um gráfico de v ver sus i é mostrado na figura a seguir, que é uma
reta passando pela origem com uma inclinação de valor R. Obviamente, uma linha reta é a
única solução possível para que a relação entre v e i seja constante, para que todos os valores
de i.
Resistores cuja resistência não se mantém constante para diferenciar valores de
corrente são chamados resistores não-lineares. Para tal resistor, a resistência é função da
corrente que percorre o componente. Um exemplo simples de resistor não-linear é uma
lâmpada incandescente. Uma curva característica tensão-corrente para um elemento deste tipo
é mostrada na figura abaixo, onde vemos que o gráfico não é mais parecido com uma reta.
Visto que R não é constante, a analise de circuitos que contém resistores não-lineares é bem
mais difícil.
Na realidade, todos os resistores práticos são não-lineares, porque as características
elétricas de todos os condutores são afetados por fatores ambientes, tais como a temperatura.
Muitos materiais, entretanto, em determinadas regiões de operações, se aproximam de um
resistor linear ideal. Vamos nos concentrar nos elementos deste tipo e nos referirmos a eles
simplesmente como resistores.
Um exame do exemplo passado em conjunto com a figura anterior mostra que se i > 0
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(corrente entrando pelo terminal superior), então v > 0. Desta forma, a corrente entra pelo
terminal de potencial mais elevado e sai pelo de potencial mais baixo. Agora, suponha que i <
O (a corrente entrando pelo terminal inferior.) Então v < O e o terminal inferior está com um
potencial mais elevado que o terminal superior. Repetindo, a corrente entra pelo terminal de
potencial mais elevado. Desde que cargas são transportadas do potencial mais alto para o mais
baixo, passando através do resistor, a perda de energia por uma carga q (energia = qv) é
absorvida pelo resistor na forma de calor. A velocidade pela qual a energia é dissipada é, por
definição, a potencial instantânea.
Um gráfico do exemplo anterior é mostrado na figura abaixo e revela que p(t) é uma
função parabólica (e então não-linear) de i(t) ou v(t), a qual é sempre não-negativa. (As escalas
horizontais são, é claro, diferentes nos dois casos.) Desta forma, para um resistor linear, a
potência instantânea é não-linear, ainda que a relação tensão-corrente seja linear.
A condição de passividade, dada é
Portanto, como p(t) é sempre não-negativo, vem que a integral é não-negativo, e que o
resistor é, de falo, um elemento passivo.
O estudante iniciante muitas vezes encontrará dificuldades em determinar o sinal
algébrico adequado na aplicação da lei de Ohm, quando as indicações dos sinais de tensão
diferirem dos da figura da pagina anterior. De (2.1) a tensão é R vezes a corrente que entra
pelo terminal negativo como na figura a seguir, a corrente que entra pelo terminal positivo é -i e,
portanto, a lei de Ohm é v = R(-i) ou
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Além de sua resistência, um resistor é também caracterizado pela potência nominal ou
wattagem nominal, que é a máxima potência que um resistor pode dissipar sem que se
danifique por excesso de calor. Desta forma, se um resistor é para dissipar uma potência p, sua
potência nominal deve ser de no mínimo p, de preferência maior. (A potência empregada na
potência nominal é potências médias, que será discutida nos próximos capítulos, mas, para
corrente contínua, as potências média e instantânea são as mesmas).
Outra grandeza importante muito usado na análise de circuitos é conhecido como
condutância, definida por
A unidade no SI para a condutância é o siemens, simbolizada por S, em homenagem
aos irmãos Werner e William Siemens, dois notáveis engenheiros germânicos do final do
século XIX. Então, 1S = 1 A/V. Outra unidade de condutância largamente usada nos Estados
Unidos é o mo, que é ohm escrito ao contrário. O símbolo para mo é o Omega invertido.
Combinando o exemplo anterior com o a seguir, vemos que expressões alternativas para a lei
de Ohm e para a potência instantânea são
Concluindo, o conceito de resistência pode ser usado para definir dois termos muito
comuns na teoria de circuitos, curto circuito e circuito aberto. Um curto circuito é um condutor
ideal entre dois pontos, e pode ser visto como uma resistência de zero ohm. Ele pode
transportar qualquer quantidade de corrente, dependendo somente do restante do circuito, mas
a tensão sobre ele é zero. Analogicamente, um circuito aberto é uma interrupção do circuito
pela qual nenhuma corrente pode circular. Portanto, ele pode ser considerado como uma
resistência de valor infinito e pode ter uma tensão qualquer, dependendo novamente do
restante do circuito.
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2° EXEMPLO
Como um exemplo, vamos calcular a corrente e a potência absorvida pelo resistor de
1k da figura abaixo e dos exemplos anteriores, G = 1 = 10-3 S e i = 10-3 x12A=12mA.
1000
Da fórmula acima vem que p(t) = IO-3 x122 W = 144mW, que é a potência nominal
mínima para o resistor.
A corrente neste exemplo é uma corrente contínua, visto que seu valor não se altera no
tempo. Suponhamos, agora, que substituímos a fonte 12 V por uma tensão variável no tempo v
= 10 cos tV e repetimos o procedimento acima. A corrente é
e a potência instantânea é
que é sempre não-negativa. A corrente, neste caso, é uma corrente alternada.
EXERCÍCIOS
A tensão sobre o resistor de 10 k é 50 V. Calcule (aΨ a condutância, (bΨ a corrente e (cΨ
a potência mínima do resistor.
Resposta: a) O, i mS; b) 5 mA; c) 0,25 W
A potência instantânea absorvida por um resistor é 4sen2 311tW . Se a corrente é 40
sem 377 t mA, calcule o valor v e R.
Resposta: v e R
Calcule i e a potência entregue ao resistor.
Resposta: -20 μA, 2mW
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1.5 - LEIS DE KIRCHHOFF
Até que consideramos a lei de Ohm e como ela pode ser empregada para encontrar a
corrente, a tensão e a potência associadas com um resistor. Entretanto, a lei de Ohm não pode
ser empregada sozinha para analisar mesmo um circuito simples. Além dessa lei, temos duas
leis estabelecidas primeiramente pelo físico germano Gosta Kirchhoff das correntes (LKC) e lei
de Kirchhoff das tensões (LKT). Estas leis, em conjunto com as características dos vários
elementos dos circuitos, permitem sistematizar métodos de soluções para qualquer rede
elétrica. Não tentaremos provar as leis de Kirchhoff, pois os conceitos necessários para proválas são desenvolvidos na teoria de campos eletromagnéticos.
Um circuito consiste em dois ou mais elementos de circuitos conectados através de
condutores ideais. Condutores ideais são fios de resistência nula, nos quais a corrente pode
fluir livremente sem acumular cargas ou energia. Neste caso, a energia pode ser considerada
inerente ou estar concentrada, inteiramente dentro de cada elemento do circuito, e então, a
rede é chamada um circuito de parâmetros concentrados.
Um ponto de conexão de dois ou mais elementos de circuitos é denominado nó. Um
exemplo de circuito contendo três nós é o mostrado na figura a seguir. O nó1 consiste na
conexão completa da parte superior do circuito. O iniciante pode facilmente confundir os pontos
a e b como nós. Deve-se notar, entretanto, que a e b estão conectados por um condutor
perfeito e podem ser eletricamente considerados como o mesmo ponto. Isto é imediatamente
demonstrado pelo redesenho do circuito na forma da figura abaixo, onde nó1 todas as
conexões são mostradas como um único ponto. Comentários similares são aplicáveis ao nó 2.
O nó 3 é necessário para interconexão de uma fonte independente de tensão e um resistor.
Com estes conceitos, estamos agora prontos para apresentar as fundamentais leis de
Kirchhoff.
A lei de Kirchhoff das correntes (LKC) estabelece que:
A soma algébrica das correntes que entram em um nó é igual a zero.
Por exemplo, as correntes que entram no nó da figura abaixo são i1, i2 -i3 e i4 (visto que
i3 saindo). Portanto, a LKC para este caso é
Apenas como argumentação, suponhamos que a soma não seja zero. Neste caso,
teríamos.
onde
tem a unidade de C/s e então será a velocidade pela qual as cargas são
acumuladas no nó é constituído é constituído de condutores perfeitos, logo não pode acumular
cargas. Além disso, um princípio básico da física estabelece que cargas não podem ser criadas
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nem destruídas (principio da conservação da energia). Portanto, nossa consideração não é
valida, e é igual a zero, demonstrando a coerência da LKC.
Suponha que em nosso exemplo tenhamos multiplicando ambos os lados por -1,
obtendo.
Da figura acima vemos que o lado esquerdo da equação é simplesmente a soma das
correntes que saem do nó. Isto demonstra um enunciado equivalente para LKC:
A soma algébrica das correntes que saem de um nó é zero.
Podemos agora reescrever a equação acima na forma
Onde i1, i2 e i4 estão entrando no nó e i3 está saindo. Essa forma da equação ilustra
outro enunciado para a LKC, como
A soma das correntes que entram em um nó qualquer c igual à soma das correntes
que saem deste nó.
Em geral, a expressão matemática para KLC é
Onde in é a enésima corrente que entra (ou sai) do nó e N é o número de corrente no
nó.
Como no exemplo da LKC vamos calcular a corrente i na figura abaixo. Somando as
correntes que entram no nó, temos
Podemos notar que -6 A entrando no nó é equivalente a 6 A saindo do nó. Portanto, não
é necessário adivinhar o sentido da corrente antes de resolver o problema. Ainda assim,
chegarmos ao resultado correto.
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Podemos encontrar a corrente i mais diretamente, considerando-a entrando no nó, e
então equacionando-a com as outras três correntes saindo do nó. O resultado é
que está de acordo com a resposta anterior.
Agora, abordamos a lei de Kirchhoff das tensões (LKT), a qual estabelece que
A soma algébrica das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero.
Como ilustração, a aplicação deste enunciado no percurso fechado abcda da figura
abaixo dá
Onde o sinal algébrico de cada tensão foi tomado como positivo quando vai de + para (do potencial mais elevado para o mais baixo) e negativo de - para o + (do potencial mais baixo
para o potencial mais elevado) ao cruzar o componente. Usando esta convenção, estamos
igualando as somas das quedas de tensão ao longo do percurso fechado a zero. Podemos
também usar a convenção oposta, neste caso, a soma das elevações de tensão será zero.
Como no caso da LKLC, também não iremos nos deter em demonstrar a LKT.
Entretanto, para ilustrar a coerência da fórmula anterior, vamos considerar que a soma dos
termos da direita não é zero. Ou seja,
O termo da esquerda desta equação é, por definição, o trabalho necessário para mover
uma unidade de carga através do percurso adcba. Um circuito de parâmetros concentrados é
um sistema conservativo o que significa que o trabalho necessário para mover uma carga
através de qualquer percurso fechado é zero (isto é provado pela teoria eletromagnética).
Então, nossa suposição não é correta e ф é de fato igual a zero.
Devemos assinalar, entretanto, que todos os sistemas elétricos são não-conservativos.
De fato, a geração de potência elétrica, as ondas de radio e a luz do sol, para citar apenas um
poucos exemplos, são consequências de sistemas não-conservativos.
A aplicação da LKT é independente do sentido no qual se faz o percurso. Considere, por
exemplo, o percurso adcba na figura acima. Somando as tensões, encontramos
v3 – v2 + v1 = 0
Que é equivalente ao –v1 + v2 – v3 = 0.
Em geral, a representação matemática para a LKT é
Onde vn é a enésima tensão no laço de N tensões. O sinal de cada tensão é escolhido
como descrito anteriormente.
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Como um exemplo do uso LKT, vamos calcular v na figura a seguir. Percorrendo o
circuito no sentido horário, temos:
-15 + v + 10 + 2 = 0
Ou v = 3 V. Suponhamos, agora, que percorremos o circuito em sentido contrario. Neste
caso -15 + 2 + 10 - v = 0
Ou v = 3 V, ou seja, o mesmo resultado encontrado ao percorrer o circuito no sentido
horário.
Ainda para a figura acima, outra versão da LKT é
v + 10 + 2 = 15
Onde a soma das tensões com uma polaridade é igual à soma das tensões com
polaridade oposta. De outra forma, as elevações de tensão são iguais às quedas de tensão, um
outro enunciado da LKT.
Finalmente, podemos resolver para v diretamente, já que ela é vbc e, logo, é igual à
soma das tensões de b e c, através dos outros três elementos. Ou seja, a tensão entre dois
terminais é a mesma, independente do percurso entre eles. Então, na figura anterior temos
v = 15 - 2 – 10 = 3V
Em cada um dos exemplos anteriores, a LKT foi aplicada através de percursos
condutores, tais como abcda. A lei, entretanto, é valida para qualquer percurso fechado.
Considere, por exemplo, o percurso abda da figura anterior. Podemos notar que o movimento
direto de a a c não é ao longo de um percurso condutor. A aplicação da LKT a este percurso
fechado resulta em vac = 12 V. Podemos também escolher o percurso abca para o qual
-15 + v - vac = -15 + 3 – vac = 0
Portanto, vac = -12 V, que demonstra o uso de percursos fechados diferentes na
obtenção dos mesmos resultados.
Como outros exemplo de aplicação da LKC e da LKT, calcule ir e vr na rede da figura
abaixo. A soma das correntes que entram pelo nó a é - 4 + 1 +i1 = 0, ou i1 = 3 A. No nó b, i1, +2
– i2 = 0, ou i2 = -1 A. No nó c, i2 + i3 - 3 = 0, ou i3 = 4 A. Portanto, no nó d, ix – 1 – i3 = 0,
ou ix = -5 A. A seguir , o uso da LKT sobre o percurso abcda dá -10 + v2 - vx = 0 . Pela lei de
Ohm, v2 = 5 i2 = -5 V. Portanto, vx = Í 5 V.
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Antes de encerrarmos nossa discussão das leis de Kirchhoff, consideramos a rede da
figura a seguir, na qual são mostrados vários elementos contidos em uma superfície fechada s.
Lembramos que a corrente que entra em cada elemento é igual à que o deixa, logo, nenhum
elemento armazena energia. Portanto, a carga total armazenada dentro da superfície é zero,
sendo necessário que
i1 + i2 + i3 + i4 = 0
Este resultado ilustra uma generalização da LKC, que estabelece.
A soma algébrica das correntes que entram cm uma superfície fechada é zero.
Para ilustrar a coerência da LKC generalizada, vamos escrever as equações da LKC
para os nós, a, b, c, e d, na figura acima. Os resultados são
i1 = i5 – i6
i2 = - i5 – i8 – i9 – i10
i3 = - i7 + i8 + i10
i4 = i6 + i7 + i9
Somando estas equações, Fica
i1 + i2 + i3 + i4 = 0
como havíamos previsto.
Da LKT generalizada, para uma superfície envolvendo os pontos a, b, c, e d, que
4 + 2 - 3 = 0, ou ix = 5 A.
EXERCÍCIOS
Calcule i e vab.
Resposta: 5 A, 24 V
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-ix, -
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Calcule v e i.
Resposta: 17 V, 3 A
1.6 - TEOREMA DE THEVENIN
De vez em quando, alguém pratica uma grande investida em engenharia e leva todos
nós a um novo nível. M. L. Thevenin causou um desses saltos quânticos ao descobrir um
teorema de circuito hoje chamado Teorema Thevenin. Você provavelmente já deve ter
aprendido o teorema de Thevenin no seu básico de circuitos cc e sem dúvida lhe foi dito o
quanto ele é importante. Mas é impossível falar a um principiante sobre quão valioso é esse
teorema. Se a afirmação
O TEOREMA DE THEVENIN É DE VITAL IMPORTÂNCIA
Fosse repetido 1.000 vezes ainda não seria suficiente para transmitir a utilidade desse
teorema para qualquer um que verifique os defeitos, analise os projetos ou circuitos eletrônicos.
Suponha que alguém lhe entregue o diagrama esquemático dado na figura abaixo e lhe
peça para calcular a corrente de carga para cada um dos seguintes valores de RL 1,5&Ω,3 e
4,5& Ω. Uma solução baseia-se na associação de resistência em série e em paralelo para obter
a resistência total vista pela fonte; a seguir você calcula a resistência total e determina a carga
dividindo a corrente até encontrar a corrente de carga. Depois de calcular a corrente de carga
para 1,5kΩ, você pode repetir todo o processo cansativo para 3kΩ e para 4,5kΩ.
Uma outra aproximação é através da solução simultânea das equações de Kirchhoff
para as malhas. Admitindo que você saiba resolver quatro equações simultâneas para as
malhas, pode se encaminhar para a resposta no caso da resistência de carga 1,5kΩ. A seguir
você precisa repetir o processo para as resistências de 3kΩ de 4,5kΩ. Depois de meia hora
(mais ou menos), você terá obtido as três correntes de carga.
Suponha por outro lado, que alguém lhe peca para obter as correntes de carga da figura
anterior, dadas as resistências de carga 1,5kΩ, 3kΩ e 4,5kΩ. Mais depressa do que se possa
usar uma calculadora, você pode mentalmente calcular uma corrente de carga de
para um resistência de carga de 1,5kΩ. Você também pode calcular correntes de carga
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de 2 mA para 3kΩ e 1,5 mA para 4,5kΩ.
Por que o segundo circuito é tão mais fácil de ser resolvido do que o primeiro? Porque
possui apenas um malha, comparado com as quatro malhas do primeiro. Qualquer um pode
resolver um problema com uma malha, pois tudo que ele precisa é da lei de Ohm.
É ai que entra a teorema de Thevenin. Ele descobriu que qualquer circuito formado por
uma múltiplas malhas, como o da figura acima, pode ser reduzido ao circuito constituído por
uma única malha. Você pode ter problemas com um determinado circuito, mais mesmo este
circuito pode ser reduzido a um circuito com uma única malha. É por isso que os técnicos e os
engenheiros com muita pratica gostam tanto de teorema de Thevenin: ele transformam os
circuitos grandes e complicados em circuitos simples de unia única malha, como o circuito
equivalente da figura anterior.
A ideia básica é que sempre que você estiver procurando a corrente de carga de um
circuito com mais de uma malha, pense no Thevenin, ou pelo menos o considere como uma
possível saída. Com mais frequência que menos imagina, teorema de Thevenin se mostrará
como o caminho mais eficiente para se resolver o problema, especialmente se a resistência de
carga assumir vários valores.
Nesta apostila, Theveninzar significar aplicar o teorema de Thevenin a um circuito, isto é,
reduzir um circuito com múltiplas malhas com uma resistência de carga ao circuito equivalente
formado por uma única malha com a mesma resistência de carga. No circuito equivalente de
Thevenin, ou resistor de carga vem uma única resistência da fonte em série com uma fonte
tensão. O que pode facilitar mais a sua vida do que isto?
TENSÃO THEVENIN
Lembre-se das seguintes ideias a respeito do teorema de Thevenin. A tensão Thevenin é
aquela que aparece através dos terminais da carga quando você abri o resistor de carga. Por
esta razão, a tensão Thevenin é às vezes chamada tensão de circuito aberto ou tensão de
carga aberta.
RESISTÊNCIA THEVENIN
A resistência Thevenin é a resistência que se obtém olhando para os terminais de carga
quando todas as fontes foram reduzidas a zero. Isso significar substituir as fontes de tensão por
curto-circuito e as fontes de corrente por circuitos abertos.
ANALISANDO UM CIRCUITO MONTADO
Quando o circuito com várias malhas já estiver pronto, você pode medir a tensão
Thevenin da forma a seguir apresenta.
Abra fisicamente o resistor de carga desligando uma de suas extremidades, ou
retirando-o completamente do circuito; a seguir use um voltímetro para medir a tensão através
dos terminais da carga. A leitura que você obtiver será a tensão Thevenin (admitindo que não
haja erro devido ao carregamento do voltímetro).
Meça, então, a resistência Thevenin da seguinte forma: reduza todas as fontes a zero.
Isto fisicamente significa substituir as fontes de tensão por curtos-circuitos e abrir ou remover
as fontes de corrente. A seguir use um ohmímetro para medir a resistência entre os terminais
da carga. Esta é a resistência Thevenin.
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Como exemplo, suponha que você tenha precariamente a ponte de Wheatstone
desequilibrada que aparece na figura abaixo. Para thevenizar o circuito, você abre fisicamente
a resistência de carga e mede a tensão entre A e B (os terminais da carga). Supondo que não
haja erro na medida, você lerá 2 V. a seguir, substitua a bateria de 12 V por um curto-circuito e
meça a resistência A e B; você deve ler 4,5kΩ. Agora você pode desenhar o equivalente
Thevenin da figura a seguir. Com ele, você pode fácil e rapidamente calcular a corrente de
carga para qualquer valor de resistência de carga.
ANALISANDO OS ESQUEMAS
Se o circuito não estiver montado, você precisara usar sua cabeça no lugar do VOM
(medidor de volt-ohm; tensão-resistência) para determinar a resistência e a tensão Thevenin.
Dada a ponte de Wheatstone desequilibrada da figura da figura anterior, você abe mentalmente
o resistor de carga. Se você estiver visualizando corretamente, Vera então um divisor de tensão
um divisor de tensão do lado esquerdo e um divisor de tensão do lado esquerdo e um divisor
de tensão no lado direito. O da esquerda produz 6 V, e o da direita produz 4 V, como mostra a
figura abaixo. A tensão thevenin é a diferença entre essas duas tensões, que é de 2 V.
Substitua, a seguir, mentalmente a bateria de 12 V por um curto-circuito para chegar à
figura acima. Redesenhando o circuito, você obtém os dois circuitos paralelos. Agora fica fácil
de calcular mentalmente a resistência Thevenin de 4,5kΩ.
1.7 - TEOREMA DE NORTON
O teorema de Norton leva apenas alguns minutos para ser revisto porque ele está muito
relacionado com o teorema de Thevenin. Dado o circuito Thevenin como o da figura abaixo, o
teorema de Norton afirma que você pode substituí-lo pelo circuito equivalente. O Norton
equivalente tem uma fonte ideal de corrente em paralelo com a resistência da fonte. Observe
que a fonte de corrente produz uma corrente fixa VTH/RTH, observe ainda que a resistência da
fonte tem o mesmo valor que a resistência Thevenin.
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SENTIDO DA CORRENTE
Incidentalmente, a seta na fonte de corrente Norton indica o sentido da corrente
convencional; isto porque o inventor era um engenheiro. Este é o primeiro entre os vários
dispositivos em que a seta esquemática indica o sentido da corrente convencional.
Se você preferir usar o fluxo de elétrons, o seu treinamento para inverter o pensamento
começa agora. Quando você vir à seta numa fonte de corrente, saiba que ela indica que o
elétron está seguindo no sentido oposto. Para diminuir o sofrimento, você pode imaginar a
ponte da seta apontando para o terminal positivo da fonte, enquanto a outra extremidade
representa o terminal negativo, como mostra a figura anterior. Os sinais mais e menos
geralmente não são representados nos esquemas, de modo que você precisa fornecer
mentalmente os seus próprios sinais mais ou menos ao ver o símbolo da fonte de corrente.
RESISTÊNCIA DE NORTON
É fácil de se lembrar da resistência de Norton porque ela tem o mesmo valor da
resistência Thevenin. Por exemplo, se a resistência Thevenin for de 2kΩ, então a resistência
Norton será de 2kΩ; a única diferença é que a resistência aparece em paralelo com a fonte.
UM EXEMPLO
Aqui está um exemplo no qual se substitui o circuito Thevenin da figura abaixo por um
circuito Norton equivalente. Inicialmente, faca um curto entre os terminais da carga e calcule a
corrente de carga, que é de 5 mA. Esta corrente de carga em curto é igual à corrente Norton. A
seguir desenhe o circuito Norton equivalente da figura a seguir. Observe que a corrente Norton
é igual a 5 mA e a resistência é de 2kΩ, idêntica à resistência Thevenin.
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CAPITULO 2
SEMICONDUTOR (TEORIA DOS DIODOS)
2.1 - INTRODUÇÃO
O capitulo começa discutindo a teoria do semicondutor. O tratamento é simples, às
vezes idealizado; caso contrário numa física e matemática altamente avançadas. A parte
intermediária do capitulo refere-se a junções pn, a ideia chave que se esconde atrás de um
diodo semicondutor. A palavra "diodo" é formada pela elisão de duas palavras "dois elétrons",
onde o "di" refere-se a dois e "odo" vem do eletrodo. Esta discussão explica como diodo
funciona e o prepara para o transistor, que combina dois diodos num único componente. O
capitulo termina com aproximações para o diodo. Estas aproximações simplificam a verificação
de defeitos, análise e o projeto de circuitos contendo diodos.
TEORIA DO SEMICONDUTOR
Você já sabe alguma coisa sobre átomos, elétrons e prótons. Esta seção ampliara o seu
conhecimento. Você verá como os átomos de silícios se combinam para formar cristais (o
esqueleto dos dispositivos semicondutores).
ESTRUTURA ATÓMICA
Bohr imaginou um modelo para o átomo. Ele visualizou como um núcleo rodeado por
elétrons em órbita. O núcleo possui uma carga positiva que atrai os elétrons. Os elétrons
cairiam dentro do núcleo se não existisse a forca centrífuga do seu movimento. Quando um
elétron descreve uma órbita estável, ele tem exatamente a velocidade certa para que a forca
centrífuga equilibre a atração nuclear.
Figuras tridimensionais como a de baixo são muito difíceis de se desenhar para
representar átomos complicados. Por causa disso, representaremos o átomo em duas
dimensões. Por exemplo, um átomo isolado de silício possui 14 prótons no núcleo. Dois
elétrons percorrem a primeira órbita, oito elétrons a segunda órbita e quatro deles encontramse na órbita externa ou na órbita de valência. Os 14 elétrons em rotação neutralizam a carga
dos 14 prótons de modo que uma certa distancia o átomo age como se fosse eletricamente
neutro.
Realmente importante é o fato da órbita externa conter quatro elétrons. Por esta razão, o
silício é chamado tetravalente ("tetra" em grego quer dizer "quatro"). Consequentemente,
núcleo-e os elétrons internos são considerados a estrutura interna do átomo. Dentro dele, nada
de interessante acontece. Nossa preocupação situa-se quase na órbita de valência; c ai que se
desenvolve toda a ação nos semicondutores.
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NÍVEIS DE ENERGIA
Você precisa imaginar que um elétron pode percorrer uma órbita de qualquer raio, desde
que sua velocidade tenha o valor certo. Por outro lado a Física Moderna afirma que somente
certas dimensões de órbitas são permitidas.
Por exemplo, na figura abaixo, os elétrons podem se encontrar na primeira, na segunda
e na terceira órbita, mas não podem ser encontrados em órbitas intermediárias. Isto significa
que todos os raios entre r2 e r3 são proibidos, (se você quiser saber por que, terá que estudar
Mecânica Quântica.)
Na próxima figura, é necessário energia para deslocar um elétron de uma órbita menor
para outra maior, pois é necessário realizar trabalho para vencer a atração do núcleo. Portanto
'maior a órbita de um elétron, mais alto seu nível de energia ou sua energia potencial com
relação ao núcleo.
Por conveniência de representação, substitui-se a órbita curva por linhas horizontais. A
primeira órbita representa o primeiro nível de energia, a segunda órbita representa o segundo
nível de energia, e assim por diante. Quanto mais alto o nível de energia é um sinônimo de raio
orbital.
Se o átomo foi bombardeado com energia externa como calor, luz, ou outra radiação,
pode haver um acúmulo dessa energia e ele é, então, elevado a um nível de energia mais alto
(órbita maior). Diz-se, entretanto, que o átomo esta num está num estado de excitação. Este
estado não dura muito porque o elétron energizado logo volta ao seu nível de energia original.
Quando ele cai, devolve a energia adquirida na forma de calor, luz ou outra radiação.
(a)Viste ampliada de um átomo
(b) Níveis de energia
Cristais
Um átomo de silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência: porem para
ser quimicamente estável, precisa de oito elétrons nesta órbita. Poderá, por isso, combinar-se
com outros átomos, de forma a completar os oito elétrons da sua órbita de valência.
Quando os átomos de silício combinam-se para formar um sólido, eles se arranjam
numa configuração ordenada chamada cristal. As forcas que mantêm os átomos unidos são
conhecidas como ligações covalentes. O átomo de silício posiciona-se entre outros quatros
átomos de silício. Cada vizinho compartilha então um elétron com o átomo central. Dessa
forma, o átomo central apanha quatro elétrons, o que lhe dá um total de oito elétrons na órbita
de Valência.
Os oito elétrons não pertencem exclusivamente ao átomo central; eles são
compartilhados pelo quatro átomos de volta. Como as estruturas internas adjacentes possuem
carga positiva líquida, eles atraem os elétrons em comum, criando forcas iguais e opostas.
Essa atração mútua em sentidos opostos é a ligação covalente, a cola que mantém os átomos
(a situação é análoga aos grupos de crianças que brincam de cabo-de-guerra segurando nas
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extremidades de uma corda. Enquanto os grupos puxarem com forças iguais e opostas
permanecerão imóveis e presos um ao outro).
LACUNAS
Quando a energia externa eleva um elétron de valência para um nível mais alto (órbita
maior), o elétron que sai deixa um vazio na órbita mais externa. Chamamos esse vazio de
lacuna. Estas lacunas constituem uma das razões que fazem os diodos e os transmissores
trabalhar da forma como o fazem. As seções mais adiante lhe dirão mais a respeito das
lacunas.
BANDAS DE ENERGIA
Quando um átomo de silício estiver isolado, a órbita de um elétron é controlada pelas
cargas do átomo isolado. Porém quando os átomos de silício combinam-se formando um
cristal, a órbita de um elétron sofre a influência das cargas de vários átomos adjacentes. Como
cada elétron tem uma posição diferente dentro do cristal, nenhum vê exatamente a mesma
configuração de cargas vizinhas. Por isso, a órbita de cada elétron é diferente.
Na figura acima mostra o que ocorre aos níveis de energia. Todos os elétrons que se
encontram nas primeiras órbitas têm níveis de energia ligeiramente diferente, porque nenhum
vê exatamente a mesma carga envolvente. Como há bilhões de elétrons na primeira órbita, os
níveis de energia ligeiramente diferentes formam uma nuvem ou uma banda. Analogicamente,
os bilhões de elétrons da segunda órbita? todos com energias ligeiramente diferentes, formam
a segunda banda de energia, e todos os elétrons da terceira órbita a terceira banda.
Na figura anterior as bandas de energia são escuras. Esta será a nossa forma de
representar bandas saturadas ou preenchidas, isto é, aquelas nas quais todas as órbitas
disponíveis já estão ocupadas por elétrons. Por exemplo, a banda de valência está preenchida
porque a órbita de valência de cada átomo possui oito elétrons.
Na figura acima mostra as faixas de energia num cristal de silício à temperatura de zero
absoluto (-273°C); e ai que cessam as vibrações moleculares, o que significa que ele está na
mais baixa temperatura possível. Não há, definitivamente, nenhum corrente no zero absoluto.
CONDUÇÃO EM CRISTAIS
Cada átomo de cobre possui um elétron livre. Como este elétron percorre uma órbita
extremamente grande (alto nível de energia), o elétron mal pode sentir a atração do núcleo.
Num pedaço de fio de cobre os elétrons livres estão contidos numa banda de energia chamada
banda de condução. Estes elétrons livres são capazes de produzir correntes altas.
Um pedaço de silício já é diferente. A figura abaixo mostra uma barra de silício com
extremidades metálicas. Uma tensão externa estabelece um campo elétrico entre as
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extremidades do cristal. Há passagem de corrente? Depende. De quê? Da existência de
elétrons que possam deslocar-se dentro do cristal.
ZERO ABSOLUTO
Em temperaturas de zero absoluto, os elétrons não podem se mover dentro do cristal.
Todos os elétrons de valência estão fortemente presos pêlos átomos de silício porque eles
fazem parte das ligações covalentes entre os átomos. No desenho a seguir mostra o diagrama
de bandas de energia. Quando as três primeiras bandas estão preenchidas, os elétrons dessas
bandas não podem deslocar-se com facilidade porque não há órbitas vazias. Mas além da
banda de valência está a banda de condução. Se um elétron de valência puder ser elevado até
a banda de condução, ele estará livre para deslocar-se de um átomo para o seguinte. À
temperatura de zero absoluto, entretanto, a banda de condução está vazia; isto quer dizer que
não pode haver nenhum corrente no cristal de silício.
2.2-O DÍODO DE ZENER
Os dados retificados e de pequeno sinal nunca devem operar na região de ruptura
porque isto pode danificá-los. Um diodo de zener é diferente; é um diodo de silício que o
fabricante otimiza para trabalhar na região de ruptura. Em outras palavras, ao contrário dos
diodos comuns que nunca trabalham na região de ruptura, os diodos zener trabalham melhor
nessa região. Às vezes chamado de ruptura, o diodo zenerr é a parte mais importante dos
reguladores de tensão, circuitos que mantêm a tensão da carga praticamente constante apesar
das grandes variações na tensão da linha e da resistência de carga.
GRÁFICO I - V
Na figura abaixo mostra o símbolo esquemático de um diodo zefír; constitui um símbolo
alternativo. Em qualquer símbolo, as linhas assemelham-se a um "Z", que representa zefír.
Variando-se o nível de dopagem dos diodos de silício, o fabricante pode produzir diodos zefír
com tensões de ruptura de 2 até 200 V. estes diodos podem funcionar em qualquer uma das
três regiões: direta, de fuga, ou de ruptura.
A figura seguinte mostra o gráfico I-V de um diodo zener. Na região direta, ele começa a
conduzir por volta de 0,7 V, exatamente como um diodo de silício comum. Na região de fuga
(entre zero e a ruptura), ele apresenta apenas uma pequena fuga ou corrente reversa.
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Num diodo zener, a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento
de corrente praticamente vertical. Observe que a tensão é praticamente constante,
aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de ruptura. As folhas de dados
geralmente especificam o valor de Vz numa determinada corrente de teste IZT.
ESPECIFICAÇÕES MÁXIMAS
A potência dissipada num diodo zener é igual ao produto da sua tensão pela corrente.
Em símbolos,
Pz = VzIz
Por exemplo, se Vz = 12 V e Iz = 10 mA, então
Pz =12 V X 10 mA = 120 mV
Desde que seja menor do que a especificação de potência, o diodo zener pode funcionar
na região de ruptura sem ser destruído. Os diodos zener comercialmente disponíveis têm
especificações de potência que variam de ¼ W até mais de 50W.
As folhas de dados às vezes incluem a corrente máxima que um diodo zener pode
suportar sem exceder a sua especificação de potência. Esta corrente máxima está relacionada
com a potência especificada da seguinte forma:
Onde:
IzM - máxima corrente zener especificada
PzM - potência especificada
Vz - tensão zener
Como exemplo, um diodo zener de 12 V com uma especificação de potência de 400 m
W tem uma corrente especificada de
Em outras palavras, se houver uma resistência limitadora da corrente suficiente para
manter a corrente zener abaixo de 33,3 mA então o diodo zener pode operar na região de
ruptura sem se queimar.
RESISTÊNCIA ZENER
Quando o diodo zener está funcionando na região de ruptura, um aumento na corrente
produz um ligeiro aumento na tensão, isto implica que o diodo zener tenha uma pequena
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resistência ca. As folhas de dados especificam a resistência zener (chamado de
frequentemente impedância zener) para a mesma corrente deteste Izt usado para medir Vz. A
resistência zener para esta corrente de teste é simbolizado por Rzt (ou Zzt). Por exemplo, a
folha de dados de um 1N3020 indica o seguinte: Vzt = 10 V, Izt = 25 mA e Zzt = 7 quando a
corrente for de 25 mA.
REGULAÇÃO DE TENSÃO
O diodo de zener às vezes é chamado diodo regulador de tensão porque o mantém uma
saída constante, mesmo que a corrente que passa por ele varie. Em funcionamento normal,
você tem que reverter à polarização do diodo de zener, como mostra a figura a seguir. Além
disso, para produzir a ruptura Vz. Sempre usado um resistor Rs em série para limitar a corrente
zener num nível abaixo da sua especificação de corrente; caso contrário, o diodo zener se
queima como qualquer componente comum com excessiva dissipação de potência.
A tensão pelo resistor em série é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão
zener, Vs - Vz. Portanto, a corrente que passa pelo resistor é
Pelo fato deste ser um circuito com uma malha, a corrente zener Iz é igual a Is.
A equação acima pode ser usada para construir a linha de carga como foi discutido
anteriormente. Por exemplo, suponha que Vs = 20 V e Rs = 1k . Então a equação anterior se
reduz a
Como antes, obtemos o ponto da saturação (interseção vertical) fazendo Vz igual a zero
e resolvendo para o valor de Iz chegando aos 20mA. Analogamente, para se obter o ponto de
ruptura (interseção horizontal), fazemos lz igual a zero e calculamos Vz chegando a 20 V.
Alternativamente, podemos obter os extremos da linha de carga da forma apresente a
seguir. Imagine a figura acima com a Vs = 20 V e Rs = 1k . Com o diodo zener em curto, a
corrente máxima do diodo é de 20mA. Com o diodo aberto, a tensão máxima do diodo é de 20
V.
Suponha que o diodo zener tenha uma tensão de ruptura de 12 V. Então o seu gráfico lV assemelha-se ao que é mostrado na figura passada. Quando locamos a linha de carga para
Vs = 20 V e Rs = 1k , obtemos a linha de carga superior com um ponto de interseção dada por
QI. A tensão suponha que a tensão da fonte varie para 30 V. A corrente zener varia então para
Isto implica que os extremos da linha de carga sejam da 30 mA e 30 V, como mostra a
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figura acima. A nova interseção é em Q2. Compare Q2 com Q1 e verá que há mais corrente
através do diodo zener, mas aproximadamente a mesma tensão zener. Portanto, mesmo que a
tensão da fonte tenha variado de 20 a 30 V, a tensão zener ainda que é de aproximadamente
igual a 12 V. Esta é a ideia básica da regulação da tensão; a tensão de saída permaneceu
praticamente constante mesmo que a tensão de entrada tenha variado de uma quantidade
considerável.
DÍODO ZENER IDEAL
Na verificação de defeitos e nos projetos preliminares, podemos aproximar a região de
ruptura a uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão é constante, mesmo que a corrente
varie, o que é equivalente a ignorar a resistência zener. A figura abaixo mostra a aproximação
ideal de um diodo zener. Isto quer dizer que um diodo zener funcionando na região de ruptura
se comporta idealmente como bateria. Num circuito, significa que você pode substituir
mentalmente um diodo por uma fonte de tensão Vz, desde que o diodo zener esteja
funcionando na região de ruptura.
SEGUNDA APROXIMAÇÃO
No gráfico l-V a região de ruptura não é bem vertical, o que implica uma resistência
zener. À vezes em problemas de projeto é necessário levar em conta essa resistência zener.
Mesmo que rz seja pequena, ela produz variações de poucos décimos de volt quando a
corrente varia consideravelmente.
Na figura passada mostra como visualizar um diodo quando se usa a segunda
aproximação. Aqui você vê uma resistência zener (relativamente pequena) em série com uma
bateria ideal. Esta resistência produz uma queda IR cada vez maior à medida que a corrente
aumenta. Por exemplo, a tensão Q1 é
e a tensão Q2 é
A variação na tensão é
O que geralmente é escrito na forma
Onde
∆Vz
∆Iz
Rz
= variação na tensão zener
= variação na corrente zener
= resistência zener
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Isto nos diz que a variação na tensão zener é igual à variação na corrente zener vezes a
resistência zener. Geralmente Rz é pequena, portanto a variação na tensão é suave.
EXEMPLO 1
O diodo zener da figura anterior tem Vz = 10 V. utilize-se a aproximação do zener ideal
para calcular a corrente zener mínima e máxima.
SOLUÇÃO
A tensão aplicada 20 e 40 V é maior do que a tensão de ruptura do diodo zener.
Portanto, podemos visualizar o diodo zener como a bateria mostrada na figura acima. Isto quer
dizer que a tensão de saída é uma constante (10 V) para qualquer tensão da fonte entre 20 e
40 V.
A corrente através do resistor em série é
Por ter o circuito uma malha só, a corrente zener se iguala a esta corrente do resistor.
Além disso, a corrente zener mínima é
e a corrente zener máxima é
O ponto é o seguinte: num regulador de tensão como o da figura acima, a tensão de
saída é mantida constante em 10 V, apesar da tensão da fonte variar de 20 a 40 V. Maior
tensão da fonte produz mais corrente zener, mas idealmente a tensão de saída mantém-se
sólida como uma rocha em 10 V.
EXEMPLO 2
Suponha que o diodo zener do exemplo anterior tenha uma resistência zener de 7 .
Utilize a segunda aproximação para calcular a variação na tensão zener quando a tensão da
fonte varia de 20 a 40 V.
SOLUÇÃO
Na figura anterior mostra a segunda aproximação do diodo zener. Pelo fato da
resistência zener ser de somente 7 , ela é absorvida por uma resistência muito maior em série
de 820 . . Em outras palavras, Rz praticamente não tem nenhum efeito sobre a corrente zener,
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que ainda varia de aproximadamente 12,2 a 36,6 mA, quando a tensão da fonte aumenta de 20
para 40 V.
Há uma ligeira variação na tensão de saída à medida que a corrente varia.
Isto quer dizer que a tensão zener, nominalmente 10 V, aumenta 0,171 V quando a fonte
varia de 20 para 40 V. Novamente, o exemplo ilustra a regulação de tensão; há apenas uma
pequena variação da tensão de saída, mesmo que haja uma variação grande na tensão de
entrada.
O REGULADOR ZENER
A figura acima um diodo zener usado para regular a tensão através da resistência de
carga. Isto é um pouco mais complicado do que os circuitos zener analisados anteriormente,
porque o circuito tem duas malhas. Mesmo assim, a ideia básica permanece a mesma; o diodo
zener funciona na região de ruptura e mantém a tensão da carga praticamente constante.
TENSÃO THEVENÍN
Se você estiver trabalhando num circuito ou projetando-o, terá que saber certas relações
básicas entre as correntes e as tensões. Para começar, a primeira coisa a verificar é o
funcionamento do diodo de zener na região de ruptura. Devido ao resistor de carga, a tensão
Thevenin que alimenta o diodo de zener é menor que a tensão da fonte.
Qual a tensão de Thevenin que alimenta o diodo zener? Imagine que o diodo zener foi
retirado do circuito. O divisor de tensão permanece, formado por Rs e RL Se você estiver
imaginando certo, verá uma tensão Thevenin de
Para o funcionamento na região de ruptura do diodo de zener, VTH deve ser maior do
que Vz. Esta é a primeira relação que deve ser satisfeita em qualquer regulador zener.
CORRENTE EM SERIE
Supondo que o diodo de zener está funcionando na região de ruptura, procedemos da
seguinte forma: a corrente através do resistor em série é dado por
Está é a lei de Ohm aplicado ao resistor limitador da corrente.
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CORRENTE DE CARGA
Como a resistência zener tem essencialmente um efeito muito pequeno, podemos numa
boa aproximação igualar a tensão de carga a
(O símbolo = "significa aproximadamente igual"). Isto nos permite usar a lei de Ohm para
calcular a corrente de carga
CORRENTE ZENER
Pelo fato do circuito ser composto de duas malhas, a corrente em série se divide na
junção entre o diodo zener e o resistor de carga. Com a lei de Kirchhoff para as correntes,
Podemos arranjar os termos de modo a obter a relação para a corrente zener:
UM EXEMPLO
Os cincos equações acima são adequados para as todas as análises preliminares dos
reguladores zener.
Por exemplo, na figura a seguir a primeira coisa a calcular é a tensão Thevenin que
passa pelo diodo zener;
Isto é suficiente para produzir o funcionamento na região de ruptura porque ela á maior
do que a tensão zener.
A seguir calcule a corrente em série:
Sabemos que a tensão de carga é de aproximadamente 10 V, portanto a corrente de
carga é
A corrente zener é a diferença entra a corrente em série de carga:
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ONDULAÇÃO PELO RESISTOR DE CARGA
Na figura a seguir, observe que o regulador zener é alimentado por um retificador como
um filtro de capacitor na entrada! Isto produz dois efeitos. Primeiro, a tensão de carga é
mantida aproximadamente constante apesar das variações da tensão de pico retificada,
causada pelas variações da linha de alimentação. Segundo, o regulador zener reduz a
ondulação de pico a pico. Isto deve fazer sentido; acima de tudo, a ondulação é uma outra
forma de dizer que a tensão da fonte varia.
Que redução ocorre na ondulação? Suponha que o diodo zener foi substituído pela sua
segunda aproximação. No começo da descarga, a corrente pelo resistor em série é
No fim da descarga,
Substituindo estas duas equações temos
que geralmente escrita na forma
Rearranjando os termos temos
Isto diz que a ondulação de pico a pico na entrada é igual à variação da corrente em
série vezes a resistência em série.
Anteriormente, deduzimos a variação na tensão zener:
Se estas formas as variações na figura anterior, então a ondulação de pico a pico
através do diodo zener é igual à variação da corrente zener vezes a resistência zener.
Considerando a razão entre a ondulação da entrada e a ondulação na saída tem
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onde
∆Vz
∆Vs
Rz
Rs
= ondulação de saída
= ondulação de entrada
= resistência zener
= resistência em série
Esta equação é útil porque ela nos informa num relance como as ondulações de entrada
e de saída estão relacionadas. A equação afirma que a razão da ondulação de saída pela
ondulação de entrada é igual à razão entre a resistência zener e a resistência em série. Por
exemplo, se a resistência zener for de 7
e a resistência em série de 700 , então a
ondulação de saída será de 1/100 da ondulação de entrada.
PONTO DE DESLIGAMENTO DO ZENER
Para que um relugador zener mantenha a tensão constante, o diodo zener deve
permanecer região de ruptura com todas as condições de funcionamentos; isto que deve haver
uma corrente zener para todas as tensões da fonte e todas as correntes de carga. O pior caso
ocorre com a tensão mínima da fonte e corrente máxima de carga porque a corrente zener cai
para um mínimo. Neste caso,
que pode ser rearranjado na forma
Como foi visto anteriormente,
No pior caso, isto é escrito na forma
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O ponto crítico ocorre quando á corrente máxima de carga é igual à corrente mínima em
série
Neste ponto a corrente zener cai a zero e a regulação é perdida.
Substituindo IL(max) por Is(mm) na equação anterior, podemos esta relação muito útil
nos projetos:
Onde
Rs(max) = valor critico da resistência em série
Vs(max) = tensão mínima da fonte
Vz = tensão zener
IL(max) = corrente de carga máxima
A resistência crítica Rs(max) é a máxima resistência em série permitida. A resistência em
série rs deve ser sempre menor do que o valor crítico: caso contrário, se perde o
funcionamento na região de ruptura e o regulador pára de funcionar. Neste caso, perdemos a
tensão de carga constante, e a ondulação torna-se quase tão grande quanto à ondulação de
entrada.
O REGULADOR ZENER QUASE-IDEAL
Nesta apostila, um regulador zener é quase-ideal quando satisfaz estas duas condições:
Ao satisfazer a primeira condição, o regulador zener reduz as variações da tensão da
fonte incluindo a ondulação, de um fator de pelo menos 100.
Ao satisfazer a segunda condição, o regulador zener apresenta se para a carga como se
fosse uma fonte de tensão quase-ideal.
Por que? Porque a figura anterior o resistor de carga vê a sua esquerda uma tensão
Thevenin de aproximadamente Vz e uma resistência Thevinin de aproximadamente Rz. Em
outras palavras, a thevenização do circuito dá o circuito equivalente que parece na figura
abaixo. Se Rz for igual ou menor do que 0,01 RL, então o regulador zener aparecerá para a
carga como uma fonte de tensão quase ideal.
Ao projetar reguladores zener, tente satisfazer a regra do 100:1 para as resistências em
série de carga; isso garantirá que o diodo zener está regulando muitas bem as variações da
carga e da fonte. Algumas vezes torna-se impossível satisfazer a regra de 100:1 usando,um
regulador zener. Aí que você pode incluir no circuito um transistor para obter um regulador de
tensão quase ideal.
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COEFICIENTE DE TEMPERATURA
Para terminar, mais uma coisa: o aumento da temperatura ambiente (das vizinhanças)
varia ligeiramente a tensão zener. Nas folhas de dados, o efeito da temperatura é apresentado
sob o titulo de coeficiente de temperatura, que é a variação percentual por grau de variação. No
projeto de circuitos você pode precisar calcular a variação na tensão zener à temperatura
ambiente mais alta.
Para os diodos zener com tensões de ruptura de menos de 5 V, o coeficiente de
temperatura é negativo. Para os diodos zener com tensões de ruptura de mais de 6 V, o
coeficiente de temperatura é positivo. Entre 5 e 6 V, o coeficiente de temperatura varia do
negativo para o positivo; isto quer dizer que você pode determinar um ponto de funcionamento
para o diodo zener no qual o coeficiente de temperatura seja zero. Isto é muito importante em
algumas aplicações onde é necessária uma tensão zener firme ao longo de uma extensa faixa
de temperaturas.
EXEMPLO 3
Um regulador zener tem uma tensão de entrada de 15a 20 V e uma corrente de carga de
5 a 20 mA. Se a tensão zener for de 6,8 V, que valor deverá ter o resistor em série?
SOLUÇÃO
O pior caso acontece quando ocorrem a tensão mínima da fonte e a corrente máxima de
carga.
Portanto, o resistor em série deve ser menor do que 410
funcione na região de ruptura nas piores condições.
para que o diodo zener
EXEMPLO 4
Na figura anterior mostra um regulador de entrada (chamado pré-regulador) acionado
um regulador de saída. A fonte tem uma grande ondulação que varia de 35 60 V. Qual a tensão
final de saída e a ondulação de saída?
SOLUÇÃO
Primeiramente observe que o pré-regulador tem uma tensão de saída de 20 V. Esta é a
entrada para o segundo regulador zener, cuja saída é de 10 V. A ideia básica é de alimentar o
segundo regulador com uma entrada bem regulada, de modo que a saída final seja
extremamente bem regulada.
O primeiro diodo zener tem uma resistência zener de 25 . Para o pré-regulador, a razão
de resistência zener para resistência em série é:
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Que a ondulação que sai do pré-regulador é
O segundo diodo zener tem uma resistência de 7
, o que dá uma razão de
Portanto, a ondulação final na saída de
O uso de um pré-regulador é comum sempre que você quiser uma regulação quaseideal contra variação na tensão da fonte. Numa associação em cascata de reguladores zener
(cascata significa que a saída de um circuito é a entrada para o outro), a redução total na
ondulação é dada pelo produto das razões de resistências. Em símbolos,
EXEMPLO 5
O que faz o circuito da figura acima?
SOLUÇÃO
Na maioria das aplicações, os diodos zener são usados em reguladores de tensão, onde
permanecem na região de ruptura. Mas há exceções. Às vezes os diodos zener são usados em
circuitos formadores de onda como limitadores.
Observe a ligação de dois diodos zener um de costas para o outro. Durante o semiciclo
positivo, o diodo de cima conduz em aproximadamente 0,7 V e o de baixo é interrompido em
Vz. Portanto, quando a tensão de entrada excede Vz + 0,7, a saída fica ceifada como mostra a
figura.
Durante o semicido negativo, a operação inverte-se. O diodo de baixo conduz e o de
cima se interrompe. Dessa forma a saída é praticamente uma onda quadrada. Quanto maior a
senóide na entrada, melhor aparência tem a onda quadrada na saída. O circuito da figura
anterior constitui uma forma alternativa de se construir a associação de ceifadores. Escolhendo
diferentes, tensões zener, podemos deslocar o nível de ceifamento para o nível que quisermos.
2.3-COMPONENTES OPTOELETRÔNICOS
Optoeletrônica c a tecnologia que associa a óptica com a eletrônica liste campo excitante
inclui vários componentes baseados na ação de uma junção pn. São exemplos de
componentes optoeletrônicos os diodos emissores de luz os fotodiodos, os optoacopladores
etc.
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DÍODOS EMISSORES DE LUZ (LED)
Num diodo com polarização direta, os elétrons livres atravessam junção e combinam-se
com as lacunas. À medida que esses elétrons caem de um nível mais alto de energia para um
mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de
calor. Mas no diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs
substituíram as lâmpadas de incandescência em várias aplicações devido a sua baixa tensão,
vida longa, e rápido chaveamento liga-desliga.
Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da
luz. Os LEDs são diferentes. Usando-se elementos como gálio, o arsênio e o fósforo, um
fabricante pode produzir LEDs que irradiam no vermelho, verde, amarelo, azul, laranja ou
infravermelho (invisível). Os LEDs que produzem radiação visível são úteis em instrumentos,
calculadoras etc. os LEDs infravermelhos encontram aplicação em sistema de alarme contra
roubo e outras áreas que exijam radiação invisível.
TENSÃO E CORRENTE LED
Os LEDs têm uma queda de tensão típica de 1,5 a 2,5 V para correntes entre 10 e 50
mA. A queda de tensão exata depende da corrente, da cor, da tolerância do LED. A menos que
seja feita alguma recomendação em contrário, use uma queda nominal de 2 V quando estiver
verificando defeitos ou analisando os circuitos com LEDs nesta apostila. Se você tiver que fazer
algum projeto, precisa consultar as folhas de dados, porque as tensões do LED têm uma
grande tolerância.
Na figura a seguir mostra o símbolo esquemático de um LED; as setas para afora
simbolizam a luz irradiada. Admitindo uma queda no LED de 2 V, você pode calcular a corrente
do LED,
Tipicamente, a corrente do LED está entre 10 e 50 mA porque essa faixa produz luz
suficiente para a maioria das aplicações.
ORIENTAÇÃO PARA O PROJETO
O brilho de um LED depende da corrente. Idealmente, a melhor forma de se controlar o
brilho é vincular o LED a uma fonte de corrente. A melhor coisa para se obter uma fonte de
corrente é uma grande tensão de alimentação seguida de uma grande resistência em série.
Neste caso, a corrente no LED é dada por
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Quanto maior a tensão da fonte, menor o efeito que fled produz. Em outras palavras, um
alto valor de fs encobre a variação na tensão do LED.
Por exemplo, um TIL222 é um LED verde com uma queda mínima de 1,8 V e uma queda
máxima de 3 V para uma corrente de aproximadamente 25 mA. Se você ligar um TIL222 a uma
fonte de 20 V e a um resistor de 750 , a corrente varia de 22,7 a 24,3 mA. Isto implica um
brilho que é essencialmente o mesmo para todos os TIL222. por outra lado, suponha que o seu
circuito utilize uma fonte de 5 V e um resistor de 120 . A corrente varia então de cerca 16,7 a
26,7 mA; isto causa urna variação sensível no brilho. Portanto, para se obter um brilho
aproximadamente constante com LEDs, utilize tanto uma fonte de tensão como resistência em
série o maior possível.
INDICADOR DE SETE-SEGMENTOS
Na figura anterior mostra um indicador de sete-segmentos; ele contém sete LEDs
retangulares (de A a G). Cada LED é chamado de um segmento porque ele faz parte do dígito
que está sendo exibido. Na mesma figura é o segmento esquemático de um indicador de setesegmentos; são incluídos resistores externos em série para limitar as correntes a níveis
seguros. Aterrando-se um ou mais resistores, podemos formar qualquer dígito de 0 a 9. Por
exemplo, aterrando A, B e C, obtemos o 7. Aterrando A, B, C, D e G produzimos um 3.
Um indicador de sete-segmentos também pode exibir as letras maiúsculas A, C, E e F,
mais as letras minúsculas b e d. Os instrutores de microprocessadores frequentemente usam
um indicador de sete-segmentos para mostrar todos os dígitos de 0 a 9, mais A, b, C, d, E e F.
2.4 – FOTODIODO
Como foi discutido anteriormente, um elemento de corrente reversa num diodo é o fluxo
de portadores minoritários. Estes portadores existem porque a energia térmica mantém os
elétrons de valência desalojados de suas órbitas, produzindo no processo elétrons livres e
lacunas. A vida media dos portadores minoritárias é curta, mas enquanto dura eles podem
contribuir para a corrente reversa.
Quando incide energia luminosa sobre uma junção pn, ela também pode desalojar
elétrons de valência. Colocando de outra forma, a quantidade de luz que atinge a junção pode
controlar a corrente reversa de um diodo. O fotodiodo é aquele que foi otimizado na sua
sensibilidade para a luz. Nesse diodo, uma janela permite que a luz passe através do invólucro
e chegue até a junção. A luz incidente produz elétrons livres e lacunas. Quanto mais intensa a
luz, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa.
Na figura anterior mostra o símbolo esquemático de um fotodiodo. As setas para dentro
representam a luz incidente. De suma importância, a fonte e o resistor em série revertem à
polarização do fotodiodo. À medida que a luz se torna mais brilhante, a corrente reversa
aumenta. Com fotodiodo típicos, a corrente reversa situa-se na faixa de dezenas de
microampèrs.
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O fotodiodo é um exemplo de um folodetetor, um componente optoeletrônico que
converte a luz incidente numa quantidade elétrica.
2.5 – RETIFICADOR
A figura abaixo mostra um circuito conhecido como retificador de meia onda. No
semiciclo positivo da tensão do secundário o diodo está polarizado diretamente para todas as
tensões instantâneas maiores do que a tensão de liminar (aproximadamente 0,7 V para os
diodos de silício e 0,3 V para os diodos de germânio). Isto produz aproximadamente uma meia
onda senoidal de tensão através do resistor de carga. Para simplificar nossa discussão,
utilizaremos a aproximação do diodo ideal porque a tensão de pico da fonte é geralmente muito
maior do que a tensão de limiar do diodo. Tendo isto em mente, o pico da tensão retificado é
igual à tensão de pico do secundário, como mostra a figura a seguir. Na metade negativa do
ciclo, o diodo está com a polarização reversa. Ignorando as correntes de fuga (o mesmo que a
corrente reversa), a corrente de carga cai a zero; é por esta razão que a tensão da carga cai a
zero entre 180° e 360°.
RETIFICAÇÃO
O mais importante a ser observado no retificador de meia onda é o seguinte: ele
converteu a tensão de entrada ac numa tensão pulsante cc. Em outras palavras, a tensão da
carga é sempre positiva ou zero, dependendo de que metade do ciclo ela se encontra.
Colocando de outra forma, a corrente de carga é sempre no mesmo sentido. Este processo de
conversão de ca para cc é conhecido como retificação.
TENSÃO MEDIA
Desprezando a queda no diodo, a tensão média ou o valor de cc do sinal de meia onda
na figura passada é
isto às vezes aparece escrito na forma
Por exemplo, suponha que a tensão do secundário seja de 12,6 V ca. Idealmente, a
tensão de pico do secundário será:
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E o valor médio é
Vcc = 0,318(17,8V) = 5,66V
A tensão média é chamada tensão cc porque é este valor que indicaria um voltímetro cc
ligado através do resistor de carga. Para uma tensão de pico da carga de 17,8 V saindo de um
retificador de meia onda, um voltímetro cc indicaria uma leitura de 5,66 V.
A equação acima é fácil de ser provada. Se você montar um retificador de meia onda no
laboratório, descobrirá que a tensão média igual a 0,318 vezes a tensão de pico. Ou então
você pode deduzir a mesma fórmula matematicamente fazendo a média dos valores de uma
onda senoidal retificada.
ESPECIFICAÇÃO DE CORRENTE DE UM DÍODO
Pode-se calcular a tensão média da carga ou a tensão cc da carga. Se for conhecida a
resistência da carga, podemos então calcular a corrente média da carga Icc geralmente
aparece como /o do diodo. Este valor informa sobre a quantidade de corrente direta que o
diodo pode aguentar.
As folhas de dados de um IN4001, por exemplo, dão para Io um valor de 1 A. Se a
tensão cc for de 5,66 V e a resistência de carga de 10 , então a corrente de carga será de
0,566 A. O IN4001 seria bom para ser usado num retificador de meia onda porque a sua
especificação de corrente Io (1 A) é maior do que a corrente média retificada (0,566 A).
TENSÃO DE PICO INVERSA
A figura acima mostra o retificador de meia onda no instante em que a tensão do
secundário atinge o seu pico máximo negativo. O diodo está sombreado ou escurecido para
indicar que ele está desligado. Como o diodo está com polarização reversa, não há tensão de
carga. Para que a lei de Kirchhoff para a tensão seja satisfeita, toda a tensão do secundário
deve aparecer através do diodo como mostra a figura. Esta tensão máxima inversa é chamada
tensão de pico inversa (PIV). Para se evitar um rompimento do circuito, a tensão de pico
inversa deve ser menor do que a especificação PIV do diodo. Por exemplo, se a tensão de pico
inversa for de 75 V, o diodo precisará ter uma especificação PIV maior do que 75 V.
O RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Na próxima figura mostra um retificador de onda completa. Durante o semiciclo positivo
da tensão do secundário, o diodo de cima está com polarização direta e o diodo de baixo com
polarização direta e o diodo de baixo com polarização reversa; portanto, a corrente passa pelo
diodo de cima, pelo resistor de carga e pela metade superior do enrolamento. Durante o
semiciclo negativo, a corrente passa pelo diodo de baixo, pelo resistor de carga e pela metade
inferior do enrolamento. Observe que a tensão de carga tem a mesma polaridade na figura a
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seguir porque a corrente através do resistor de carga está no mesmo sentido,
independentemente de que diodo esteja conduzindo. F, por este motivo que a tensão de carga
é o sinal com retificação de onda completa que a aparece na figura abaixo.
EFEITO DE SECUNDÁRIO COM DERIVAÇÃO CENTRAL
Um retificador de onda completa se parece com dois retificadores de meia onda voltados
um de costas para o outro, com um retificador controlando o primeiro semiciclo e o outro o
semiciclo alternado. Por causa do enrolamento do secundário. Supondo que os diodos sejam
ideias, isto quer dizer que a saída da tensão de pico retificada ë
TENSÃO MEDIA
O valor médio ou cc da saída de uma onda com retificação completa é o dobro da saída
de um retificador de meia onda controlado pela mesma tensão do secundário:
Uma fórmula alternativa dá
Como exemplo, suponha que a tensão do secundário seja de 12,6 V ca. Como foi visto
anteriormente, isto implica uma tensão de pico do secundário de 17,8 V. devido à derivação
central, entretanto, a tensão de pico que chega a cada circuito do diodo é de somente metade
desse valor 8,9 V. desprezando a queda no diodo, a saída de onda completa tem um valor de
pico de 8,9 V e um valor médio de
ESPECIFICAÇÃO DE CORRENTE DE DÍODOS
Dada uma tensão cc de carga de 5,66 V, e uma resistência de carga de 10 , a corrente
de carga será
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Aqui está um fato interessante. A especificação Io de cada diodo só precisa ser maior
que a metade da corrente de carga cc, ou 0,283 A. Por quê? Olhe atentamente para a figura
anterior e observe que a cada diodo conduz somente durante meio ciclo. Isto significa que a
corrente através de um diodo é uma corrente retificada de meia onda: Portanto, a corrente cc
através de cada diodo é de metade da corrente cc de carga.
Aqui está uma outra forma de se entender o que está se passando. Suponha que os
amperímetros cc sejam em série com cada um dos diodos e com a resistência de carga. Então
cada um dos amperímetros dos diodos indicariam uma leitura de 0,283 A e o amperímetro da
carga indicaria 0,566 A. Isto faz sentido que a lei de Kirchhoff para as seguintes está sendo
satisfeita.
FREQUÊNCIA
O período T de uma onda repetitiva é o tempo entre pontos equivalentes ou
correspondentes da onda. A frequência f é o inverso do período T. Num retificador de meia
onda, o período da saída é igual ao período da entrada, o que quer dizer que a frequência da
saída é a mesma que a frequência da entrada. Em outras palavras, para cada ciclo na saída
você tem um ciclo na entrada. Por esta razão, a frequência que sai de um retificador de meia
onda é de 60 Hz, o mesmo valor da frequência da linha.
Um retificador de onda completa já é diferente. Olhe atentamente para a figura anterior e
observe que o período é a metade do período da entrada. Colocando de outra forma, ocorrem
dois ciclos serniciclos na saída para cada ciclo na entrada. Isto acontece porque o retificador de
onda completa inverteu a metade negativa do ciclo na entrada. Disto resulta que o retificador de
onda completa tem uma frequência de 120 Hz, exatamente o dobro da frequência da linha.
TENSÃO DE PICO INVERSA
Na figura acima mostra um retificador de onda completa no instante em que a tensão do
secundário atinge o seu valor máximo positivo. Se aplicarmos a lei de Kirchhoff para a tensão
em volta da malha externa, obteremos
Onde o 0 do lado esquerdo desta equação representa a tensão ideal do diodo superior.
Resolvendo a equação obtém-se a tensão de pico inversa através do diodo de baixo:
Portanto segue-se que cada diodo num retificador de onda completa deve ter uma
especificação de PIV maior do que V2(pico).
EXEMPLO l
Na figura anterior a tensão do secundário é de 40 V ac. Utilizando diodos ideais, calcule
a tensão de carga cc. Deduza também as especificações Io e PIV para os diodos.
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SOLUÇÃO
Primeiramente, observe que a derivação central foi aterrada. Como a extremidade
inferior do resistor de carga também está aterrada, o circuito é equivalente ao circuito retificador
de onda completa analisando anteriormente. Dada uma tensão do secundário de 40 V ca, a
tensão de pico do secundário será
Desprezando a queda através do diodo, a tensão de pico retificada é metade deste
valor:
e a saída cc será
A tensão de pico inversa é igual à tensão de pico do secundário, que é de 56,6 V. A
seguir, calcule corrente cc de carga:
A corrente direta através de cada diodo é metade desta:
Portanto cada diodo deve ter uma especificação de 7O maior do que 132mA.
Finalmente, a tensão de pico inversa através dos diodos de um retificador de onda completa é
sempre igual a tensão de pico do secundário. Neste caso
Isto quer dizer que o diodo deve ter uma especificação PIOV maior do que 56,6 V.
O RETIFICADOR EM PONTE
Chegamos agora ao retificador em ponte, a forma mais fácil de se retificar, porque ele
alcança a tensão de pico completa de um retificador de meia onda e o valor médio mais alto de
um retificador de onda completa. Na figura abaixo mostra um retificador em ponte. Durante o
semiciclo positivo da tensão do secundário, os diodos D2 e D3 estão com polarização direta;
portanto, a tensão de carga tem a polarização mostrada, menos à esquerda e mais à direita.
Durante o semiciclo negativo, os diodos D1 e D4 estão com polarização mais/menos mostrada
na figura, lim qualquer dos dois semiciclos, a tensão de carga tem a mesma polaridade porque
a corrente de carga está no mesmo sentido independentemente de que o diodo esteja
conduzindo. É por isso que a tensão de carga é o sinal com retificação completa da onda
mostrada na figura a seguir.
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TENSÃO MEDIA
Desprezando as quedas no diodo da figura passada, o pico da tensão da carga é
Observe que toda a tensão do secundário aparece através do resistor de carga; este é
um dos motivos que tornam o retificador em ponte melhor do que o retificador de onda
completa, discutido anteriormente, onda somente metade da tensão do secundário chegava até
a saída. Além disso, um transformador com derivação central que produza tensões iguais em
cada metade do enrolamento secundário é difícil e caro de ser fabricado. Ao utilizar um
retificador em ponte, o projetista elimina a necessidade de uma derivação central precisa; a
economia compensa de longe o custo dos dois diodos adicionais.
Pelo fato da saída da ponte ser um sinal de onda completa, o valor médio ou c é.
Por exemplo, se a tensão do secundário for de 12,6 V ca, a tensão de pico do
secundário será de 17,8 V (determinado anteriormente). Idealmente,
Na figura passada mostra estas tensões ideias para uma tensão do secundário de 1 2,6
V ca.
ESPECIFICAÇÕES E FREQUÊNCIAS
Dada uma tensão de carga cc de 11,3 Vê uma resistência de carga de 10 , a corrente
de carga cc é de 11 ,3 A. Como cada diodo conduz durante somente metade do ciclo, a
especificação Io dos diodos deve ser pelo menos metade da corrente de carga cc, ou 0,565 A.
Na figura anterior, o diodo D2 está idealmente em curto e o diodo D4 idealmente aberto. A
soma das tensões em torno da malha externa nos dá
Onde o 0 do lado esquerdo da equação é a tensão ideal através de D2. Portanto, a
tensão de pico inversa através de D4 é
Através de um argumento análogo, cada um dos diodos restante deve suportar uma
tensão de pico inversa igual à tensão de pico do secundário. Portanto, a especificação PIV do
diodo deve ser maior que V2(pico).
Como sinal de saída é uma onda completa, a frequência de saída é o dobro da
frequência de entrada, ou 1 20 Hz.
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COMPARAÇÃO
Por razões históricas, um retificador com um transformador com derivação central é
chamado retificador de meia onda. Na pratica, o retificador em ponte às vezes é chamado
retificador em ponte de onda completa, mas isto é desnecessário porque um retificador em
ponte sempre produz uma saída de onda completa. Nesta apostila, nos referirmos aos três
circuitos simplesmente como retificador de meia, o retificador de onda completa e o retificador
em ponte.
Na tabela abaixo resume os retificadores discutidos até aqui. Estes circuitos são
chamados retificadores médios porque a sua saída cc é igual ao valor médio de uma senóide
retificada. Note o dado final da tabela. Ele foi incluído com a finalidade de auxiliar a deteção de
defeitos. Normalmente você mede o valor eficaz da tensão do secundário numa das escalas de
um multímetro flutuante (aquele que não é plugado numa tomada de parede). Então você
medirá a tensão cc numa escala cc. Como pode ver na tabela, o retificador em ponte produz
uma tensão de carga cc que é idealmente de 90 por cento da tensão eficaz do secundário; os
outros retificadores produzem uma tensão de carga cc de somente 45 por cento.
Levando tudo isso conta, o retificador em ponte é o melhor compromisso para a maioria
das aplicações, e você o vê usado na indústria mais do que os outros.
Retificadores Médios Ideias
RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS
Os retificadores em ponte são tão em comuns que os fabricantes os embalam em
módulos. Por exemplo, o MDA920-3 é um conjunto retificador de ponte disponível
comercialmente. Ele é formado por quatro diodos selados hermeticamente interligados e
encapsulados em plástico de modo a formar um único invólucro resistente. Ele tem dois pinos
de entrada para a tensão do secundário e dois pinos de saída para a resistência de carga.
SEGUNDA APROXIMAÇÃO
Para a maioria dos projetos e de diagnostico de defeito, o diodo ideal é uma
aproximação pratica para os circuitos retificadores. A razão dele ser aceitável é porque todas as
tensões e correntes já têm uma tolerância implícita de mais de ± 10 por cento (variação de linha
de tensão e efeitos do transformador).
Você pode, entretanto, às vezes precisar de respostas com maior precisão. Se for o
caso, pode subtrair de 0,6 a 0,7 V do pico ideal da tensão de carga dos retificadores de meia
onda e de onda completa, ou subtrair 1,2 a 1,4 V do pico de tensão de carga do retificador em
ponte. Por exemplo, se a tensão do secundário for de 12,6 V ca, então o pico de tensão ideal
da carga de um retificador em ponte é 17,8 V. incluindo as quedas nos diodos, isto significa que
o pico de saída é reduzido de cerca de 1,2 a 1,4 V de modo que Vsaída(pico) está entre 16,4 e
16,6 V.
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A queda de tensão do diodo é significativa somente quando a tensão de saída for baixa.
Por exemplo, se a tensão de pico do secundário de um retificador em ponte for somente de 5 V,
estão o pico da tensão reti ficada será somente de 3,6 a 3,8 V. por outro lado, se a tensão de
pico do secundário é 50 V, então a tensão de pico retificada é de 48,6 a 48,8 V, o que está bem
próximo de 50 V.
2.6 - MULTIPLICADOR DE TENSÃO
Um multiplicador de tensão é formados por dois ou mais retificadores de pico que
produzem uma tensão cc igual a um múltiplo da tensão de pico da entrada (2Vp, 3Vp, 4Vp,
assim por diante). Estas fontes de alimentação são usadas em dispositivos de alta tensão/baixa
corrente como os tubos de raios catódicos (os tubos da imagem os receptores de TV, os
osciloscópios, e as telas de computadores).
DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA
Na figura a seguir representa um dobrador de tensão. No pico do semicïclo negativo, D1
está polarizado diretamente D2 está reversamente. Idealmente, isto faz com que C, se
carregue até a tensão de pico Vp com polaridade dada na figura abaixo. No pico do semiciclo
positivo, D1, está com polarização reversa e D2 com direta. Pelo fato da fonte e C1 estarem em
série, C2 tentará se carregar até 2Vp.
Redesenhando o circuito e ligando uma resistência de carga. Agora esta claro que o
capacitor final descarrega-se através do resistor de carga. Na medida em que RL for
suficientemente grande a tensão de saída se torna 2Vp (idealmente). Isto é, desde que a carga
seja suave (constante de tempo grande), a tensão de saída é o dobro da tensão de pico da
entrada. Esta tensão de entrada geralmente provém do enrolamento secundário de um
transformador.
Para um dado transformador, você pode obter duas vezes mais tensão de saída do que
se consegue de um retificador de pico padrão. Isto é útil quando se está tentando produzir altas
tensões (algumas centenas de volts ou mais). Por quê? Porque tensões mais altas no
secundário implicam transformadores maiores. Em algum nível, o técnico pode preferir utilizar
dobradores de tensão em vez de transformadores maiores.
O circuito é chamado dobrador de mela onda porque o capacitor de saída C2 se carrega
somente uma vez somente durante cada ciclo. Como resultado, a frequência da ondulação é
de 60 Hz. Às vezes você pode ver um resistor de surto em serie com C1.
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DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA
Na figura anterior mostra um dobrador de tensão de onda completa. No semiciclo
positivo da fonte, o capacitor de cima se carrega até a tensão de pico com a polaridade
mostrada. No semiciclo seguinte, o capacitor de baixo se carrega até a tensão de pico com a
polaridade indicada. Para uma carga suave, a tensão final de saída é de aproximadamente
2Vp.
O circuito é chamado dobrador de tensão de onda completa porque um dos capacitores
de saída está sendo carregado durante cada meio ciclo. Colocando de outra forma, a
ondulação de saída é de 120 Hz. Esta frequência de ondulação constitui uma vantagem porque
é mais fácil de ser filtrada. Uma outra vantagem do dobrador de onda completa é que a
especificação PIV dos diodos precisa ser apenas maior que Vp.
A desvantagem de um dobrador de onda completa é a falta de terra comum entre a
saída e a entrada. Em outras palavras, se aterrarmos a extremidade inferior do resistor de
carga na figura passada, a fonte fica flutuando. No dobrador de meia onda da figura acima,
aterrando o resistor de carga estaremos aterrando também a fonte, uma vantagem em algumas
aplicações.
TRIPLICADOR DE TENSÃO
Ligando-se uma outra seção, obteremos o triplicador de tensão da figura seguinte. Os
dois primeiros retificadores de pico funcionam como um dobrador. No pico do semiciclo
negativo, D3 está polarizado diretamente. Isto carrega C3 até 2Vp com a polaridade mostrada
na figura abaixo. A saída do triplicador aparece através de C1 e C3.
A resistência de carga é ligada através da saída do triplicador. Desde que a constante de
tempo seja grande, a saída é de aproximadamente 3Vp.
QUADRUPLICADOR DE TENSÃO*
Na figura abaixo representa um quadruplicador de tensão, quatro retificadores de pico
em cascata um depois do outro. Os três primeiros formam um triplicador, e o quarto completa o
circuito do quadruplicador. Conforme aparece na figura, o primeiro capacitor carrega até Vp. A
saída do quadruplicador é pela ligação de C2 e C4 em série. Como de costume, é necessário
uma grande resistência de carga (constante de tempo grande) para se ter uma saída
aproximada 4Vp.
Teoricamente, podemos somar indefinidamente; entretanto, a ondulação fica pior à
medida que acrescentamos seções adicionais. Esta é a razão dos multiplicadores de tensão
não serem usados em fontes de baixa tensão, que constituem a maioria das fontes de
alimentação encontradas. Conforme ficou estabelecido anteriormente, os multiplicadores de
tensão quase sempre são usados para produzir altas tensões, bem na faixa de centenas ou
milhares de volts.
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2.7 - O LIMITADOR
Os diodos usados em fonte de alimentação são diodos retificadores, aqueles com uma
especificação de potência maior do que 0,5 W e otimizados para utilização em 60 Hz. No
restante deste capitulo estaremos utilizando os diodos de pequeno sinal; aqueles que possuem
especificação de potência de menos de 0,5 W (com corrente de miliampères em vez de
amperes) e são usados especificamente em frequências muito maiores do que 60 Hz.
O primeiro circuito de pequeno sinal a ser discutido é o limitador; ele retira tensões do
sinal acima ou abaixo de um dado nível. Isto é útil não só para variar a forma do sinal, mas
também para proteger os circuitos que recebem o sinal.
LIMITADOR POSITIVO
Na figura a seguir mostra um limitador positivo (às vezes chamado ceifador), um circuito
que retira partes positivas do sinal. Conforme a figura, a tensão de saída tem todos os
semiciclos positivos cortados. O circuito funciona da seguinte maneira: durante a metade
positiva da tensão de entrada, o diodo liga. Idealmente, a tensão de saída é zero; numa
segunda aproximação é de aproximadamente +0,7 V.
Durante a metade negativa do ciclo, o diodo está com a polarização revertida e parece
aberto. Em muitos limitadores, o resistor de carga RL é de pelo menos 100 vezes maior do que
o resistor R em série. Por esta razão, a fonte é estável e o semiciclo negativo aparece na saída.
Na figura abaixo mostra a forma de onda de saída. A metade positiva do ciclo foi
eliminada. O corte não é perfeito. Numa segunda aproximação, um diodo de silício conduzindo
produz uma queda de aproximadamente 0,7 V. Pelo fato do primeiro 0,7 V ser usado para
ultrapassar a barreira de potencial, o sinal de saída é cortado perto de +0,7 V e não em zero.
Se você reverter à polaridade do diodo da figura a seguir, obterá um limitador negativo
que retira o semiciclo negativo. Neste caso, o nível de corte é próximo de -0,7 V.
LIMITADOR POLARIZADO
Com o limitador polarizado da figura acima você pode deslocar o nível de corte para V
+0,7. Quando a tensão de entrada for maior do que V +0,7, o diodo abrirá e o circuito se
transformará num divisor de tensão. Como anteriormente, a resistência de carga deve ser
muito maior do que a resistência em série; então a fonte é estabilizada e toda a tensão de
entrada chega na saída.
ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES
Você pode combinar limitadores com polarização positiva e negativa como mostra a
figura abaixo. O diodo D1 liga quando a tensão de entrada excede V +0,7; este é o nível
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positivo de supressão. Analogamente. O diodo D2 conduz quando a entrada é mais negativa do
que - Vi - 0,7; este é o nível negativo de supressão. Quando o sinal de entrada for grande, isto
é, quando Vp for muito maior do que os níveis de supressão, o sinal de saída se assemelhará a
uma onda quadrada como na figura a seguir.
VARIAÇÕES
O uso de baterias para se ajustar o nível de ceifamento é impraticável. Uma
aproximação consiste em se acrescentar mais diodos se silício, porque cada um produz uma
compensação de 0,7 V. Como cada diodo tem uma compensação de cerca 0,7 V, o par de
diodos produz um nível de supressão de aproximadamente + 1,4 V. Não há limite quanto ao
número de diodos usados, e isto é pratico, pois os diodos são baratos.
Os limitadores às vezes são usados para proteger a carga de uma tensão excessiva. Por
exemplo, na figura a seguir, há um 1N914 protegendo a carga (não aparece na figura) contra
tensões de entrada excessivamente grandes. O 1N914 conduz quando a entrada excede +5,7
V. Dessa forma, uma tensão de entrada destrutivamente grande como +100V nunca atinge a
carga porque o diodo ceifa em +5,7 V a tensão máxima que atinge a carga.
A propósito, um circuito da figura abaixo geralmente é chamado grampo de diodo porquê
ele mantém o sinal num nível fixo. Ele positivamente grampeia a tensão de saída em +5,7 V
quando a tensão de entrada excede esse nível. A utilização comum de um grampo de diodo é
de proteger a carga.
Às vezes é usada uma variação como a da figura anterior para retirar a compensação
que limita o diodo D1. A ideia c o seguinte: o diodo D2 está polarizado ligeiramente para a
condução direta, de modo que passa aproximadamente 0,7 V através dele. Este 0,7 V é
aplicado a 1 k em série D1 c 100 k . Isto quer dizer que o diodo D1 está prestes a conduzir.
Portanto, quando chega um sinal, o diodo D1 conduz próximo de 0 V.
2.8 - GRAMPEADOR CC
O grampeador de diodo é uma variação do limitador discutido na seção anterior. O
grampeador cc é diferente, portanto não confunda os dois termos. O grampeador cc soma uma
tensão cc ao sinal. Por exemplo, se o sinal que chega oscila (varia) de -10 V a +10 V, um
grampeador cc positivo produziria uma saída que idealmente oscila de O a +20 V. (Um
grampeador cc negativo produziria uma saída entre O e -20 V).
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GRAMPEADOR POSITIVO
Na figura a seguir mostra um grampeador cc positivo. Idealmente o seu funcionamento é
apresentado a seguir. No primeiro semiciclo negativo de tensão de entrada, o diodo conduz,
como mostra a figura abaixo. No pico negativo, o capacitor se carrega até Vp com a polaridade
indicada.
Um pouco depois do pico negativo, o diodo desliga, como aparece na figura seguinte. A
constante de tempo RLC é feita deliberadamente muito maior do que o período T do sinal que
entra. Por esta razão, o capacitor permanece quase completamente carregado durante o tempo
em que o diodo fica desligado. Numa primeira aproximação, o capacitor funciona como uma
bateria de Vp volts. Esta razão da tensão de saída na figura abaixo ser um sinal grampeado
positivamente.
Na figura a seguir mostra o circuito como é desenhado normalmente. Como diodo
produz uma queda de 0,7 V ao conduzir, a tensão do capacitor praticamente não chega Vp. Por
esta razão, o grampeador cc não é perfeito e os picos negativos ocorrem em 0,7 V.
GRAMPEADOR NEGATIVO
O que acontece se invertermos o diodo na figura abaixo? A polaridade da tensão do
capacitor se inverte, e o circuito torna-se um grampeador negativo. Tanto o grampeado positivo
como o negativo são amplamente usados. Os receptores de TV, por exemplo, utilizam um
grampeador cc para somar uma tensão cc ao sinal de vídeo. Na especialidade televisão, o
grampeador cc é geralmente chamado restaurador cc.
RECURSO MNEMÓNICO
Para se lembrar para que lado o nível cc do sinal se movimenta, observe a figura
anterior. Note que a seta do diodo aponta para cima, o mesmo sentido do desvio cc. Em outras
palavras, quando o diodo aponta para cima, você tem um grampeador cc positivo, quando
aponta para baixo, o circuito é um grampeador negativo.
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CAPITULO 3
TRANSISTOR BIPOLAR
3.1 - DESCRIÇÃO
O transistor é um componente indispensável para qualquer circuito que desenvolva
funções de amplificação, controle, processamento de dados, etc. Neste capitulo, focalizamos o
transistor bipolar, com suas principais características.
A palavra transistor resulta da combinação de duas outras - transfer-resistor -, que
descrevem sua principal função: transferência de resistência.
No estagio atual da tecnologia, o transistor é um componente fundamental e
indispensável a qualquer circuito que desenvolva funções de amplificação, controle,
processamento de dados, recepção de radio e TV.
Em 1949, Shockley criou o transistor bipolar a partir de pesquisas realizadas
anteriormente por Bardeen e Brittain sobre fenômenos elétricos em semicondutores. Os três
cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956. O transistor bipolar pode ser
empregado como dispositivo discreto ou como dispositivo básico incorporado a um circuito
integrado bipolar. Ele constitui um dispositivo semicondutor, com a propriedade de controlar a
intensidade corrente que circula entre dois dos seus terminais, graças à ação de uma corrente
menor do que a anterior, aplicada a um terceiro terminal. Os dois primeiros terminais chamamse emissor e coletor, e terceiro, base.
Na realidade, o transistor bipolar é um amplificador de corrente. Aplicando-se em sua
base uma corrente de pequena intensidade, com qualquer variação no tempo, como sinais de
áudio, radio, TV e outros, obtém-se uma variação muito maior na corrente que circula entre o
emissor e o coletor desse transistor.
Essa corrente, portanto, tem a mesma forma de onda da corrente de base, e é fornecida
pela fonte de alimentação. Nessas condições, por meio de sucessivos estágios, é possível
transformar um fraquíssimo sinal de entrada num sinal suficientemente potente para produzir a
emissão de som num alto-falante ou a formação de imagens numa TV, ou, ainda o
acionamento de um motor.
O funcionamento de um transistor bipolar pode ser estudado com base na introdução
teórica feita no capitulo dedicado ao diodo semicondutor. O transistor é composto,
basicamente, de duas junções semicondutoras que se contrapõem. Admitindo-se uma estrutura
formada por duas áreas de material semicondutor tipo N e que, entre essas duas áreas,
encontra-se um fina camada de semicondutor tipo P, teremos duas junções: uma N-P e outra PN. Como nos diodos, antes de estabelecer o equilíbrio, há um movimento de elétrons das
regiões N para a região P, o que provoca a presença de duas zonas de carga espacial, onde
aparece uma diferença de potencial.
As duas regiões N, como perderam elétrons, adquirem um potencial positivo em relação
à região P, que, por isso, se torna negativa. O potencial negativo da região P em relação às
regiões N evita que novos elétrons se dirijam para a região P. vamos denominar a primeira
região N de emissor, a região P intermediária de base e a segunda região N de coletor do
transistor. Se aplicarmos uma bateria entre o emissor e a base, com o terminal positivo na
base, reduzirmos a barreira de potencial da junção N-P, pois tornaremos a região P mais
positiva, permitindo que os, elétrons passem do emissor para a base, e tendo, por isso, a
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junção polarizada diretamente.
Aplicando-se agora uma segunda bateria entre a base e o coletor, com o terminal
negativo na base e o positivo no coletor, teremos nessa junção P-N uma polarização inversa.
A redução da barreira entre o emissor e a base permite a passagem de elétrons do
emissor e a base permite a passagem de elétrons do emissor para a base. Sendo a base
estreita, os elétrons atravessam. Chegando na junção coletor-base, encontram o coletor muito
mais positivo que a base. Por isso, "caem" através da barreira para o coletor. Alguns poucos
elétrons ficam na base, dando origem à corrente de base.
É fácil verificar no diagrama abaixo que, quanto mais estreita a base, maior o número de
elétrons que conseguem atravessá-la e menor a corrente de base. Se, por exemplo, a corrente
de emissor for de 200 mA e a corrente de base 2 m A, teremos um ganho de correspondente
de 100. Se a corrente de emissor passar a 5 mA, a corrente de emissor passará a 500 mA,
mantendo o ganho 100.
Uma pequena variação de 3 mA, por exemplo, na corrente de base, produz uma grande
variação (300 mA) na corrente principal entre o emissor e o coletor. O ganho de corrente (100,
no exemplo acima) é indicado por β (beta).
Na explicação acima, consideramos o sentido real de circulação de corrente seguido
pêlos elétrons. Trocando-se as regiões N por regiões P e vice-versa, obtém-se um transistor
com emissor P, base N e coletor P, ou seja, um transistor PNP. Num transistor PNP, para
polarizar diretamente a junção base-emissor, baixando-se a barreira potencial, deve-se aplicar
o terminal positivo no emissor p e o terminal negativo na base N. Com relação à polarização
Inversa da junção base-coletor, deve-se aplicar o terminal positivo da bateria da base N e o
negativo no coletor P. Com isso, são invertidos todos os sentidos de circulação das correntes.
Ainda abordando o comportamento elétrico dos semicondutores, vamos nos referir à
lacuna, que é a ausência de um elétron, provocada pela introdução de uma substância
trivalente numa estrutura de semicondutor tetravalente.
Uma lacuna pode ser coberta por qualquer elétron de átomos vizinhos. Se isso ocorrer, a
lacuna passa para esse átomo vizinho; assim, sucessivamente, a lacuna pode se propagar por
todo o cristal. Como a lacuna tem um movimento em sentido contrário ao dos elétrons (pois é
um buraco que vai sendo preenchido), considera-se que ela tenha uma carga positiva.
Uma propriedade muito interessante do transistor é a sua capacidade de operar como
fonte de corrente por intermédio do seu coletor, ou seja, ao fornecer a um resistor a ele ligado
uma corrente cujo valor independe do valor do resistor. A variação da corrente de base
produzirá, no resistor, variações de tensão calculáveis com a aplicação da Lei de Ohm (V = IR).
As variações de tensão no coletor dependem das variações da corrente de base e do valor do
resistor R ligado ao coletor; quanto maior o valor do resistor R, maior será a variação de tensão
no coletor, dentro, evidentemente, dos limites fixados pela tensão externa da alimentação. Esse
efeito denomina-se amplificação: a amplificação é calculada pela relação entre a tensão obtida
no resistor, chamada de carga, e a tensão aplicada à junção base-emissor provocada pela
corrente de base.
3.2 - CONCEITO DE AMPLICAÇÃO
O transistor é um componente que pode ser empregado numa série extensa de funções
no interior de um circuito eletrônico. Para isso, basta propiciar as condições necessárias de
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funcionamento, como, por exemplo, associar o transistor a um certo número de componentes
auxiliares, formando com eles um circuito eletrônico e aplicando a esse circuito eletrônico e
aplicando a esse circuito uma fonte de alimentação. Uma das funções mais importantes do
resistor é a amplificação, que consiste em ampliar um sinal' elétrico que contenha determinada
informação. Esse sinal, sob a forma de tensão associada a uma certa corrente, é aplicador à
entrada do elemento amplificador, o qual, na saída, fornece um outro sinal que contém a
mesma informação, mas caracterizado por um nível mais alto de tensão ou de corrente, ou
seja, aplicada uma corrente de certa intensidade a um de seus terminais de entrada (base ou
emissor), o transistor de diferentes maneiras, obtém-se os tipos de amplificação conhecidos; de
potência, de tensão e de corrente.
Um dos circuitos de amplificação, ou estagio amplificador, mais usados é o chamado
emissor comum. Esse circuito é reproduzido no desenho anterior, onde se verifica que o
terminal, onde verifica-se que o terminal do emissor é comum à entrada e à saída. A entrada do
sinal é feita através da base, enquanto a saída se dá através do coletor.
Para estudar o funcionamento desse circuito é necessário examinar o que acontece
quando se aplica uma tensão continua. Do diagrama a seguir mostra esse estágio, em que é
aplicada uma pilha com uma determinada tensão (Vb) ao circuito de base e uma outra com
tensão (Vc) ao circuito do coletor, através de dois resistores denominado Rb e Re,
respectivamente. A tensão (Vb) da pilha está com o seu terminal positivo voltado para a base
do transistor e o seu terminal negativo no emissor. No transistor NPN do diagrama 2, a junção
emissor-base (N-P), portanto, é polarizada diretamente, pois com a aplicação do terminal
positivo na base reduziremos a barreira de potencial da junção (N-P), tornando a região P mais
positiva, permitindo a passagem de corrente elétrica pela junção.
Assim, no circuito de base circulará uma determinada corrente (ib), cujo valor depende
do valor da resistência Rb. Já a junção base-coletor (P-N) é polarizada inversamente, mas,
graças ao efeito transistor (passagem de elétrons do emissor para o coletor através da base),
estabelece-se uma corrente (Ic) no circuito do coletor, que provoca uma diferença de potencial
nos terminais do resistor Re. A corrente de coletor está diretamente relacionada com corrente
de base. Aumentando ou diminuindo o valor de Rb, produzimos o aumento ou a diminuição da
corrente da base, o mesmo acontecendo à do coletor, mas com maior amplitude de variações;
em consequência, a tensão nos terminais do resistor Re também varia.
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Dessa forma, obtém-se uma amplificação de corrente. Os valores dessa amplificação
recebem o nome de ganho e nesse caso é determinado pelo fato β (beta), definido como o
ganho em corrente continua do transistor e dada pela relação:
A corrente de entrada Ib controla, portanto, os valores da corrente de saída Ic. Uma
variação da corrente Ic provoca uma variação de tensão nos terminais do resistor Re. Se, ao
invés de uma variação no valor do resistor Rb, houver uma variação na tensão da pilha,
ocorrerá o mesmo efeito de variação de Ib estudado até este momento. O esquema mais
comum de um estágio amplificador desse tipo está representado no diagrama acima. Nesse
esquema, substituem-se as baterias por uma indicação de tensão (+ V). Ao terminal de" base
ligam-se dois resistores Rb l e Rb2 que o polarizam, enquanto o coletor recebe a tensão
continua através de Re. Com isso, tem-se uma determinada circulação de corrente de base (Ib)
e uma outra (Ic) no coletor; em consequência, no ponto de ligação entre Re e o coletor (a
saída), ocorre uma tensão Vc menor que (+ V) e no ponto de ligação entre os terminais de Rb1
e Rb2 ocorre uma tensão Vb, menor, também, que (+ V). Se agora aplicarmos uma tensão com
forma de onda semelhante à da entrada, mas de maior amplitude. Isso é fácil de perceber, se
você lembrar que a corrente Ic pode ser controlada pela variação da tensão na base. Observe
que aumentando-se o valor da tensão na base e vice-versa. Assim, é obtido um ganho de
tensão dado pela relação:
Foram analisados, então, dois aspectos funcionais características de um estágio
amplificador por transistores:
Ponto de trabalho (ou o ponto de operação, ou ponto de polarização).
Ganho de sinal.
O primeiro é determinado pela corrente continua que atravessa o transistor e pelas
tensões contínuas aplicadas em seus terminais. Esse fator depende dos valores de Rb 1, Rb2
e Rc. Dependendo da corrente contínua que foi aplicada na base, vai circular uma corrente
maior ou menor, sempre contínua, no coletor; esta, por sua vez, vai produzir diferenças de
potencial nos terminais do resistor Re.
O segundo fator refere-se ao comportamento do circuito na presença de tensão
alternada (sinal de entrada). Esse comportamento só é perfeito se o ponto de trabalho for
escolhido corretamente. Se assim não for, o sinal na saída, mesmo amplificado, pode sair
distorcido total ou parcialmente as características do sinal de entrada.
Portanto, observe a grande importância da escolha correta dos valores Rb 1, Rb2 e Re.
Essa escolha deve ser feita a partir de estudos e analises que levam em conta inclusive a
própria características do transistor a ser polarizado.
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No circuito do diagrama acima foi acrescentado um quarto resistor (Re), colocado entre
o emissor e o ponto comuns, situados, por sua vez, entre a entrada e a saída. Esse resistor
tem a função de estabilizar o ponto de trabalho do transistor.
Quando o transistor é empregado como amplificador, ocorre um fenômeno que atua
sobre suas características e seu ponto de operação. Trata-se de uma variação da corrente
contínua de coletor em função da temperatura. Na pratica, a corrente Ic não permanece
constante para uma corrente Ib determinada, aumentando com a elevação da temperatura e
diminuindo quando ela desce. Esse fenômeno tem maior importância nos circuitos que
trabalham com potências elevadas, pois estão sujeitos a aquecimento durante o
funcionamento.
Com o aumento da corrente Ic, o ponto de operação do transistor se desloca, não
permitindo mais a ocorrência de grandes variações de sinal. Com esse fenômeno, o sinal
senoidal de saída sofre saturações e cortes, que resultam na sua distorção.
Para reduzir esse inconveniente, faz-se o acréscimo de um resistor Re ao circuito. Com
o aumento de temperatura, a corrente Ic também aumenta. Esse aumento acarretará uma
elevação de tensão nos terminais Re que através da junção base-emissor, fará diminuir a
corrente na base, diminuindo, portanto, a corrente de Ic.
3.3-OSCILOSCÓPIO
O osciloscópio é um instrumento de medida que tem um enorme campo de aplicações.
Com uma grande vantagem: ele permite "visualizar" as variações dos sinais no tempo, além
dos níveis de corrente ou de tensão. O osciloscópio de raios catódicos é um instrumento de
medida que tem um enorme campo de aplicações. Ele pode ser usado quase exclusivamente
como aparelho de laboratório de pesquisa e desenvolvimento ou como importante auxiliar em
outros trabalhos do campo elétrico e eletrônico, além de encontrar aplicação em vários setores
tecnológicos.
A principal vantagem do osciloscópio em comparação com os outros aparelhos de
medida é que permite "visualizar" a variação no tempo dos sinais aplicados em sua entrada,
além dos níveis de corrente ou de tensão em qualquer ponto de seu percurso. O elemento
básico para a visualização dos sinais é o tubo de raios catódicos: em seu visor são produzidas
as representações dos sinais.
Originalmente, o visor tinha forma circular, mas hoje predominam os formatos quadrado
e retangular. No caso do visor circular, a superfície útil é de cerca de 10 cm de diâmetro; no
quadrado, de 10 X 10 cm; e 10 X 8 cm, no retangular. Os fósforos que recobrem o visor
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determinam sua persistência, que é um fator muito importante para a observação do
movimento das ondas. Em geral, o efeito dê persistência é muito pequeno, exceção feita para o
caso dos osciloscópios especialmente projetados para alta persistência.
O sistema de reflexão baseia-se num princípio bastante diferente do utilizado em
televisão. O tubo catódico incorpora em seu próprio trabalho interior um sistema de quatro
pequenas chapas defletoras que funcionam eletrostaticamente; ou seja, sobre elas aplica-se
uma tensão que exerce uma ação de atração ou repulsão, dependendo da polaridade, sobre os
elétrons do feixe. Essas pequenas placas são colocadas cm pares com as faces em paralelo,
duas em posição vertical e duas em posição horizontal. O intervalo entre as placas depende da
forma geométrica do tubo. As chapas verticais são encarregadas da deflexão horizontais
movem o raio eletrônico verticalmente.
O fenômeno da deflexão exige a aplicação de tensões relativamente elevadas sobre as
chapas, tanto nas horizontais como nas verticais. As tensões que se aplicam nas chapas
verticais -chamadas do "horizontal", pois produzem este movimento - são gerados por um
circuito denominado varredura horizontal ou base dos tempos, na maior parte dos osciloscópios
é possível aplicar na horizontal, no lugar da varredura, um sinal externo que, convenientemente
amplificado, é aplicado nas placas de deflexão do tubo.
As tensões aplicadas nas pequenas placas verticais provêm do sinal que se deseja
visualizar, graças a um amplificador interno que recebe o sinal do exterior e o eleva ao nível
suficiente. Tendo em vistas que o osciloscópio deve admitir formas de onda de amplitude muito
variada, o ganho desse amplificador deve poder variar no interior de uma ampla margem de
possibilidades.
É necessário que entre o sinal que se deseja observar e o circuito da base dos tempos
exista uma certa correlação. Assim, será produzida representação de uma forma de onda
completamente estática. Caso contrario, a imagem observada ficaria em contínuo movimento,
tornando praticamente impossível a sua análise. O que garante isso é um circuito de
sincronização ou de amarração. O circuito de sincronização faz com que o gerador de
varredura tenha uma frequência do sinal vertical (múltipla ou submúltipla). O sinal de
sincronização pode ser gerado internamente (no osciloscópio) a partir do sinal vertical (sinal
automático), ou ser aplicado externamente através de uma entrada, indicada por "pulso de
disparo" (trigger).
Outra possibilidade que a maioria dos osciloscópios modernos oferecem é a de poder
representar simultaneamente dois sinais distintos no visor. Naturalmente, eles são aplicados
através de entradas diferentes. Para esta finalidade, o aparelho dispõe de dois canais os sinais
a um tubo de raios catódicos de feixe duplo ou a um sistema que os comuta para um único
feixe. Desse modo, é possível representar as duas formas de onda ao mesmo tempo.
Resumindo, um osciloscópio apresenta as seguintes características:
Número de entradas:
Um ou dois canais de entrada do sistema a ser representado.
Uma entrada para o sincronismo a partir de um sinal externo.
Alguns modelos dispõem de uma entrada suplementar para ser utilizada
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Impedância de entrada:
Da ordem de 1 M , quantia que pode ser elevada com a utilização de pontas de prova
especiais.
Reposta em frequência:
Varia, dependendo do modelo de 500 kHz até 100 MHz, ou mais.
Sensibilidade:
Podem se representados sinais com níveis compreendidos entre poucos milivolts até
centenas de volts; as possibilidades podem ser aumentadas ainda com a utilização de sondas
atenuadoras.
Base de tempo:
Permite representar sinais ou porções de sinal com tempos que podem ser selecionados
à vontade entre frações de microssegundos e vários segundos.
Sincronização:
interna ou externa, selecionável.
Memória:
Alguns modelos de osciloscópio oferecem a possibilidade de imagem na tela, mesmo
que o sinal de entrada seja removido.
O elemento interno mais importante do osciloscópio é o tubo de raios catódicos (TRC).
Por isso, é fundamentais conhecer com precisão os seus princípios de funcionamento, e as
suas características, para poder desfrutar todas as possibilidades do instrumento e evitar
qualquer operação que possa danificá-lo, já que se trata de um dos componentes mais caro do
aparelho.
O tubo de raios catódicos é constituído por uma ampola de vidro, na qual é feito vácuo e
que contém diversos eletrodos são acessíveis por meio de contatos situados na base ou
soquete da ampola e em alguns pontos de seu próprio corpo.
A parte frontal do tubo constitui a tela que é plana e recoberta internamente por uma
camada de fósforo que emite luz quando atingida em algum ponto por um feixe de elétrons. A
quantidade de luz emitida depende da intensidade com que o feixe chega à tela.
Por feito termoiônico, os feixes de elétrons ou raios catódicos são gerados por uma
filamento, o cátodo. Depois do cátodo há três eletrodos, cuja função é controlar o feixe.
O primeiro dos eletrodos que o feixe encontra na sua trajetória em direção à tela é a
grade de controle, que tem uma tensão negativa em relação ao cátodo. Regulando esta tensão
por meio de um potenciômetro, pode-se fazer passar um numero maior ou menor de elétrons,
aumentando ou diminuindo a luminosidade no ponto de incidência do feixe na tela.
Esse potenciômetro está situado num ponto externo do aparelho e é indicado com as
palavras BRILHO ou INTENSIDADE (do inglês BRIGHTNESS ou BEAMINTENSITY). Os dois
outros eletrodos têm a função de aceleração e regulagem do foco. Para isto, eles recebem uma
tensão de aceleração e relativamente elevada, de algumas centenas de volts, que imprime ao
feixe uma velocidade mais alta.
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O ajuste de foco é obtido graças à diferença de potencial existente entre os dois ânodos,
sendo o primeiro ligeiramente mais negativo que o segundo. Variando a diferença de potencial,
pode-se obter o foco do feixe de elétrons numa pequena região da tela, e isso é feito por um
potenciômetro, que também é acessível na parte externa, indicando pelas palavras FOCO ou
FOCUS.
Depois dos eletrodos de que já tratamos, existem as placas de deflexão. Elas têm a
função de atrair ou repelir o feixe de elétrons e, dessa maneira, modificar sua trajetória para
fazê-lo postar-se em qualquer ponto da tela.
A tensão média existente nas placas de deflexão vertical ou horizontal é quase igual
àquela que é aplicada ao ultimo ânodo, para não alterar a velocidade dos elétrons e fazer com
que, na ausência de tensão de deflexão, o feixe de elétrons atinja o centro geométrico da tela.
Se a esta tensão de polarização sobrepor-se uma segunda tensão diferencial entre as duas
placas laterais, observa-se uma deflexão horizontal do ponto luminoso - que antes se achava
no centro - para um dos bordos verticais da tela.
Direção desta deflexão depende da placa em que se aplica o positivo da segunda
tensão, já que esta exercerá uma força de atração sobre o feixe, e a placa negativa, uma força
de repulsão. Em sequência, o efeito final será a soma das forças e o ponto se aproximará do
lado da tela correspondente à placa mais positiva.
As placas de deflexão vertical trabalham de modo semelhante às placas de deflexão
horizontal mas, neste caso, o feixe se deslocamento de cima para baixo e vice-versa.
A amplitude do deslocamento do ponto sobre a tela em relação ao centro, quando se
aplica uma tensão ao centro, quando se aplica uma tensão de deflexão, pode ser calculada
com a seguinte fórmula matemática:
Aqui devem ser considerados os seguintes fatores:
ℓ : comprimento total das placas de deflexão;
L: distancia da tela medida a partir do centro das placas;
d: separação entre as placas;
Va: tensão de aceleração aplicada ao ultimo ânodo e às placas.
Nesta fórmula, nota-se que ℓ, L e d são valores fixos e invariáveis que dependem das
características do tubo de raios catódicos, e Vá e uma tensão constante. Portanto, e = k/Vd,
sendo que a letra k representa o quociente de todos os valores constantes, ou seja:
Também k tem um valor constante para cada tipo de tubo. Em consequência, pode-se
observar que a deflexão obtida na tela depende unicamente da tensão de deflexão aplicada, e
é diretamente proporcional a esta.
A partir daí, deduz-se que o tubo de raios catódicos é um instrumento capaz de permitir
medições de tensões desde que se conheçam as suas características geométricas. Para obter
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a medida do potencial aplicado à placa de deflexão, basta medir o deslocamento que se
observa sobre a tela e multiplicá-lo pela constante k.
Há um parâmetro que exprime a maior ou o menor capacidade do tubo de produzir, com
aplicação de pequenas tensões, desvios mais intensos do feixe. Esse parâmetro é chamado
sensibilidade, e representa o espaço percorrido pelo ponto luminoso na tela em unidades de
comprimento, quando se aplica uma tensão de 1 V às placas de deflexão. Portanto, a
sensibilidade será:
Como se pode nptar, essa sensibilidade depende exclusivamente das características de
construção do tubo. Para aumentar as Máximo a sensibilidade, aumentar-se o cumprimento
das placas de deflexão porque, como foi mostrado na fórmula anterior, o comprimento das
placas tem uma influência direta na sensibilidade.
Por outro lado, deve-se recorrer ao emprego de placas que sejam paralelas até certo
ponto, e depois divergentes, para evitar que os elétrons atinjam os bordos das placas e não
atinjam, assim, a tela.
Das fórmulas dadas aqui, deduz-se que, quando se eleva a tensão de aceleração
aplicada ao ultimo ânodo, obtém-se uma diminuição da sensibilidade e que, por outro lado, se
essa tensão desce a um nível muito baixo, a luminosidade do ponto sobre a tela diminui até
tornar-se quase invisível.
É necessário, portanto, um dispositivo adicional que elimine esse inconveniente. O
dispositivo pode ser um eletrodo intensifícador colocado entre as placas de deflexão e a tela, a
uma distancia muito pequena da tela, na qual é aplicada uma elevada tensão que garante a
luminosidade sem prejudicar a sensibilidade de deflexão.
A tensão continua aplicada entre as placas de deflexão é ajustada na parte externa por
alguns potenciômetros que agem sobre a posição do ponto luminoso. Esses potenciômetros
são indicados com a palavra POSICIONAMENTO HORIZONTAL (HORIZONTAL POSITION) e
POSICIONAMENTO VERTICAL (VERTICAL POSITION).
As tensões de deflexão aplicadas devem ser geradas no osciloscópio por amplificadores
internos que aumentam o nível dos sinais aplicados à entrada. Deve-se então, dispor de um
mínimo de três amplificadores para realizar as seguintes funções:
Amplificador vertical (Y)
Amplificador horizontal (X)
Base do tempo ou circuito de varredura horizontal.
Tanto o amplificador horizontal quanto o vertical devem atender a algumas exigências
muito especifica, com o objetivo de fazer a reprodução mais fiel possível do sinal aplicado. Com
isso, qualquer erro ou distorção produzidos se traduzem numa representação infiel do sinal
sobre a tela, e isso poderá ser erroneamente interpretado como um defeito no ponto do circuito
que se está examinando.
Portanto, o ganho deve ser uniforme em todas as faixas de frequência nas quais o
osciloscópio trabalha, para que a curva característica amplitude-frequência seja linear. É
necessário também que o atraso produzido pelo amplificador, em relação ao sinal aplicado,
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seja constante e invariável para qualquer frequência. Se isso não ocorrer, serão produzidas
distorções em todos os sinais que contém uma certa quantidade de frequências distintas, pois
algumas frequências seriam amplificadas em níveis diferentes, mudando substancialmente a
forma da onda.
Uma outra característica que deve ser destacada é a possibilidade de medir tensões
continuas, por meio de um recurso encontrado na maioria dos osciloscópios modernos. Para
isso, é preciso que os amplificadores, principalmente o vertical, sejam projetados de modo que
não necessitem de capacitores de acoplamento entre os diversos estágios, e que sejam
capazes de trabalhar com tensões de frequências muito baixas, com pouca margem de erro.
Esses amplificadores são construídos com base de estágios diferenciais ou simétricos.
Outra característica importante, que deve ser levada em conta, é que os sinais a serem
medidos têm diversas procedências e diversas amplitudes. É necessário, então, um sistema
capaz de regular o ganho, de modo que a amplificação dos sinais mais fortes seja mais fraca
em relação à amplificação dos sinais menos intensos.
Por outro lado, deve haver uma perfeita calibragem desse ganho, para que se possa
fazer medidas de nível e amplitude confiáveis. Em resumo: deve ser possível representar o
sinal na dimensão ou altura mais conveniente para observação. Isso requer uma regulagem do
ganho em, patamares selecionados na parte externa.
Para realizar todas essas funções, utiliza-se um circuito atenuador com vários degraus
selecionáveis, que permitem escolher o degrau mais apropriado para a observação. Esse
circuito é colocado antes do amplificador e acoplado à entrada do aparelho. O efeito do
complexo atenuador-amplificador produz ganho variável necessário.
As exigências impostas aos atenuadores são semelhantes às dos amplificadores, no que
diz respeito à absoluta fidelidade da transmissão do sinal. Os atenuadores devem ainda
atender uma ultima exigência, ou seja, a de fornecer uma impedância elevada, correspondente
à impedância de entrada do osciloscópio. Para esta função utilizam-se geralmente estágios
transistorizados, conhecidos como seguidores de emissor, devido à sua propriedade de alta
impedância na saída.
A resistência de emissor pode, por sua vez, ser dividida em várias partes selecionáveis
com o comutador ou seletor de amplitude, obtendo-se assim os indispensáveis níveis de
ganho. A largura de faixa que um osciloscópio é capaz de reproduzir é definida pela faixa de
frequência a ele aplicada, pode ser representada na tela sem que sua amplitude seja
influenciada pelo aparelho. Na realidade frequência de corte, para a qual existe uma atenuação
de 3 dB.
Já dissemos que, para poder representar na tela o sinal aplicado à entrada vertical, há
duas alternativas. Uma delas consiste em aplicar uma tensão a placas horizontal, proveniente
de uma entrada externa (X) por meio de um sistema atenuador-amplificador similar à da vertical
(Y).
Outra alternativa é utilizar o circuito interno do osciloscópio, denominado base de tempo
ou circuito de varredura já preparado para obter os níveis de tensão necessários para a
deflexão. O ultimo circuito - base do tempo — produz uma forma de onda muito peculiar,
denominada dente de serra. Esse sinal é formado por dois trechos de variação de tensão, um
veloz e outro lento, e o feixe eletrônico se desloca para uma das extremidades.
Do mesmo modo em que varia a tensão de deflexão, o feixe se dirige gradualmente ao
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outro extremo. Quando termina esse trecho, tem inicio uma variação rápida no sentido
contrário, e o feixe se desloca rapidamente para a extremidade inicial.
Com esta forma de onda no canal horizontal (X), cujo valor e deslocamento são
proporcionais ao tempo, consegue-se visualizar as subidas e descidas do feixe vertical. Para o
osciloscópio trabalhe com sinais de diversas frequências, é necessário dispor de dentes de
serra de varias durações, ou seja, de varreduras com diferentes períodos.
Para isso, deve-se fazer com que os geradores internos variem a própria frequência por
meio de um comutador acessível na parte externa, que permita degraus perfeitamente
calibrados em unidades de tempo para cada divisão da tela. Dessa maneira, um osciloscópio
pode produzir, no próprio circuito de base de tempo, frequências de varredura muito baixas ou
muito altas.
A base de tempo a ser escolhida depende do sinal que se observar. Por exemplo, se
quer observar na tela do osciloscópio uma forma de onda de frequência de ordem de 1 Khz,
temos que escolher uma base de tempo de pelo menos 0,5 ms/cm ou 0,5 ms/divisão, pois
como T = 1/F, período do sinal será de 1 ms.
Com isso, um ciclo de sinal ocupará 2 cm ou duas divisões na tela. Se escolhermos uma
base de tempo de 1 ms/cm ou l ms/divisão, um ciclo do sinal ocupara apenas l cm da tela. Se,
em vez de utilizar a base de tempo, se aplicar à entrada X um sinal externo, a junção desse
sinal com o do canal Y - no caso de ambos serem senoidais - produz na tela curvas muito
características, genericamente denominadas figuras de Lissajous.
Pode se obter inúmeras combinações de pares amplitude-frequência para cada um dos
dois sinais alternados, que produzirão inúmeras formas na tela do osciloscópio. As aplicações
mais comuns dessas curvas são as seguintes:
comparação de frequências
medida de deformações ou distorções
medida de,defasagem
medida das frequências
Os osciloscópios de duplo canal ou de duplo traço estão se difundindo cada vez mais no
mercado, devido às grandes vantagens que oferecem e suas numerosas aplicações. Esses
aparelhos contêm dois amplificadores verticais (Y), geralmente idênticos, que permitem
amplificar e representar dois sinais independentes. Portanto, a grande vantagem desse
osciloscópio é tornar possível a observação simultânea dos dois sinais aplicados às suas
entradas.
Existem duas maneiras de construir um osciloscópio de duplo canal:
- empregando-se um tubo de raios catódicos com duplo de feixe eletrônico e dupla série
de plaquetas verticais e horizontais de deflexão;
- empregando-se um tubo de raios catódicos convencional, dotado de um sistema de
comutação em condições de apresentar os dois sinais alternadamente. Nessas duas maneiras,
os sinais que se pretende visualizar permanecem nitidamente separados durante todo o seu
percurso através dos circuitos do osciloscópio, atingindo depois o tubo, em cujo interior também
não existe nenhuma interação entre eles.
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A primeira maneira é bastante simples, pois os sinais aplicados às entradas verticais
chegam à dupla série de placas verticais e horizontais, e cada unia delas produz sua própria
deflexão sobre o feixe catódico correspondente. O circuito da base de tempo pode ser comum
a ambas ou independente. Caso ele seja comum, a deflexão horizontal deve ser escolhida de
tal maneira que o período de afastamento da tela permita visualizar facilmente os dois sinais
aplicados às entradas. Se for independente, as deflexões são escolhidas independentemente
uma a outra. Assim, o formato de cada sinal pode ser escolhido em separado.
Um segundo tipo de osciloscópio de duplo canal é dotado de um sistema de comutação
que pode se utilizado de duas formas diferentes à vontade, por meio dos comandos externos
no aparelho. Essas formas são as seguintes:
- sistema alternado
- sistema comutado (choppede)
Quando o osciloscópio trabalha de modo alternado, um dos canais se apresenta na tela
como os dentes de serra correspondentes aos números pares do sinal de deflexão horizontal,
produzido pela base de tempo, enquanto o outro canal se apresenta com os dentes de serra
correspondentes aos números impares.
No interior de cada canal se sobrepõe uma tensão contínua diferentes, separando os
sinais presentes na tela. Dessa forma, pode-se comparar seus diferentes pontos e a posição de
cada sinal é regulada independentemente por meio de dois comandos próprios situados
externamente. Quando se emprega esse sistema e a velocidade de varredura escolhida é alta,
a visão não percebe as alternâncias sucessivas e o resultado é uma visão simultânea e
continua dos dois canais na tela do aparelho. Se, porém, tivermos uma velocidade de varredura
baixa, a visão captará nitidamente e não-simultaneidade da representação na tela.
Quando o osciloscópio trabalha no modo comutado, o sistema de deflexão vertical passa
rapidamente de um canal para outro durante todo o tempo de duração dos dentes de serra
aplicados às placas (varredura horizontal). Dessa maneira, o período do sinal de cada um dos
canais é praticamente o mesmo.
Esse sistema, ao contrário do anterior, é eficaz quando se escolhem velocidades de
varredura horizontal baixas e, portanto, se tem sinais lentos no sistema de deflexão vertical,
uma vez que a vista não consegue perceber os saltos do feixe e tem impressão de observar ao
mesmo tempo os dois canais. Além disso, quando a velocidade de varredura é alta
(considerando-se que o período de comutação dos sinais é sempre o mesmo), vê-se que as
formas de onda presentes nos dois canais são representadas em segmentos resultantes da
comutação.
Nos osciloscópio de duplo canal, existem diversas possibilidades para se escolher a
imagem que se deseja observar. Por um outro lado, pode-se escolher dois canais (A ou B) de
que se dispõe, para se observar o sinal, como em um osciloscópio de traço simples. Pode-se
também escolher dois canais simultaneamente (A e B) ou realizar combinações lineares entre
os dois, como a soma (A + B) ou a diferença (A - B ou B - A).
Como no osciloscópio de duplo feixe o circuito da base de tempo é geralmente comum
aos dois canais, deve-se escolher com muito cuidado o tempo de espaçamento. Com o sistema
de deflexão horizontal por meio de sinal a dente de serra, pode-se verificar que, quando o feixe
catódico retorna ao ponto de origem para dar inicio a uma nova varredura, a forma da onda do
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sinal que se quer visualizar não se encontra no ponto correspondente ao inicio da varredura
precedente.
Na tela, o fenômeno se apresenta como um movimento contínuo da forma de onda,
dando a impressão de deslocar-se da direita para a esquerda ou vice-versa, a uma velocidade
que depende da frequência do sinal em relação à frequência do dente de serra.
Pode-se corrigir esse efeito de duas maneiras. Nos osciloscópios mais simples varia-se
o período do dente de serra da varredura até fazê-lo coincidir com um múltiplo ou submúltiplo
do período do sinal cuja forma da onda seja representada. Se esta variação for contínua, podese parar forma da onda na tela.
Esse procedimento é realizado por "tentativa e erro", e o resultado torna-se satisfatório
somente quando a frequência do sinal representado por suficientemente estável. Se a
varredura não for continuar ajustando o comando que fixa o período do dente de serra, para
adequá-lo ao sinal que se quer visualizar.
Nos osciloscópios mais modernos e sofisticados, o procedimento consiste em dar partida
ao sinal horizontal e, por consequência, ao dente de serra, quando o nível do sinal a visualizar
se encontra em um determinado valor. Desse modo se verá a onda começando sempre em um
ponto fixo e se conseguirá mantê-la parada qualquer que seja a sua frequência e o dente de
serra empregado.
Obtém-se, assim, uma sincronização perfeita do sinal. O valor de tensão de^sinal
escolhido para fezer "disparar" a varredura pode ser fixado através do comando externo
correspondente, que, na maioria absoluta dos casos, traz a indicação nível de disparo (trigger
level). Pode se também preferir que o próprio osciloscópio determine o nível de disparo mais
adequado. Isso acontece por meio de um sistema denominado sincronização automática.
Os osciloscópios com memória oferecem maiores possibilidades que os convencionais,
no que diz respeito à análise e à medida das características de um determinado sinal. Graças a
eles, é possível observar sinais que variam lentamente no tempo. Esses sinais requerem
varreduras lentas, inferiores a 2 ms/div.
No osciloscópio convencional, varreduras muito lentas produziram osciloscópio ou
cintilações de imagem tão fortes que não permitiriam a visualização e a medida da forma de
onda. Outra aplicação importante é a visualização de sinais rápidos, porém de baixas
frequência de recorrência (por exemplo, uma transição de duração 1 μ.s. que se repete a cada
2 segundos).
Esses sinais requerem a aplicação de altas velocidades de varredura, pois de outro
modo não seria possível a visualização das transições rápidas. Porém, a baixa frequência de
recorrência reduz sensivelmente a luminosidade na tela, tornando quase impossível a
observação de forma da onda. Esses problemas são contornados com a utilização do
osciloscópio com memória, que permite também uma visualização das formas de onda de
sinais não repetitivos e que aparecem apenas ocasionalmente. A observação e medida desses
sinais são procedimentos absolutamente necessários para determinada aplicação (nesse caso,
a frequência de recorrência tende a zero, pois o sinal ocorre apenas uma vez).
O principio de funcionamento do osciloscópio com memória está baseado quase
exclusivamente no emprego de um tubo de raios catódicos especial, denominado persistência
variável ou tubo de armazenamento.
O sistema de armazenamento ou de persistência realiza-se no interior do tubo de raios
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catódicos, que é provido de um dispositivo onde permanece impressa a imagem que se quer
observar. Também fazem parte do tubo dois cátodos geradores de feixes de elétrons adicionais,
correspondentes aos dois canais de entrada. A função desses feixes adicionais é projetar na
tela as imagens armazenadas pelo eletrodo.
Para a obtenção do eleito completo é necessário ainda que o tubo disponha dos
seguintes elementos adicionais:
dois cátodos geradores de raios eletrônicos;
grade de controle;
ânodo acelerador;
colimador;
eletrodo pós-acelerador e de armazenamento.
Os cátodos são muitos semelhantes àqueles que produzem o feixe principal, e que já
foram estudados em capítulos anteriores. A grade de controle, comum aos dois feixes
catódicos, tem a função de verificar a intensidade eletrônica, com o objetivo de regular a
luminosidade da imagem sobre a superfície do eletrodo de armazenamento. Isso permite
melhorar a observação da imagem em todas as velocidades de varredura possíveis.
O ânodo acelerador fornece aos elétrons dos dois feixes a velocidade necessária para
se obter na tela uma imagem suficientemente intensa. Seu funcionamento é muito semelhante
ao dos ânodos do cátodo principal.
O colimador tem a função de concentrar e de acelerar os elétrons na direção do eletrodo
de armazenamento. Esse eletrodo, por sua vez, é constituído pela parede interna do tubo, em
toda a região localizada entre o fim do cilindro de vidro e o eletrodo pós-acelerador e de
armazenamento.
O eletrodo pós-acelerador provoca uma aceleração adicional, cuja finalidade é
intensificar o feixe e facilitar o funcionamento do colimador, completando a concentração dos
feixes de elétrons. O eletrodo de armazenamento é composto por uma malha sobre a qual
existe uma camada de material dielétrico, cuja superfície externa forma a superfície de
armazenamento. Esse eletrodo tem uma ligação para o exterior, pela qual recebe a tensão de
polarização.
O principio de funcionamento da superfície de armazenamento e de memorização da
informação está baseado na emissão secundária de elétrons. Se a incidência do raio catódico
sobre a superfície de armazenamento produzir uma emissão de mais de um elétron
secundário, o resultado será um aumento do potencial e uma diminuição dos elétrons.
Se, porém, os elétrons que chegam superarem os que saem, o potencial diminuirá,
tornando-se mais negativo. O efeito de armazenamento desejado é obtido graças à incidência
do feixe principal. Ele provoca uma emissão secundária de intensa, fazendo aparecer uma
acumulação de carga positiva unicamente nos seus pontos de incidência, memorizando a
forma da onda que se deseja conservar.
A projeção da imagem na tela é obtida por meio dos feixes de elétrons dos dois cátodos
adicionais, que passam somente através dos pontos da superfície de armazenamento que
estão carregados positivamente. Em seguida, os feixes de elétrons são acelerados pelo
eletrodo intensificador atingindo, assim, a camada fosforizada da tela com energia suficiente
para poderem reproduzir a imagem. Portanto, esses feixes, além de manterem o
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armazenamento por emissão secundária, são acelerados te a tela, para fazer surgir a forma de
onda.
O controle externo sobre as várias formas de trabalho de um osciloscópio com memória
é feito por meio de um seletor, que permite escolher entre as três funções distintas de
armazenamento dos sinais. A função PERSISTÊNCIA (persistence, em inglês) está a
associado a um comando que permite variar o tempo de permanência da imagem na tela.
Geralmente é utilizado para a observação de formas de onda de frequência muito baixa,
eliminando assim a cintilação continua que seria produzida pela varredura convencional. É
muito importante ajustá-lo, para que o tempo de armazenamento coincida com o aparecimento
da varredura sucessiva na tela.
Quando se deseja manter a forma da onda na tela por um longo período de tempo, é
necessário passar às funções ESCRITA (write), depois APAGAR (erase), terminando a
sequência selecionando a função ARMAZENAMENTO (store). Com isso, a imagem
permanecerá por um período de tempo normalmente superior a uma hora.
A função ESCRITA é usada principalmente para memorizar os sinais que aparecem '
isoladamente, sem se repetir. Para isso, o seletor da base de tempo deverá ser colocado na
posição de partida simples, gerando uma única varredura. A persistência se predispõe
automaticamente ao valor Máximo, e a imagem é conservada por um tempo geralmente
superior a um minuto.
A função ARMAZENAMENTO permite que se observe por longos períodos de tempo um
sinal memorizado anteriormente pela função ESCRITA. Quando se seleciona este modo de
funcionamento, bloqueia-se os dois canais dos sinais (A e B), juntamente com a função
APAGAR.
Os osciloscópio, tanto o convencional quanto o memorizador, é um excelente
instrumento que permite medir tensões nos diversos pontos de uma forma da onda ou de
frequência, graças às subdivisões do retículo da tela e aos comandos de amplitude vertical e
de base de tempo. Porém, para que esse sistema de medição seja realmente útil e confiável, é
necessário que o osciloscópio esteja perfeitamente calibrado, e que todas as indicações das
diversas escalas correspondam a valores reais.
A calibração de um osciloscópio é feita com auxilio de alguns instrumentos de alta
precisão, de onde são extraídos os sinais que devem ser observados e medidos na tela. Se
dispuser de um sinal de amplitude e de uma frequência conhecida, colocam-se em
funcionamento os potenciômetros internos de calibração, até que o número de divisões
ocupadas pelo sinal na tela -multiplicado pela escolhida - coincida com o nível de tensão ou
com frequência aplicados pela gerador externo. Nesse ponto, o aparelho pode ser considerado
calibrado.
Normalmente, osciloscópio oferece uma precisão em torno de 5%, o que significa que se
pode prever um erro de grandeza em qualquer medida efetuada com o aparelho.
3.4 - AMPLIFICADORES CC E BC
Se você ligar uma fonte de alta impedância e uma carga de baixa impedância, a maior
parte do sinal ca sofrerá uma queda através da impedância interna da fonte. Uma fonte de se
contornar esse problema é usando um seguidor de emissor entre de alta impedância e a carga
de baixa impedância. O seguidor de emissor eleva o nível da impedância e reduz as perdas do
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sinal.
Além dos seguidores do emissor, este capitulo também discute os amplificadores
Darlington, tipos de acoplamentos entre estágios, reguladores de tensão mais sofisticados e os
amplificadores BC.
AMPLIFICADORES CC
Na figura a seguir mostra um circuito chamado amplificador com coletor comum (CC).
Como Rc é chamado amplificador de coletor aterrado. Quando uma tensão cc Vent aciona a
base, aparece uma tensão cc Vsaída através do resistor do emissor.
IDEIA BÁSICA
Um amplificador CC é como um amplificador EC fortemente linearizado com o resistor
do coletor em curto e a saída retirada do emissor e não do coletor. Conto o emissor está
arrumado à base, a tensão de saída cc é
O circuito também é chamado seguidor de emissor porque a tensão cc do emissor segue
a tensão cc da base. Se Vent for de 2 V, como mostra a figura abaixo, Vsaida será de 1,3 V. Se
Vent aumentar para 3 V, Vsaida aumentará para 2,3 V. Isto quer dizer que as variações em
Vsaida estão em fase com as variações de Vent.
RELAÇÕES DE FASE
Na próxima figura, VCE é dada por
Se Vsaida aumentar, VCE diminui. Portanto, vce está defasado da saída Vsaída e Vent.
Você pode ver esta relação defasada observando a figura abaixo. Quando Vent aumenta de 1 V
Vsaída aumenta de 1 V, mas VCE diminui de 1 V.
LINHA DE CARGA CC
Somando as tensões ao longo da malha do coletor da figura abaixo temos
Como a corrente do coletor é aproximadamente igual à corrente do emissor, podemos
tirar o valor Ic obtendo
Esta equação da linha de carga cc, mostrada na figura passada.
Quando a tensão de entrada contiver uma componente ca bem como uma componente
cc, a linha de carga ca é a mesma linha de carga cc porque Ic e VCE apresentam a flutuação
senoidal mostrada na figura anterior. Se o sinal de entrada for suficientemente grande para
usar toda a linha de carga ca, o transistor atingirá a saturação e o corte nos picos. Isto limita a
excursão da tensão de saída para um valor de pico a pico de Vcc como mostra a figura anterior.
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GANHO DE TENSÃO
‘Na figura a seguir mostra um seguidor do emissor acionado por uma pequena tensão
ca. Na figura abaixo mostra o circuito equivalente ca. A tensão ca de saída é igual
Como a tensão ca de entrada é
A razão de Vsaida relativamente a Vent é
Na maioria dos seguidores de emissor, RE encobre r'e e o ganho de tensão aproxima-se
unidade
por exemplo, se RE = 5,1 k
e r'e = 2,5
, na equação fornece um ganho de tensão
Observe que a tensão de saída está dentro de meio por cento da tensão de entrada.
PEQUENAS DISTORÇÕES
O seguidor de emissor é intrinsecamente um amplificador de baixa distorção. Como o
resistor emissor não é derivado, a linearização é extrema forte e não linearidade do diodo
emissor é praticamente eliminada.
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Como ganho de tensão é aproximadamente 1, a tensão de saída é uma replica da
tensão de entrada. Dada uma onda senoidal perfeita na entrada, teremos uma onda senoidal
praticamente perfeita na saída.
EXEMPLO 1
Na figura acima mostra um seguidor de emissor usando uma polarização com divisor de
tensão. Calcule as tensões cc e explique as formas de onda.
SOLUÇÃO
A tensão Thevenin cc que sai do divisor de tensão é
Isto estabelece uma tensão quiescente do emissor de
O sinal da fonte é uma onda senoidal com um nível cc de 0 V. Este sinal é acoplado à
base do seguidor do emissor. O nível quiescente ou cc na bas é de +5 V. Logo a tensão de
entrada para a base consiste, equivalente a não se ter nenhum componente ca.
EXEMPLO 2
Calcule o ganho da figura anterior. Se a tensão ca de entrada tiver um pico de 1 V, qual a
saída de tensão?
SOLUÇÃO
A corrente cc do emissor é
resistência ca do diodo emissor é
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O ganho de tensão é
A tensão de saída tem um pico de
Isto está tão próximo da tensão de entrada que você não pode distinguir Vent, de Vsaída
com osciloscópio. Em praticamente qualquer seguidor de emissor, você terá uma tensão ca de
saída praticamente igual à tensão ca de entrada.
O AMPLIFICADOR BASE COMUM (BC)
Na figura a seguir mostra um amplificador de base comum (BC). Como a base está
aterrada, este circuito também é chamado amplificador com base aterrada. O ponto Q é
definido pela polarização do emissor, que reconhecemos imediatamente quando o circuito cc
equivalente é desenhado, como mostra a figura abaixo. Portanto a corrente cc do emissor é
dado por
Na figura abaixo mostra um amplificador BC polarizado como divisor de tensão. Você
pode reconhecer a polarização como divisor de tensão desenhando o circuito equivalente cc.
Em cada amplificador, a base é aterrada em ca. O sinal de entrada aciona o emissor, e o sinal
de saída é tirado do coletor. Na próxima figura mostra o circuito equivalente ca de um
amplificador BC durante a metade positiva do ciclo da tensão de entrada. Os resistores de 3
polarização foram omitidos porque eles têm um efeito desprezível na impedância de entrada. A
impedância de entrada de um amplificador BC é praticamente igual a
A tensão de saída é dada por
Ela está em fase com a tensão de entrada. Como a tensão de entrada é igual a
O ganho de tensão é
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Pelo fato de ic ~ ie, podemos reescrever a equação na forma
Isto nos diz que o ganho de tensão tem a mesma intensidade que teria num amplificador
EC não linearizado; somente a fase é diferente. Por exemplo, se Rc = 2500 e re = 25 ,
então o amplificador BC tem um ganho de tensão de 100, enquanto um amplificador EC tem
um ganho de tensão de - 100.
Idealmente, a fonte de corrente do coletor da figura abaixo tem uma impedância interna
infinita. Portanto a impedância de saída de um amplificador BC é
A figura da página seguinte mostra o modelo ca de um amplificador BC. A grande
diferença entre esse amplificador EC é a impedância extremamente baixa. Um motivo que
impede o amplificador BC de ser usado é a sua baixa impedância de entrada. A fonte ca que
aciona o amplificador BC vê
Que pode ser bem pequeno. Por exemplo, se IE = 1mA, a impedância de entrada de um
amplificador BC é somente ela. A menos que a fonte ca seja quase-ideal, a maior parte do sinal
perde através da resistência da fonte.
A impedância de entrada de um amplificador BC é tão baixa que é tão baixa que ela
sobrecarrega a maioria das fonte de sinal. Por isso, um amplificador BC discreto não é usado
tão frequentemente em baixas frequências; ele é usado principalmente em aplicações de alta
frequência (acima de 10 MHz) onde são comuns as fontes de baixa impedância. Nos circuitos
integrados, o amplificador BC é amplamente usado como parte de um amplificador diferencial.
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EXEMPLO l
Qual a tensão ca de saída na figura acima?
SOLUÇÃO
A corrente cc do emissor é
Portanto
ganho de tensão sem carga é
impedância de saída
Na figura passada mostra o circuito ca equivalente. A tensão de entrada é
tensão de saída real é
3.5 - FORMAS DE POLARIZAÇÃO
Os circuitos digitais são os que utilizam o transistor como uma chave. Os circuitos
lineares são os que o utilizam como uma fonte de corrente. Acionar um LED com um transistor
fonte de corrente é um exemplo de circuito linear. Um outro exemplo é o amplificador, um
circuito que aumenta a amplitude de um sinal. A ideia consiste em colocar um pequeno sinal ca
num transistor e ter na saída um sinal ca maior de mesma frequência. Os amplificadores são
fundamentais nos circuitos de rádio televisão e outros circuitos de comunicação.
Antes do sinal ca ser acoplado a um transistor, é preciso estabelecer um ponto
quiescente (Q) de operação, geralmente próximo ao meio da linha de carga cc. Então, o sinal
ca que entra pode produzir flutuações acima e abaixo desse ponto Q. Para que o circuito
permaneça linear, o diodo emissor precisa estar polarizado diretamente e o diodo coletor
polarizado reversamente. Colocando de outra forma, as flutuações na corrente e na tensão não
devem levar o transistor nem à saturação nem ao corte.
Este capítulo discute as formas de se polarizar um transistor para que ele funcione
linearmente, o que significa estabelecer um ponto Q próximo do meio da linha de carga cc. O
próximo discutirá o que acontece quando um pequeno sinal ca aciona os circuitos.
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POLARIZAÇÃO DA BASE
Na Figura abaixo é um exemplo de polarização da base (também chamada polarização
fixa). Geralmente, a fonte de alimentação da base é a mesma que alimenta o coletor; isto é,
Vbb = Vcc. Neste caso, os resistores da base e do coletor voltam ambos para o lado positivo da
alimentação do coletor, e o circuito é desenhado como o que aparece na Figura a seguir.
Em qualquer dos dois casos, este é o pior modo possível de se polarizar um transistor
para que ele funcione linearmente, pois o ponto Q é instável. Como foi discutido no capítulo
anterior, βcc pode ter uma variação de 9: l com a corrente e a temperatura. Isto quer dizer que
é impossível estabelecer um ponto Q estável, no que podemos nos basear na produção em
grande escala. Portanto, nunca usamos a polarização da base em circuitos lineares.
A utilização mais elementar da polarização da base é nos circuitos digitais, nos, quais o
transistor usado como uma chave entre o corte e a saturação. Neste caso, usamos a saturação
forte para passar as variações em βcc.
POLARIZAÇÃO COM REALÍMENTAÇÃO DO EMISSOR
Na próxima figura mostra uma tentativa inicial de se compensar as variações em βcc.
Geralmente, as orientações da base e do coletor são iguais e o circuito é desenhado como
mostra a figura abaixo. Em qualquer dos dois casos, a ideia consiste em se tentar usar a
tensão através do resistor do emissor compensar as variações em βcc. Por exemplo, se βcc
aumentar, a corrente do coletor aumenta. Aumenta a tensão do emissor, o que diminui a tensão
através do resistor da base e reduz. A corrente da base. A corrente da base reduzida resulta
numa corrente do coletor menor, o que parcialmente o aumento original em
OBSERVAÇÃO PRÁTICA
A polarização com realimentação do emissor baseia-se no aumento da corrente do
coletor que produz mais tensão através do resistor do emissor, o que reduz a corrente da base
e consequentemente a corrente do coletor. A ideia básica soa bem, mas o circuito parece não
funcionar muito bem quando se considera valores práticos para resistência. Para ser
conclusivo, o circuito precisa de um resistor do emissor relativamente baixo para evitar a
saturação do coletor. A análise matemática que se segue lhe mostrará porquê.
A propósito, a palavra "realimentação" é usada aqui para indicar uma quantidade na
saída (corrente do coletor) que produz uma variação numa quantidade de entrada (corrente da
base). O resistor do emissor é o elemento de realimentação porque ele é comum aos circuitos
de entrada e de saída.
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LINHA DE CARGA CC.
Se somarmos as tensões ao longo da malha do coletor na figura acima, obteremos
Como IE: é aproximadamente igual a Ic, esta equação pode ser rearranjada na forma
Por ora, você deve estar apto a ver num relance que o extremo superior da linha de
carga tem uma corrente de saturação de Vcc/(Rc + RE) e a extremidade inferior da linha de
carga tem uma tensão de corte dada por Vcc.
EFEITO DE βcc
A seguir, podemos somar as tensões ao longo da malha da base para obter
Como IE = Ic e IB = Icβcc-, podemos reescrever a equação na forma
A polarização com realimentação do emissor pretende encobrir as variações em βcc, isto
equivale a re ser muito maior do que RB/βcc- Nos circuitos práticos, entretanto, você não pode
fazer re suficientemente grande para encobrir os efeitos de βcc sem saturar o transistor. Em
projetos típicos, evidencia-se que a polarização com realimentação do emissor é quase tão
sensível às variações em βcc quanto a polarização da base. Portanto, a polarização com
realimentação do emissor não é a forma preferida de polarização, e evitaremos utilizá-la.
Estude o exemplo 6 para ver como o circuito é ineficiente contra as variações em βcc.
SATURAÇÃO
Se RB = βccRc, então a equação anterior produz
Este valor é ligeiramente menor do que a corrente de saturação encontrada
anteriormente, Vcc/(RE + Rc)- Portanto, chegamos à seguinte conclusão: uma resistência da
base ligeiramente menor do que βccRc produz saturação no circuito de polarização com
realimentação do emissor.
EXEMPLO 1
Calcule o valor da corrente de saturação do coletor na Fig. 6-3a. A seguir, calcule a
corrente do coletor para estes dois valores de βcc: 100 e 300.
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SOLUÇÃO
A corrente saturação do coletor é
Quando βcc = 100, na equação da página anterior dá
Quando βcc = 300,
Na figura anterior resume os cálculos mostrando a linha de carga cc e os dois pontos Q.
Com você pode ver, uma variação de 3:1 em βcc produz praticamente uma variação de 3:1 na
corrente do coletor. Esta variação é inaceitável. Se você tentar escolher outros valores para o
circuito ver que a polarização com realimentação do emissor permanece sensível demais às
variações βcc para se tornar um circuito polarizador preferido.
POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO OO COLETOR
Na próxima figura mostra a polarização com realimentação do coletor (também chamada
autopolari/ação). O resistor da base é reconduzido ao coletor e não à fonte de alimentação. É
isto que diferencia a polarização com realimentação do coletor da polarização da base.
AÇÃO DA REALIMENTAÇÃO
Aqui está como funciona a realimentação. Suponha que a temperatura aumente,
fazendo com que βcc na figura anterior aumente. Isto produz mais corrente no coletor. Tão logo
aumenta a corrente do coletor, diminui a tensão do coletor-emissor (há uma grande queda
através de Rc). Isto quer dizer que há uma tensão menor através do resistor da base, e isto faz
com que haja uma diminuição na corrente da base. A menor corrente da base compensa o
aumento inicial na corrente do coletor. Como você verá, a polarização com realimentação do
coletor tem certas vantagens sobre a polarização com realimentação do emissor.
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LINHA DE CARGA CC
Somando as tensões ao longo da malha do coletor temos
Como ib é muito menor do que Ic na região ativa, podemos ignorar IB e rearranjar a
equação de modo a obter
De imediato, você pode ver que a extremidade superior da linha de carga tem uma
corrente de saturação de Vcc/Rc e a extremidade inferior tem uma tensão de corte de Vcc.
EFEITO DE βcc
Se somarmos as tensões ao longo da malha da base,
Como IB - Ic/βcc, a equação anterior pode ser resolvida para Ic:
A polarização com realimentação do coletor é um pouco mais eficiente do que a
polarização com realimentação do emissor. Embora o circuito ainda seja sensível a variações
em βcc, é usado na prática, tem a vantagem de ser muito simples (só tem dois resistoresΨ e de
apresentar uma melhor resposta de frequência (discutiremos mais adiante). O Exemplo 3 dá
uma ideia concreta de como o circuito é eficiente ao superar as variações em βcc.
CASO ESPECIAL
A polarização com realimentação do coletor tem uma outra vantagem sobre o emissor
polarizado: você não pode saturar o transistor. À medida que você diminui a resistência da
base, o ponto de operação desloca-se em direção ao ponto de saturação da linha de carga cc.
Porém nunca pode atingir u saturação, independentemente do valor mínimo que u resistência
da base possa ter. A Figura passada mostra a polarização a polarização da realimentação do
coletor com um resistor da base em curto. Observe que o VCE não pode ser menor do que 0,7
V porque esta é a queda através dos terminais da base-emissor. A corrente do coletor é de
aproximadamente
Este valor é um pouco menor do que Vcc/Rc, o extremo superior da linha de carga cc;
portanto, o transistor não pode estar saturado.
Na Figura anterior mostra o circuito equivalente para um resistor da base em curto. Um
transistor com base em curto com o coletor funciona do mesmo jeito que um diodo. Esta ideia é
importante nos circuitos integrados. Mais tarde veremos porquê.
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ORIENTAÇÃO PARA O PROJETO
Nesta apostila, geralmente colocamos o ponto Q próximo à metade da linha de carga cc.
Com a polarização com realimentação do coletor, isto exige que
A forma mais fácil de se perceber isto é substituindo este valor da equação da página
anterior
Este valor é aproximadamente metade de Vcc/Rc, a corrente de saturação. Portanto,
satisfazendo na equação da página anterior estamos produzindo um ponto Q próximo da
metade da linha de carga. A menos que seja feita alguma ressalva em contrário, desenharemos
os circuitos de polarização da realimentação do coletor satisfazendo a regra RB = βccRc.
EXEMPLO 2
Desenhe um circuito de polarização com realimentação do coletor no ponto médio que
preencha as seguintes especificações:
SOLUÇÃO
A resistência da base deve ser de
EXEMPLO 3
Na Figura acima, calcule a corrente do coletor para estes dois valores de βcc:1 00 e 300.
SOLUÇÃO
Quando βcc = 100, a equação da pág. 93 dá
Quando βcc = 300,
A Figura passada mostra a linha de carga cc e os pontos de operação. Como você pode
ver, uma variação de 3:1 em βcc produz uma variação na corrente do coletor menor do que
uma variação de 2:1. O ponto Q não é muito firme, mas pelo menos há uma melhora sobre a
polarização com realimentação do emissor. Além disso, o circuito não pode saturar
independentemente do valor βcc. Por esta razão, você às vezes vê polarização com
realimentação do coletor sendo usada em amplificadores de pequeno sinal.
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POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
Na figura abaixo mostra a polarização por divisor de tensão (também chamada
polarização universal). É a polarização mais usada em circuitos lineares. O nome "divisor de
tensão" provém do divisor de tensão formado por R1 e R2. A tensão através de R2 polariza
diretamente o diodo emissor.
CORRENTE DO EMISSOR
A polarização por divisor de tensão funciona assim: abra mentalmente o terminal da
base na Figura anterior. Então você está olhando para uni divisor de tensão descarregado cuja
tensão Thevenin é:
Agora religue mentalmente o terminal da base. Se o divisor de tensão for quase-ideal,
mais de 99 por cento da tensão Thevenin acionará a base. Em outras palavras, o circuito tornase mais simples, como o da Figura anterior e o transistor agem como a fonte de corrente
controlada discutida no Cap. 5. Pelo fato do emissor estar amarrado à base
A corrente do coletor c aproximadamente igual a este valor.
Observe que βcc não aparece na fórmula para a corrente do emissor. Isto quer dizer que o
circuito c imune a variações em βcc, o que implica um ponto Q fixo. Por isso, a polarização por
divisor de tensão é a forma preferida de polarização nos circuitos lineares; com transistores
você a vê sendo usada quase que universalmente.
DIVISOR DE TENSÃO ESTABILIZADO
O mais importante num circuito bem projetado é a estabilização do divisor de tensão.
Aqui é dada uma orientação para um projeto bem estabilizado. Se thevenizarmos o circuito da
Fig. 6-6a, obteremos o circuito equivalente na figura abaixo, no qual:
Para maior simplicidade, frequentemente escreve-se essa equação na forma:
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Onde as barras verticais significam "em paralelo com". Você lê a equação acima assim:
"RTH é igual a R1 em paralelo com R2”. Somando as tensões ao longo da malha da base da
figura acima resulta
Como IB ~IE/ βcc, as equações anteriores reduzem-se a
Se RE for 100 vezes maior do que RTH/βcc, então o segundo termo será abolido e a
equação ficará simplificada na forma
Neste livro, um circuito de polarização por divisor de tensão estabilizado é aquele que
satisfaz esta condição:
Esta regra dos 100:1 deve ser satisfeita para o βcc mínimo encontrado sob quaisquer
condições. Por exemplo, se um transistor tiver um βcc que varie de 80 até 400, use o valor
mais baixo (80).
Geralmente, R2 é menor do que R1 e a equação anterior simplifica-se na forma
Isto é conservativo porque satisfazendo a equação acima estaremos automaticamente
satisfazendo a equação da pagina anterior. Por conveniência, utilizaremos a equação acima ao
projetar divisores de tensão quase-ideais.
DIVISOR DE TENSÃO FIRME
Às vezes um projeto quase-ideal resulta em valores tão pequenos de R1 e R2 que
surgem outros problemas (discutidos mais adiante). Neste caso, muitos projetos são ajustados
utilizando-se esta regra:
Mais uma vez, será conveniente trabalhar com esta regra de projeto:
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No pior caso, satisfazer esta regra significa que a corrente do coletor será de
aproximadamente 10 por cento mais baixa do que o valor ideal.
De agora em diante, nos referiremos a um divisor de tensão "firme" quando ele
satisfazer a equação acima. Como orientação, geralmente tentamos conseguir o divisor de
tensão quase-ideal. Por razões que serão dadas mais tarde (impedância de entrada), às vezes
concordamos em usar um divisor de tensão firme porque isto pode nos dar um projeto mais
versátil do circuito.
LINHA DE CARGA CC
Se você somar as tensões ao longo da malha do coletor na Fig. 6-7 e resolver a
equação determinando o valor de Ic, obterá
Disto fica claro que a extremidade superior da linha de carga tem uma corrente de
saturação de Vcc/(Rc + RE) e a extremidade inferior tem uma tensão de corte de Vcc.
TENSÕES DO TRANSISTOR
Na análise de defeitos você achará conveniente medir as tensões dos transistores com
relação ao terra. A tensão Vc do coletor ao terra é igual à tensão de alimentação menos a
queda através do resistor do coletor:
A tensão de emissor ao terra é
que também é dada por
porque o emissor está amarrado dentro de uma queda vbe da base. Num projeto
estabilizado, a tensão da base ao terra é
ORIENTAÇÕES PARA O PROJETO
A Figura abaixo mostra um amplificador. Os capacitores acoplam o sinal ca que entra e
sai do amplificador. No que se refere ao cc, os capacitores aparecem como circuitos abertos.
Uma pequena tensão ca de entrada alimenta a base e aparece no coletor uma tensão de saída
ca amplificada. Tudo o que nos preocupa agora é aprender como projetar estes circuitos com
um ponto Q estável.
Nesta apostila, a menos que seja indicado o contrário, aplique a regra do um décimo, o
que faz a tensão do emissor aproximadamente um décimo da tensão de alimentação:
A regra para o projeto vale para a maioria dos circuitos, mas lembre-se, é apenas uma
orientação. Nem todos usam essa regra, portanto não se surpreenda se encontrar tensões do
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emissor com valores diferentes de um décimo da tensão da alimentação.
Comece calculando o RE necessário para estabelecer a corrente especificada para o
coletor:
Posicione também o ponto Q aproximadamente no meio da linha de carga cc. Isto
significa que cerca de 0,5 Vcc aparece através dos terminais do coletor-emissor. Os 0,4 Vcc
restantes aparecem através do resistor do coletor; portanto
A seguir, você pode projetar um divisor de tensão quase-ideal usando a regra 100:1
Se você preferir um divisor de tensão firme, aplique então a regra dos 10:1:
Finalmente, calcule R1 através da proporção:
EXEMPLO 4
O circuito da figura a seguir tem um divisor de tensão quase-ideal. Desenhe a linha de
carga cc e mostre o ponto Q.
SOLUÇÃO
Abra mentalmente o transistor do coletor para o emissor. Então, toda a tensão da
alimentação aparece através dos terminais coletor-emissor. Isto quer dizer que a extremidade
inferior da linha de carga tem uma tensão de corte de 30V.
A seguir, faça mentalmente um curto no transistor do coletor para o emissor. Você pode
ver, então, que Rc está em série com RE com uma corrente de saturação de
Isto representa a extremidade superior da linha de carga cc.
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O divisor de tensão quase-ideal produz uma tensão Thevenin de
A corrente do emissor é
A tensão do coletor é
A tensão do emissor é
Portanto, a tensão do coletor-emissor é
A Figura anterior mostra a linha de carga cc e o ponto Q. Como você pode ver, o ponto Q
está próximo do meio da linha de carga cc.
EXEMPLOS
A próxima figura mostra um amplificador de dois estágios. (Um estágio é formado por
cada transistor com os seus resistores de polarização, incluindo Rc e RE). Quais as tensões cc
do emissor para cada estágio? Quais as tensões cc do coletor?
SOLUÇÃO
Os capacitores estão abertos em cc; portanto podemos analisar cada estágio
separadamente porque as tensões e as correntes cc não interagem. Os estágios são idênticos
são porque usam os mesmos valores de resistência. Em cada estágio, a tensão através do
resistor de 1k do divisor de tensão é de 2,27V. A tensão do emissor é 0,7V menor, ou
A corrente do emissor é
Numa aproximação melhor, Ic = 13,1mA e
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EXEMPLO 6
Projete um circuito de polarização por divisor de tenção com as seguintes
especificações: Vcc = 20, Ic = 5mÀ, e βcc varia de 80 a 400.
SOLUÇÃO
A tensão do emissor deve ser aproximadamente um décimo da tensão de alimentação,
logo VE = 2V. A corrente quiescente do coletor tem uma especificação de 5mA; portanto a
resistência do emissor exigida é
O valor padrão mais próximo é de 390 . Para funcionar próximo ao meio da linha de
carga cc, a resistência do coletor deve ser de aproximadamente quatro vezes a resistência do
emissor:
O valor padrão mais próximo é de 1,6k .
A tensão da base é 0,7V mais alta do que a tensão do emissor, portanto VB = 2,7V. esta
é a tensão através de R2. A tensão através de R1 é
Para se obter um divisor de tensão quase-ideal,
O valor padrão mais próximo é 300, portanto
O valor padrão mais próximo é 2k . Portanto os valores finais do circuito são
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
Na figura abaixo mostra a polarização do emissor, que é usada às vezes quando se
dispõe de uma alimentação dividida (tensões positiva e negativa). A figura a seguir é uma forma
simplificada de desenhar o circuito.
Vejamos como analisar um circuito com emissor polarizado. Se RB for suficientemente
pequeno, a tensão da base será aproximadamente zero. A tensão do emissor está a uma
queda vbe abaixo dessa. Portanto, a tensão através do resistor do emissor é VEE — VBE e a
corrente do emissor é
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Como βcc não aparece nessa fórmula, o ponto Q é fixo. Sempre que se dispuser de uma
fonte de alimentação separada, pode ser usada a polarização do emissor, porque ela fornece
um ponto Q bem firme, exatamente como o faz uma polarização por divisor de tensão.
O mais importante num circuito bem projetado de polarização do emissor é o valor de
RB. Deve ser pequeno. Mas, quão pequeno? Através de uma dedução semelhante a que foi
dada para a polarização por divisor de tensão, a fórmula exata para a corrente do emissor é
Num projeto estabilizado, RE é de pelo menos 100 vezes maior do que RB/βcc. Isto é
equivalente a
Ao verificar defeitos num circuito com polarização do emissor, você precisa fazer uma
estimativa das tensões do transistor com relação ao terra. A tensão do coletor é
Num projeto quase-ideal, a tensão da base é aproximadamente 0V e a tensão do
emissor de aproximadamente -0,7V.
EXEMPLO 7
Na Figura acima, Rc = 5,1k , RE - 10 k
+15V e -l 5V, qual a tensão do coletor ao terra?
e RB = 6,8 k . Se a fonte separada for de
SOLUÇÃO
Suponha um projeto quase-ideal. Então a base é essencialmente aterrada. O emissor
está a uma queda VBE, abaixo do terra, ou -0,7V. A corrente do emissor é
A tensão do coletor é
3.6 - AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Os transistores, os díodos e os resistores são os únicos componentes práticos de um Cl
monolítico. Os capacitores já foram fabricados em pastilhas, mas estes geralmente de menos
de 50 pF. Portanto os projetistas de CIs não podem usara capacitores de acoplamento ou de
passagem co mo fazem os projetistas de circuitos discretos. Ao contrário, os estágios de um Cl
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monolítico têm de ser acoplados diretamente. Um dos melhores estágios de acoplamento direto
do amplificador diferencial (amp dif). Este amplificador é amplamente usado como o estágio de
entrada de um amp op. Nesta seção, focalizamos o amp dif porque ele determina as
características de entrada do amp op típico.
ENTRADA E SAÍDA COM TERMINAL DUPLO
Na figura abaixo mostra a forma mais geral de um amp dif. Ele tem duas entradas, V 1 e
V2 devido ao acoplamento direto, os sinais de entrada podem ter frequências de qualquer valor
até zero, equivalente ao cc. A tensão de saída vsajda é a tensão entre os coletores.
Idealmente, o circuito é simétrico com resistores do transistor e do coletor idênticos. Como
resultado, a tensão de saída é zero quando duas entradas forem iguais. Quando V1 for maior
que V2, aparecerá uma tensão de saída com polaridade mostrada. Quando V 1 for menor que
V2, a tensão de saída terá a polaridade oposta.
O amp dif da figura a seguir tem uma saída com terminal duplo. A entrada V 1 é chamada
entrada não-inversora porque a tensão de saída está em fase com V 1. por outro lado V2 é a
entrada inversora porque a saída esta 180° fora de faze com V 2. Um amp dif amplificada a
diferença entre as duas tensões de entrada, produzindo uma saída de
Onde
Vsaída
A
V1
V2
= tensão entre os coletores
= Rc/r ' e
= tensão de entrada não-inversora
= tensão de entrada inversora
ENTRADA COM TERMINAL SIMPLES E SAÍDA COM TERMINAL DUPLO
Em algumas aplicações, é usada somente uma das entradas, sendo a outra aterrada
como mostra a figura anterior, liste tipo de entrada é chamada terminal simples. A saída
permanece dupla e é dada pela equação da pagina anterior. Com V 2 igual a zero, Vsaída = Av1.
Uma saída de terminal duplo tem poucas aplicações porque ela requer uma carga flutuante.
Em outras palavras, você precisa ligar os dois terminais da carga aos coletores. Isto não é
convencional na maioria das aplicações porque as cargas geralmente têm terminal simples, o
que significa que um lado da carga é ligado ao terra.
ENTRADA COM TERMINAL DUPLO E SAÍDA COM TERMINAL SIMPLES
Na figura anterior mostra a fornia mais prática e mais amplamente usada de um amp dif.
Ele tem várias aplicações porque pode alimentar cargas com um único terminal como os
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amplificadores EC, os seguidores do emissor e outros circuitos discutidos em capítulos
anteriores. O amp dif usado da figura passada é o tipo de amp dif usado no estagio de entrada
da maioria dos amps op. Por isso o restante deste capitulo enfatiza es forma de amp dif.
Como será deduzido mais tarde, a tensão de saída é dada por
Onde
Vsaída
A
V1
V2
= tensão entre os coletores
= Rc/r ' e
= tensão de entrada não-inversora
= tensão de entrada inversora
Observe que o ganho de tensão A é metade do valor da equação da pagina anterior,
uma consequência direta de se utilizar somente uma única resistência do coletor Rc.
A ENTRADA E SAÍDA COM TERMINAL SIMPLES
Na figura anterior mostra a forma final de um amp dif: ele tem uma entrada com um
terminal simples e uma saída com um só terminal. A tensão de saída é dada na equação
acima. Como V1 é zero, Vsaida é igual a AV1. desta forma um amp dif é útil nos estágios de
acoplamentos direto onde você está interessado em amplificar somente uma entrada.
3.7 - AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Um amplificador operacional (AMPOP) é um circuito integrado (30 transistores) com um
ganho DC muito elevado. É um componente ativo de uso geral com um comportamento
próximo do ideal em baixa frequência. A denominação ''operacional" deve-se a estes circuitos
terem sido, inicialmente, utilizados nos computadores analógicos para efetuar operações como
somas, diferenças e integrações.
As montagens com amplificadores operacionais utilizam redes de realimentação de
forma a controlar a sua resposta. Um amplificador operacional ideal sem realimentação tem as
seguintes características:
1. Ganho infinito;
2. Resistência de entrada infinita;
3. Resistência de saída nula;
4. Largura de banda infinita;
5. Tensão de saída nula quando a tensão de entrada é nula.
Na prática nenhum amplificador operacional consegue atingir estas características
ideais. A figura 1 mostra o símbolo utilizado para a representação de um AMPOP.
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Existem 2 terminais de entrada: a inversora "-" e a não-inversora "+"; e apenas um
terminal de saída. Se os sinais de entrada forem v+ e v_, então o sinal de saída será:
Onde A é o ganho do amplificador. Note-se que a tensão de saída é igual à amplificação
da tensão diferencial Vd. Os terminais +Vz e -Vz são os terminais de alimentação do AMPOP,
que deve ser alimentado por uma fonte de dupla polarizada (e.g. ±15 V). No entanto, é normal
omitir estas fontes quando se desenha o esquema de um AMPOP.
Num AMPOP ideal se a tensão diferencial não for numa a tensão de saída deveria ser
infinita, pois o ganho é infinito. Na prática existe um limite para a tensão de saída de um
AMPOP conhecida como tensão de saturação V±sat, . A figura 2 mostra a característica de
transferência de um AMPOP ideal. Como a resistência de entrada é idealmente infinita, as
correntes i+ e i- são nulas.
Na prática a característica de transferência é a que se encontra na figura 3, onde se
considerou um ganho A = 105.
O ganho de um AMPOP é instável e elevado demais para que o circuito tenha alguma
utilidade. O uso de realimentação permite ultrapassar o problema anterior. Existe a
realimentação positiva, que consiste em ligar componentes entre a saída e a entrada nãoinversora do AMPOP. Este tipo de realimentação faz com que o AMPOP sature e tem
aplicações práticas no desenho de osciladores.
Existe também a realimentação negativa que consiste em ligar componentes entre a
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saída e a entrada inversora. Este tipo de realimentação é utilizado para estabilizar o ganho do
AMPOP.
MONTAGENS BÁSICAS
• Montagem inversora
Uma das montagens mais utilizadas é representada na figura 5, denominada montagem
inversora.
Para analisar este circuito é necessário considerar que o ganho A é muito elevado, logo:
Ou seja, quando o ganho A é muito elevado, as tensões V+ e V- aproximam-se. E usar
dizer que existe um "curto-circuito virtual" entre os terminais inversor e não-inversor, no entanto
não é um curto-circuito pois não existe passagem de corrente entre eles. Como V+ = 0, então
V   0 . A corrente que passa em R1 é:
Dado que a resistência de entrada do AMPOP é idealmente infinita, nenhuma parte da
corrente i1 flui em direção ao terminal inversor. Assim, a corrente i1 tem de fluir através de R2
para o terminal de saída do AMPOP (que tem resistência idealmente nula). Aplicando a lei de
ohm tem-se
Note-se que a tensão de saída aparece com sinal oposto ao da tensão de entrada,
justificando o nome montagem inversora.
O ganho G desta montagem define-se como:
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• Montagem não-inversora
Uma outra montagem também muito utilizada é a montagem não-inversora,
representada na figura 6.
Tal como na montagem anterior tem-se v+  v-. Logo, v-  vi e a corrente i1 que passa em
R1 é dada por:
Por outro lado, i1 = i2 o que permite concluir:
O ganho desta montagem é então
Note-se que o ganho desta montagem é sempre superior a 1.
Características não-ideais de um AMPOP
• Tensão de desvio de entrada (vent) - "input oftset voltage"
Quando os terminais inversor e não-inversor se encontram ligados entre si, a tensão va é
nula e a tensão de saída v0 também o deveria ser. Na prática, devido a assimetrias no fabrico
do AMPOP, a tensão de saída não pé nula o que indica que existe uma tensão de desvio de
entrada. A figura 7 ilustra o conceito de tensão de desvio de entrada.
• Taxa de inflexão - "slew-rate"
O "slew-rate" é máxima taxa de variação da tensão de saída
Esta limitação deve-se à existência de um condensador no interior co circuito. Se a
tensão diferencial de entrada variar muito depressa, a tensão de saída não consegue
acompanhar.
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RELAÇÃO DE REJEIÇÃO DE MODO COMUM (CMRR)
Os AMPOPS devem idealmente amplificar apenas a diferença entre as tensões v+ e v-,
e rejeitar a tensão comum a ambos os terminais. Na prática, o AMPOP também amplifica a
componente comum, mas com um ganho muito inferior ao da componente diferencial. Assim, a
tensão de saída é dada por:
Onde Ac é o ganho da componente comum e vc é a componente comum. A relação de
rejeição de modo comum define-se como:
Cm em decibéis:
LARGURA DE BANDA
Idealmente, a largura de banda e o ganho de um AMPOP seriam infinitos. Na prática,
tanto o ganho com a largura de banda são finitas, como mostra a figura 9. O ganho é constante
para frequências pequenas, mas cai ao ritmo de -20dB por década (uma década é um aumento
de 10 vezes na frequência).
Quando o circuito é negativamente realimentado, o seu ganho reduz-se, mas a largura
de banda aumenta. A figura 10 mostra que se a malha de realimentação reduzir o ganho para
100, então a largura de banda passará a ser 1kHz.
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Nos AMPOPS existe a figura de mérito Produto Banda-Ganho, que é uma constante
para um dado AMPOP. Nas figuras 9 e 10 este produto vale lOOkHz.
Material experimental:
• Gerador de funções
• Fonte de tensão continua
• AMPOP 741C
• Potenciômetro e Resistências
• Multímetro
• Osciloscópio
Parte prática 1 - Medição de características não-ideais
• Obtenção da tensão de saturação Vsai
Monte o circuito da figura 12 e preencha as tabelas 1 e 2.
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Tabelas 1 e 2
• Medição da resistência de entrada de um AMPOP
Monte o circuito da figura 13.
Ajuste o gerador de funções de forma a ter na entrada em onda senoidal com amplitude
2V e frequência 100Hz. Ajuste o potenciômetro até a onda de saída ter amplitude 1V. (metade
da amplitude de entrada). Desligue o circuito e meça com um ohmímetro a resistência do
potenciômetro
A resistência de entrada do AMPOP é igual à resistência do potenciômetro.
• Obtenção da tensão de "offset" de um AMPOP
Monte o circuito da figura 14a.
Meça a tensão de saída v0 com um multímetro.
Atendendo a que o circuito equivalente é uma montagem não-inversora, calcule a tensão
"offset":
• Medição do "slew-rate"
Monte o circuito da figura.
Ajuste o gerador de funções de forma a ter uma onda quadrada com 5V pico a pico, e
frequência 10kHz. Meça a tensão de saída (pico a pico), e o tempo necessário para que a
tensão de saída passe do valor mínimo ao máximo:
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Com estes valores, calcule o "slew-rate":
• Medição do Produto Banda-Caiilio
Monte o circuito da figura 1 6.
Ajuste o gerador de funções de forma a ter na entrada uma onda senoidal com
frequência 1kHz, e amplitude 1V pico a pico.
Verifique que a tensão de saída tem também 1V (pico a pico), mas está em oposição de
fase com a entrada (note que a montagem é invcrsora e tem um ganho A = -R2/R1 = -1).
Varie a frequência da senóide até a tensão de saída se reduza a 0,7V (pico a pico). A
tensão de saída é agora 2 vezes inferior (-3dB) à tensão de saída em baixa frequência.
Aonde o valor de frequência obtido:
Altere ri para 5k , colocando outra resistência de 10k em paralelo. Ajuste a frequência
para 1 kHz. A tensão de saída em baixa frequência é agora 2V (pico a pico), pois o ganho é 2.
Varie a frequência até a tensão de saída ter uma amplitude 1.4V (pico a pico), que é
inferior a 2V. Anote o valor de frequência obtido:
2 vezes
Substitua a resistência ri por uma de 1k . Ajuste a frequência para 1kHz. A tensão de
saída em baixa frequência é agora 10V (pico a pico), pois o ganho é 10. Varie a frequência até
a tensão de saída ter uma amplitude 7V (pico a pico). Anote o valor de frequência obtido:
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• Medição da relação de rejeição de modo comum (CMRR) do 741C
Monte o circuito da figura 17.
Ajuste o gerador de funções de forma a ter uma tensão senoidal com 100Hz. Com a
ajuda de um voltímetro AC, ajuste a amplitude da tensão comum de entrada V i(cm) para 2Vrms.
Meça a tensão comum de saída V0(cm):
Calcule o ganho de modo comum:
Sabendo que o circuito da figura 17 é amplificador de diferença, com ganho R2/R1,
calcule a CMRR em dBs:
Parte prática 2 - Montagens comuns
• Seguidor (buffer)
Monte o circuito da figura 18a, que representa uma fonte de sinal (sensor, etc.) com a
respectiva resistência R2, a transferir o sinal para uma carga R1. Observe a tensão na carga
usando o osciloscópio.
Monte o circuito da figura 18è, em que se introduziu um seguidor (G=1) entre a fonte e a
carga. Visualize a tensão de saída.
Explique as diferenças entre as tensões na carga, nas duas montagens.
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• Amplificador diferença
Monte o circuito da figura 19, que amplifica a diferença V a -Vb com um ganho G = R2/R1.
Ligue o terminal B à terra e aplique um sinal senoidal de frequência 1kHz e amplitude 1V
à entrada A. Recorrendo a um multímetro obtenha o ganho diferencial G.
Ligue o terminal A ao B e aplique o mesmo sinal senoidal de frequência 1kHz. Obtenha o
ganho de modo comum e calcule a CMRR (relação de rejeição de modo comum).
• Amplificador de Instrumentação
Monte o circuito da figura 20, e repita a medições da experiência anterior.
Compare e comente as vantagens/desvantagens de usar um amplificador de
instrumentação versos amplificador diferença.
Substitua a resistência R1 por um potenciômetro de 10k em série com uma resistência
fixa de 1,2k . Observe a variação do ganho diferencial com o ajuste do potenciômetro. Anote o
valor máximo e mínimo do ganho. Confirme os resultados teoricamente.
3.8 - INTEGRADOR / DIFERENCIADOR /COMPARADOR
3.8.1-INTEGRADOR
Um integrador é um circuito que realiza a operação matemática da integração porque ele
produz uma tensão de saída proporcional à integral da entrada. Uma aplicação comum é usar
uma tensão de entrada constante para produzir uma rampa de tensão de saída. (Uma rampa é
uma tensão linearmente crescente ou decrescente.) Por exemplo, se você alimentar um 741C
com urna tensão em degrau, a saída inclina-se a uma taxa de 0,5V/u.s. Isto significa que a
tensão de saída varia 0,5Vμs durante cada microssegundo. Este é um exemplo de uma rampa,
uma tensão que varia linearmente com o tempo. Com um amp op, podemos construir um
integrador, um circuito que produz um declive de saída bem definido para uma entrada
retangular ou constante.
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CIRCUITO BÁSICO
A figura a seguir é um integrador amp op. Vamos mostrar o seu funcionamento. A
entrada típica para um integrador é um pulso retangular como o da próxima figura. V ent
maiúsculo representa uma tensão constante durante o tempo T do pulso. Visualize V ent aplicado
do lado esquerdo de R. Devido ao terra virtual, a corrente de entrada é constante e igual a
V
 ent  ent
R
Aproximadamente toda essa corrente segue para o capacitor. A lei básica de capacitores
afirma que
Q
C
V
Ou
Q
V
C
Como uma corrente constante flui para o capacitor, a carga Q aumenta linearmente. Isto
significa que a tensão do capacitor aumenta linearmente com a polaridade mostrada na
próxima figura. Devido à inversão de fase do amp op, a tensão de saída é uma rampa negativa
como está representado na figura abaixo. No final do período do pulso, a tensão de entrada
volta a zero, e a corrente de carga cessa. Pelo fato do capacitor manter a sua carga, a tensão
de saída permanece constante num nível negativo.
Para se obter a fórmula para a tensão de saída, divida os dois lados da equação acima
por T:
V Q /T

T
C
Como a carga é constante, podemos escrever
V
I

T C
IT
V
C
onde
V = tensão do capacitor
I = corrente de carga, Vent/R
C = capacitância
T = tempo de carga
Esta é a tensão através do capacitor. Devido à inversão de fase, Vsaida = -V. Por exemplo,
se I = 4mA, T = 2ms e C = 1μF, então a tensão do capacitor no fim do período de carga é
(4mA)(2ms)
 8V
V
1F
Devido à inversão de fase, a tensão de saída é -8V depois de 2 ms.
Para terminar: devido ao efeito Miller, um integrador pode ser visualizado como mostra a
figura a seguir. A constante de tempo para a rede de atraso da entrada é
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  RC (1  A)
Para que o integrador funcione corretamente, esta constante de tempo deve ser maior
do que a largura T do pulso de entrada (pelo menos 10 vezes maior). No integrador amp op
típico, o valor grande de A produz uma constante de tempo extremamente grande, e você
dificilmente tem qualquer problema se satisfazer a condição de que t seja muito maior do que T.
VARIAÇÃO DO GANHO EM ZERO
Circuito da figura anterior precisa de uma ligeira modificação para torna-lo prático, pelo
fato do capacitor se comportar como um aberto para os sinais cc, o ganho de tensão da malha
fechada é igual ao ganho de tensão da malha aberta na frequência zero. Isto resulta numa
produção excessiva de tensão de compensação na saída. Sem a realimentação negativa na
frequência zero, a malha trataria as compensações de entrada da mesma forma que um sinal
válido de entrada. As compensações de entrada eventualmente carregariam o capacitor e
levariam a saída para a saturação positiva ou negativa.
Uma forma de se reduzir o efeito das compensações de entrada é variar o ganho de
tensão em baixas frequências inserindo-se um resistor em paralelo com o capacitor, como
mostra a figura a seguir. Este resistor deve ser pelo menos 10 vezes maior que o resistor de
entrada. Se a resistência adicionada for igual a 10R, o ganho de tensão de malha fechada será
-10 e a tensão de compensação da saída será fortemente reduzida. O integrador trabalha
aproximadamente da forma descrita anteriormente porque a maior quantidade da corrente de
entrada ainda segue para o capacitor.
Uma outra forma de suprimir o efeito das compensações de entrada é usando uma
chave de reativação JFET como mostra a figura acima. Isto nos permite descarregar o
capacitor imediatamente antes do pulso ser aplicado à entrada. Por exemplo, na figura anterior
mostra uma chave JFET capaz de reativar o integrador. Quando a tensão da porta é –Vcc, a
chave JFET está aberta e o circuito funciona da forma descrita anteriormente. Quando a tensão
da porta varia para 0V, a chave JFET se fecha e descarrega o capacitor. Quando o ganho de
tensão da porta se torna negativo, o JFET se abre, e o capacitor pode ser recarregado pelo
pulso de entrada seguinte.
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3.8.2 - DIFERENCIADOR
Um diferenciador é um circuito que realiza a operação matemática da diferenciação. Ele
produz uma tensão de saída proporcional à inclinação da tensão de entrada. As aplicações
mais comuns de um diferenciador são a detecção das bordas dianteira e posterior de um pulso
retangular, ou a produção de uma saída retangular a partir de uma entrada rampa.
DIFERENCIADOR RC
Para diferenciador o sinal de entrada pode ser usada uma rede de avanço como na
figura abaixo. Quando usada dessa forma, é chamada diferenciador RC. Em vez de um sinal
senoidal, a entrada típica é um pulso retangular, como mostra a figura abaixo. A saída do
circuito são espículas positivas e negativas. A espícula positiva ocorre simultaneamente com a
borda dianteira da entrada; a espícula negativa ocorre simultaneamente com a borda posterior.
Outros circuitos podem utilizar essas espículas em delimitações de tempo.
Para se entender como o diferenciador RC funciona, observe a figura seguinte. Quando
a tensão de entrada varia de zero a V, o capacitor começa a se carregar exponencialmente,
como aparece na figura. Depois de aproximadamente cinco constantes de tempo, a tensão do
capacitor está dentro de l por cento da tensão final V. Para satisfazer a lei de Kirchhoff para a
tensão, a tensão através do resistor da Fig. 18-19 a é
U R  Vent  VC
Isto significa que a tensão de saída salta de repente de zero a V, e então decai
exponencialmente, como mostra a próxima figura. Na borda posterior do pulso, a tensão de
entrada forma um degrau negativo, e através de um argumento análogo, temos uma espícula
negativa. Observe que cada espícula na figura a seguir tem um valor de pico de
aproximadamente V, a altura do degrau de tensão.
Se um diferenciador RC tiver que produzir espículas estreitas, a constante de tempo
deve ser pelo menos 10 vezes menor que a largura de pulso T. Por exemplo, se a largura de
pulso for de Ims, então a constante de tempo RC deve ser menor ou igual a 0,1ms. A figura
abaixo mostra um diferenciador RC com uma constante de tempo de 0,1 ms. Quanto menor a
constante de tempo, mais agudas as espículas.
AMP OP DIFERENCIADOR
Na próxima figura mostra um diferenciador amp op. Note a semelhança com o integrador
amp op. A diferença é que o resistor e o capacitor são intercambiados. Quando a tensão de
entrada varia, o capacitor carrega ou descarrega. Devido ao terra virtual, a corrente do
capacitor passa através do resistor de realimentação, produzindo uma tensão. Esta tensão é
proporcional à inclinação da tensão de entrada.
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Uma entrada que é frequentemente usada com diferenciadores amp op é uma rampa
como a forma de onda de cima da figura a seguir. Devido ao terra virtual, toda a tensão de
entrada aparece através do capacitor. A rampa de tensão implica que a corrente do capacitor
seja constante. Como toda esta corrente constante flui através do resistor de realimentação,
obtemos um pulso invertido na saída, como mostra a figura abaixo.
Vamos mostrar como se calcula a corrente. No fim da rampa, a tensão do capacitor é
Q
V
C
Dividindo os dois lados pelo tempo da rampa resulta
V Q /T

T
C
Ou
V
I

T C
Tirando o valor da corrente, obtemos
CV
I 
T
Onde
I = corrente do capacitor
C = capacitância
V = tensão no final da rampa
T = tempo entre o começo e o fim da rampa
Esta corrente é fundamental, uma vez calculada, você pode obter a tensão de saída com
Vsa ida   IR
Como exemplo, a Fig. 18-20 mostra uma rampa de 3 V alimentando um diferenciador
amp op. A corrente do capacitor é
(0,01F )(3V )
I
 30A
1ms
A tensão de saída é
Vsa ida  (30A)(2K)  60mV
Portanto a forma de onda da saída é um pulso negativo com um pico de —60mV.
Num osciloscópio, a corda dianteira de um pulso retangular pode parecer perfeitamente
vertical. Mas se você diminuir o suficiente o tempo da base, verá que a borda dianteira é
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geralmente uma onda exponencial ascendente. Como aproximação, podemos tratar essa
exponencial crescente como uma rampa positiva.
Uma das aplicações comuns do diferenciador amp op é produzir espículas muito
estreitas, como mostra a figura acima. A borda dianteira do pulso é aproximadamente uma
rampa positiva, de modo que a saída será uma espícula do lado negativo com uma duração
muito curta. Analogamente, a borda traseira do pulso de entrada é aproximadamente uma
rampa negativa, de modo que a saída é uma espícula positiva muito estreita. A vantagem do
diferenciador amp op sobre um diferenciador RC simples é que as espículas provêm de uma
fonte de baixa impedância, o que torna mais fácil alimentar resistências de carga típicas.
O DIFERENCIADOR AMP OP PRÁTICO
O diferenciador amp op da figura anterior tem uma tendência de oscilar, uma condição
indesejada. Para se evitar esse efeito, um diferenciador amp op prático geralmente inclui
alguma resistência em série com o capacitor, como mostra a figura abaixo. Um valor típico para
essa resistência adicionada é entre 0,01 R e 0,1 R. Com este resistor, o ganho de tensão de
malha fechada fica entre -10 e -100. O efeito é de limitar o ganho de tensão de malha fechada
em frequências altas, quando surge o problema da oscilação.
A propósito, a fonte que alimenta o diferenciador amp op tem uma impedância de saída.
Se esta for uma resistência entre 0,01R e 0,1R, você não precisa incluir um resistor extra
porque a impedância da fonte o fornece.
3.8.3 - COMPARADOR
Frequentemente precisamos comparar uma tensão com outra para ver qual delas é
maior. Tudo o que precisamos é uma resposta sim/não. Um comparador é um circuito com
duas tensões de entrada (não-inversora e inversora) e uma tensão de saída. Quando a tensão
não-inversora for maior que a tensão inversora, o comparador produzirá uma alta tensão de
saída; quando a entrada não-inversora for menor que a entrada inversora, a saída será baixa. A
siada alta simboliza a resposta "sim", e a saída baixa representa a resposta "não".
CIRCUITO BÁSICO
A forma mais simples de se construir um comparador é ligando um amp op com
resistores de realimentação como mostra a figura abaixo. Quando a entrada inversora está
aterrada, a mais suave tensão de entrada (em fração de milivolts) é suficiente para saturar o
amp op. Por exemplo, se as alimentações forem de 15 V, então a compliance de saída vai de
aproximadamente -13 V para +13 V. Com um 741 C, o ganho de tensão de circuito fechado é
tipicamente de 100.000.
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Portanto, a tensão de entrada necessária para produzir a saturação positiva é
13V
Vent 
 0,13mV
100.000
Isto é tão pouco que a característica de transferência da figura acima mostra o que
parece ser uma transição vertical Vent = 0. Na verdade não é vertical. Com um 741C são
necessários 0,13 mV da tensão de entrada para produzir a saturação positiva e -13 mV para se
chegar à saturação negativa.
Pelo fato das tensões de entrada necessárias para produzir a saturação serem tão
pequenas, a transição da figura anterior parece ser vertical. Apenas como aproximação, vamos
trata-la como vertical. Isto significa que uma tensão positiva de entrada produz saturação
positiva, enquanto uma tensão negativa de entrada produz saturação negativa.
MUDANDO O PONTO DE DESENGATE (CHAVEAMENTO)
O ponto de desengate (também chamada de limiar, ponto de referência etc.) de um
comparador é o valor da tensão de entrada para o qual a saída faz mudança de estados (de
baixo para alto ou vice-versa). Na figura passada, o ponto de desengate é o zero, porque este é
o valor de tensão de entrada para o qual a saída faz a mudança de estados. Quando V ent for
maior que o ponto de desengate, a saída será alta; quando V ent for menor que o ponto de
desengate, a saída será baixa. Um circuito como o da figura anterior é chamado
frequentemente detector de cruzamento zero. Na figura a seguir será aplicada uma tensão de
referência à entrada inversora
Vent 
R2
R1  R2
Quando Vent for menor que Vref, a tensão de erro será negativa e a saída será baixa;
quando Vent for maior que Vref, a tensão de erro será positiva e a saída será alta.
A propósito é usado geralmente um capacitor de passagem na entrada inversora.como
mostra a figura abaixo. Isto reduz a quantidade de ondulação e ruído da fonte de tensão que
parecem na entrada inversora. Na verdade, a Frequência de corte deste circuito de passagem
(uma rede de atraso com uma resistência equivalentes de R 1, || R2) deve ser muito mas baixa
que a frequência de ondulação.
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Na figura acima mostra a característica de transferência. O ponto de desengate agora é
igual a Vref. Quando Vent é ligeiramente maior que Vref, a saída do comparador entra em
saturação positiva. Quando Vent é menor que Vref, a saída do comparador entra em saturação
negativa. Um comparador como este é chamado às vezes detector limite porque a saída
positiva indica que a tensão de entrada excede um determinado limite. Com valores diferentes
de R1 e R2, podemos estabelecer um ponto de desengate positivo em qualquer ponto entre
zero e Vcc.
Se preferirmos um ponto de desengate negativo, então teremos de ligar o -VEE ao divisor
de tensão, como mostra na figura anterior. Agora é paliçada uma tensão de erro será positiva e
a saída será alta, como mostra a figura passada; quando Vent for mais negativa que Vref, a saída
será baixa.
COMPARADOR DE ALIMENTAÇÃO SIMPLES
Como você sabe, um amp op típico como o 741C pode funcionar a partir de uma única
fonte de alimentação positiva aterrando-se o pimo -VEE, como mostra a figura a seguir. Agora a
tensão de saída tem apenas uma polaridade, uma tensão positiva baixa ou alta. Por exemplo,
com Vcc igual a +15V, a compliance de saída é de aproximadamente 1 ou 2 V (estado baixo)
até a cerca de 13 a 14 V (estado alto).
A tensão de referência aplicada à entrada inversora é positiva e igual a
R2
VCC
Vr ef 
R1  R2
Quando vem for maior que Vref, a saída será alta, como mostra na figura acima; quando
Vent for menor que Vref, a saída será baixa. Nos dois casos, a saída tem uma polaridade
positiva. Na maioria das aplicações digitais, este é o tipo preferido de saída do comparador.
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PROBLEMAS DE RAPIDEZ
Um amp op como o 741C pode ser usado como um comparador, mas ele apresenta
limitações quanto à rapidez. Como você sabe, a taxa de inclinação limita a taxa de variação da
tensão de saída. Com um 741 C, a saída pode variar no Máximo a uma taxa de 0,5 V/μs. Por
isso, um 741C leva mais de 50 μs para fazer um chaveamento entre uma saída baixa de -13 V
e uma saída alta de +13 V. Uma aproximação para se aumentar de chaveamento é usar um
amp op de taxa de inclinação mais rápida, como o 318. Como este possui uma taxa de
inclinação de 70 V/μs, ele pode fazer um chaveamento de -13 V para +13 V em 0,3 μs
aproximadamente.
CI’s COMPARADORES
O capacitor de compensação encontrado num amp op típico é a fonte do problema da
taxa de inclinação. Para circuitos lineares com amp op, este capacitor é essencial porque ele
desenvolve o ganho de tensão do circuito aberto a uma taxa de 20 dB por década e evita
oscilações. Além disso, o amp op típico tem um estágio de saída push-pull classe B que em
ultima instância determina a compliance de saída.
Um comparador é um circuito ano-Iinear, portanto não há necessidade realmente de se
incluir um capacitor de compensação. Além disso, na maioria das aplicações de comparadores
é melhor deixa o usuário determinar a compliance de saída. Por estas duas razões, o fabricante
pode projetar novamente o amp op típico abandonando o capacitor de compensação e
mudando o estágio de saída. Quando um Cl é otimizado para ser usado como um comparador,
o dispositivo é apresentado numa seção separada do catálogo do fabricante. Em outras
palavras, você vai encontrar amps op num lugar e comparadores em outro.
Na figura seguir é um diagrama simplificado de um Cl comparador. O estágio de entrada
é um amp dif (Q1 e Q2). Um espelho de corrente, Q6 e Q7, fornecem a alimentação para a
corrente de cauda. Como anteriormente, um espelho de corrente, Q 3 e Q4, é uma carga ativa.
O estágio de saída é um único transistor Q 5 com o coletor aberto. O fabricante deixa este
coletor de propósito. Isto permite que o usuário ligue qualquer resistor de carga e qualquer
tensão de alimentação positiva desejados.
Para que o circuito funcionar corretamente, você precisa ligar o coletor aberto a um
resistor externo e uma fonte de alimentação, como mostra na próxima figura. O resistor é
chamado resistor de suspensão porque ele literalmente eleva a tensão de saída é um transistor
de saída está cortado. Basicamente, o estágio de saída é um transistor chave. É por isso que o
comparador produz uma saída em dois estágios, ou uma tensão baixa ou alta.
Quando a entrada não-inversora é mais positiva que a entrada inversora, a tensão de
base de Q5 diminui, e o transistor é cortado. Isto significa que a tensão de saída é alta e igual a
+V. Por outro lado, quando a entrada não-inversora é menos positiva que a entrada inversora, a
tensão de base Q5 aumenta, e o transistor entra em saturação. Portanto a tensão de saída é
baixa, apenas alguns décimos de volts.
Sem capacitor de compensação, a saída da figura a seguir pode inclinar-se muito
rapidamente porque somente as pequenas capacitâncias de dispersão permanecem no
circuito. Uma limitação na velocidade de chaveamento é a quantidade de capacitância que
atravessa Q5. Esta capacitância de saída é a soma da capacitância do coletor e da capacitância
de dispersão da fiação. A constante de tempo da saída é o produto da resistência de elevação
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pela capacitância de saída. Por esta razão, quanto menor a resistência de suspensão, mais
rápido a tensão de saída pode variar. Tipicamente, R pode ser de algumas centenas alguns
milhares de ohms.
São exemplos de Cl comparadores o LM311, LM339 e o NE529. Todos eles têm um
estágio de saída com o coletor aberto, e assim você tem de ligar o pino de saída a um resistor
de suspensão e a uma tensão de alimentação positiva. Devido às suas altas taxas de
inclinação, LM339 é na verdade um comparador quadrangular, quatro comparadores numa
única embalagem de Cl. Por isso ele é barato e fácil de ser usado, e tornou-se um comparador
popular em aplicações com múltiplas finalidades.
ALIMENTANDO DISPOSITOVOS TTL*
Frequentemente, a saída de um comparador alimenta dispositivos TTL ( lógica transistortransistor) que são os circuitos integrados usados em computadores, sistemas digitais e em
outras aplicações de chaveamento. As tensões de entrada típicas para um dispositivo TTL
situam-se entre 0 e +5 V. Na figura passada mostra como um LM339 pode ser ligada a uma
alimentação de +5 V através de um resistor de elevação 1 k . Por isso, a saída pode ser ou 0
V ou +5V, como mostra a figura anterior. Esta alimentação é ideal para dispositivos TTL.
PARTE DE UM CONVERSOR A/D
Na próxima figura mostra parte de um conversor analógico para digital (A/D) usado em
voltímetros digitais e em muitas outras aplicações. A tensão de entrada a ser medida ou
convertida é aplicada à entrada não-inversora. Uma tensão em escada alimenta a entrada
inversora torna-se menos positiva. Em algum ponto ao longo da escadaria, a entrada inversora
torna-se mais positiva que a entrada não-inversora. Quando isto ocorre, a saída do comparador
muda para o estado baixo.
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*N.T. Abreviação dircta do inglês: Transistor-transistor logi.
O intervalo de tempo que a tensão da escada leva para ultrapassar vent, é a base para se
entender o funcionamento do circuito. Quanto maior V ent, mais tempo leva para a tensão da
escala ultrapassar Vent; em outra palavras, o tempo é diretamente proporcional a V ent, Com
outros circuitos, que não aparecem aqui, podemos medir este tempo e exibir a tensão com um
indicador de sete segmentos.
O COMPARADOR DE JANELA
Um comparador comum indica quando a tensão de entrada excede um certo limite ou
limiar.
Um comparador de janela (também chamado detector de limite terminal duplo) detecta
quando a tensão de entrada situa-se ente dois limites. Esta seção vai discutir dois exemplos de
comparadores de janela.
EXEMPLO DE AMP OP
Na próxima figura é um exemplo de um comparador de janela que utiliza um amp op.
Entrada não-inversora tem como referência uma tensão Thevenin +Fcc/3, e a entrada inversora
uma tensão Thevenin de +Fcc/4. Como Vcc é de 12 V, as referências de Thevenin são +4 V
para a entrada não-inversora e +3 V para entrada inversora.
Quando a tensão de entrada é zero, o díodo de cima está ligado e o de baixo desligado.
Como a entrada não-inversora é grampeada a uma queda do diodo acima de tensão de
entrada, a entrada não-inversora é +0,7 V. A entrada inversora por outro lado, está a +3 V.
Portanto a tensão de erro é negativa e a saída do comparador é baixa.
À medida que a tensão de entrada aumenta, a entrada não-inversora também aumenta,
permanecendo 0,7 V mais alta do que Vent. Quando Vent, atinge +2,3 V, a entrada não-inversora
é grampeada em +3 V. Como a entrada inversora ainda está em +3 V, a tensão de erro agora é
zero. Se a tensão de entrada Vent sobe acima de +2,3 V, a saída do comparador se eleva. Uma
entrada de +2,3 V é um valor critico porque a saída do comparador está prestes a chavear do
estado baixo para o alto. Esta tensão de entrada é chamada ponto de desengate inferior
(LTP)*.
Quando Vent for maior que o LTP, a tensão de saída chaveia para o estado alto, como
mostra a figura abaixo.
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*N.T. Abreviação direta do inglês: Lower Trip point N.T.
À medida que a tensão de entrada aumenta, a saída do comparador permanece alta até
que Vent se iguale a +4,7 V. Neste valor de tensão de erro está novamente em zero. Mais uma
vez, o comparador está prestes a chavear a sua saída. Quando V ent for maior que +4,7 V, a
tensão de erro fica negativa, levando a saída para o estado baixo. Uma entrada de +4,7 V é
chamada ponto de desengate superior (UTP)* porque logo acima desse nível, a saída chaveia
de volta para o estado baixo.
A características de transferência da figura anterior é chamada janela porque a saída é
alta somente quando a entrada se situa entre LTP e o UTP. Com uma Vcc de 12 V, o
comparador de janela da figura anterior tem um LTP de +2,3 V e um UTP de +4,7 V. Mudando
os divisores de tensão, podemos variar a largura se uma entrada se situa entre dois limites.
USANDO O LM339
Na próxima figura, mostra você pode ligar dois comparadores (metade de um LM339) de
modo a obter um comparador de janela. Com uma alimentação positiva de +12 V, as tensões
de referências são +4 V para o comparador de cima e +3 V para o baixo. Quando V ent se situar
entre +3 V e +4 V, os dois comparadores terão uma tensão de erro positiva, e os seus
transistores de saída estarão abertos. Por isso, a saída final é alta. Quando vent for menor que
+3 V ou maior que +4 V, um dos comparadores terá um transistor saturado e o outro terá um
transistor em corte. O transistor saturado puxa a tensão de saída de baixo para um nível mais
baixo. Na figura acima mostra a característica de transferência. O LTP é +3 V e o UTP é +4 V.
*N.T. Abreviação direta do inglês: Upper Trip poin
3.9 - OSCILADOR
O oscilador é um circuito de importância fundamental para os aparelhos eletrônicos. Sua
função é gerar oscilações elétricas permanentes, ou seja, um sinal senoidal com valores de
amplitude e de frequência muito bem determinados. Pafa a construção do oscilaHor é
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indispensável um transistor que funcione como amplificador.
O oscilador é um circuito de muita importância, pois tem grande utilidade prática. Sua
função básica é gerar oscilações elétricas permanentes, isto é, um sinal senoidal com valores
de amplitude e de frequência constantes.
Para a construção dos osciladores, é indispensável um transistor que funcione como
amplificador. Esse elemento tem a função de retirar a energia da fonte de alimentação para
fornecê-la ao circuito ressonante básico, que é constituído pela célula L-C (bobina e capacitor).
Com isso, o transistor possibilita que a oscilação se automantenha nessa célula.
A bobina e o capacitor são dois elementos básicos do oscilador, pois eles permutam
energia entre si, armazenando e restituindo periodicamente esta energia.
Os osciladores podem também ser construídos com cristal de quartzo, que é capaz,
graças ao efeito piezelétrico, de desempenhar uma função semelhante à da célula L-C, com a
vantagem adicional de garantir maior estabilidade da frequência de oscilação. Os osciladores a
quartzo têm uma frequência fixa. Para variá-la, é necessário substituir o cristal.
Partindo do circuito base L-C, mostraremos aqui diversos tipos de oscilador existentes.
Como se pode notar na figura abaixo, foi acrescentado um transistor ao circuito base, enquanto
a bobina original foi substituída por um transformador. O funcionamento deste oscilador é muito
simples: o secundário L2 retira uma parte do sinal do circuito ressonante e o envia à base do
transistor, que por sua vez, o restitui amplificado ao circuito L1-C, completando, dessa maneira,
o ciclo. Isso se repete com uma frequência igual à frequência da oscilação.
Um outro tipo de oscilador, muito semelhante ao precedente, está representado na figura
abaixo. Seu circuito ressonante é colocado no secundário, na parte correspondente à base.
Nesse caso, a distribuição de energia é dada pelo transistor através do circuito primário.
Além dos exemplos citados, existem outras configurações, nas quais a retirada da fração
do sinal que o transistor emprega para manter a oscilação é feita sem o emprego de um
transformador. Há duas configurações clássicas, a partir das quais é possível obter qualquer
oscilador deste tipo: são os osciladores conhecidos, respectivamente, como Hartley e Colpitts.
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O Hartley ilustrado na figura abaixo mostra apenas a estrutura fundamental do oscilador;
não foram levados em consideração os outros elementos necessários para se obter a
polarização. Seu circuito ressonante, formado pelo capacitor C e pela soma das bobinas L1 e
L2, é inserido entre o coletor e a base do transistor. O transistor retira uma fração do sinal
presente em L1, entre a base e o emissor. Essa fração é restituída, devidamente amplificada
pelo coletor, de modo a completar o ciclo. A frequência em que oscila este circuito é definida
pela fórmula:
f 
1
2 ( L1  L2)  C
É preciso, também, estabelecer as condições necessárias para que as oscilações
necessárias para que as oscilações sejam produzidas e mantidas. Esta condição é definida
pela comparação entre a razão dos valores das indutâncias e o ganho em corrente (β) do
transistor. A fórmula empregada é a seguinte:
Condição de manutenção:
  L2 / L1
Emprega-se o sinal  (aproximadamente igual) porque é quase impossível determinar
exatamente a condição, pois o ganho em corrente (β) pode variar dentro de certos limites, até
para os transformadores do mesmo tipo.
O oscilador Colpitts é representado na figura abaixo. Ele tem, como se pode observar,
uma estrutura semelhante à do oscilador Hartley, mas apresenta os papéis das bobinas e dos
capacitores invertidos. Seu circuito oscilador é constituído, portanto, pela bobina L e pêlos
capacitores C1 e C2 ligados em série — ligação que não equivale à sua soma. Este circuito
também é inserido entre a base e o emissor do transistor, que retira parte do sinal do capacitor
C1 e o amplifica. No Colpitts a frequência obtida e a condição de manutenção são calculadas
pelas fórmulas seguintes:
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Frequência de oscilação:
f 
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1
 C1  C 2 
2 L  

 C1  C 2 
Condição de manutenção:
  C 2 / C1
A estabilidade da frequência de oscilação pode ser incrementada em ambos os casos.
Para isso, basta utilizar um cristal piezelétrico como elemento de controle da frequência. Esse
cristal pode substituir qualquer elemento do circuito oscilador.
O circuito equivalente ao cristal oscila numa frequência bem determinada quando lhe é
aplicada uma tensão elétrica. Ele é representado pela figura acima, como já foi frisado.
Empregando-se este elemento, pode-se projetar os osciladores com a mesma disposição dos
precedentes. Ele substitui a bobina, no caso do tipo Colpitts, ou fica no lugar do indicador, no
caso do tipo Hartley.
A partir dos esquemas precedentes, pode-se completar a estrutura do oscilador
acrescentando-se os outros elementos necessários para levar o transistor ao ponto de trabalho
adequado. Na figura a seguir mostra um oscilador do tipo Hartley completo. Nele, você pode
observar que os componentes do circuito oscilador propriedade dito são as indutâncias L1 e L2
e o capacitor C1.
Em série com os indutores, estão ligados dois capacitores, C2 e C3, que têm a única
função de impedir que a corrente contínua de base e o coletor, respectivamente, deriva para a
massa, e não influencie o funcionamento do oscilador.
Na figura abaixo vê-sc um oscilador Corpilts. Seu circuito é formato por C1, C2 e L.
Nesse caso, é o capacitor C3 que isola as tensões contínuas de base e coletor. Além dos
osciladores descritos até aqui, há outros dois tipos, também muito empregados nos aparelhos
eletrônicos: são os osciladores RC e os osciladores de relação.
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Y+
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Y+
R1
R2
C1
L1
R1
L2
R2
Sinal de
Saída
C2
C1
C3
O oscilador RC emprega uma série de células formadas por um resistor e um capacitor,
que produzem um efeito de defasagem ou rotação de fase. Com isso, eles fornecem à base um
sinal com as mesmas características de fase do sinal que está sendo amplificado. Assim, a
oscilação não é atenuada e o ciclo pode repetir-se indefinidamente. O número de células
necessário é igual ou maior que três. A frequência de oscilação é calculada pela fórmula:
f 
2    R  C1
1
C 
C 
 5  1 
C1 
C 
Enquanto a condição de manutenção é dada por:
C
C
  16  10 1  3
C
C1
Onde R e C são os valores dos elementos que compõem as células (supostamente
todas iguais) e Rc é a resistência da polarização do coletor.
Os osciladores de relaxação empregam transistores comuns ou, então, um transistor do
tipo unijunção, do qual já tratamos anteriormente. Esses osciladores funcionam graças ao
processo de carga e descarga de capacitores, cujos ciclos determinam a frequência. O sinal de
saída não é, como em outros casos, senoidal, mas consiste em ondas quadradas ou de pulsos,
ou de sinais em forma de onda especial, como os dentes de serra.
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TEORIA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL
Para se construir um oscilador senoidal, precisamos de um amplificador com uma
realimentação positiva. A ideia consiste em se usar o sinal de realimentação no lugar de um
sinal de entrada. Se o ganho de malha e a fase estiverem correios, haverá um sinal de saída,
mesmo que não haja sinal externo na entrada. Em outras palavras, um oscilador é um
amplificador 'que foi modificado pela realimentação positiva para fornecer o seu próprio sinal de
entrada. Isto pode se parecer a um movimento perpétuo, e de uma certa forma é. Mas lembrese de uma coisa: o oscilador não cria energia; ele muda somente a energia cc da fonte de
alimentação em energia ca.
GANHO E FASE DA MALHA
Na figura abaixo mostra uma fonte de tensão vent alimentando os terminais de entrada
de um amplificador. A tensão de saída amplificada é
Vsa ida  ABvent
Esta tensão alimenta a malha de realimentação que geralmente é um circuito
ressonante. Por isso, obtemos realimentação máxima numa certa frequência. A tensão de
realimentação que volta ao ponto x é dada por
Vf  ABvent
Se o desvio de fase através do amplificador e da malha de realimentação for 0°, então
ABvent estará em fase com o sinal vent que alimenta os terminais de entrada do amplificador.
Admita que ligamos o ponto x ao ponto y e simultaneamente retirarmos a fonte de tensão
Vem. Então a tensão de realimentação ABvent alimenta os terminais de entrada do amplificador
como mostra a figura acima. O que acontece com a tensão de saída? Se AB for menor que 1,
ABvent será menor que vent, e o sinal de saída desaparecerá, como mostra a figura anterior.
Por outro lado, se AB for maior que 1, ABvent será maior que vent e a tensão de saída crescerá.
Se AB for igual a 1, então ABvent será igual a vent e a tensão de saída será uma onda senoidal
estável como mostra a figura passada. Neste caso, o circuito fornece o seu próprio sinal de
entrada e produz uma onda senoidal na saída.
Num oscilador o valor do ganho do circuito AB é maior que 1 logo que a alimentação é
ligada. Uma pequena tensão de partida é aplicada aos terminais de entrada, e a tensão de
saída cresce, como mostra a figura acima. Depois da tensão de saída atingir um nível
desejado, o valor de AB automaticamente diminui até 1, e a amplitude de saída permanece
constante.
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TENSÃO DE PARTIDA
De onde vem a tensão de partida de um oscilador? Qualquer resistor contém alguns
elétrons livres. Devido à temperatura ambiente, estes elétrons livres deslocam-se
aleatoriamente em diferentes direções e geram uma tensão de ruído através do resistor. O
movimento é tão aleatório que contém frequências acima de 1000GHz. Você pode imaginar
cada resistor como uma pequena fonte de tensão ca produzindo todas as frequências.
Na figura anterior, vejamos o que acontece. Logo que você liga a potência, os únicos
sinais do sistema são as tensões de ruídos geradas pelos resistores. Estes ruídos são
amplificados e aparecem nos terminais de saída. O ruído amplificado alimenta o circuito de
realimentação ressonante. Através de um projeto deliberado, podemos fazer o desvioO de fase
ao longo do circuito igual a 0° na frequência de ressonância. Desta forma, obteremos
oscilações somente numa frequência.
Em outras palavras, o ruído amplificado é filtrado de modo a haver somente uma
componente senoidal com a fase exatamente correta para a realimentação positiva. Quando o
ganho de malha AB for maior que 1, as oscilações crescem nesta frequência. Depois que um
nível adequado é atingido, AB diminui para 1, e obtemos um sinal de saída com uma amplitude
constante.
AB DIMINUI ATÉ A UNIDADE
Há duas formas que fazem AB diminuir para 1: A pode diminuir ou B pode diminuir.
Em alguns osciladores, permite-se que o sinal aumente até ocorrer o ceifamento devido
à saturação e ao corte; isto equivale a reduzir o ganho de tensão A. Em outros osciladores, o
sinal aumenta e faz B diminuir antes de ocorrer o ceifamento. Nos dois casos, o produto AB
diminui até ficar igual à unidade.
Aqui estão os princípios fundamentais de qualquer oscilador de realimentação:
1. Inicialmente, o ganho da malha AB precisa ser maior que l na frequência na qual o
desvio de fase do circuito é de 0°.
2. Depois de atingido o nível de saída desejado, AB precisa diminuir até 1 através de
reduções ou de A ou de B.
O OSCILADOR A PONTE DE WIEN
O oscilador a ponte de Wien é o circuito oscilador padrão para frequências baixas a
moderadas, na faixa de 5Hz até cerca de 1MHz. É quase sempre usado em geradores de
áudio comerciais e é geralmente preferido em outras aplicações em baixa frequência.
REDE DE AVANÇO-ATRASO (LEAD-LAG)
O oscilador a ponte de Wien utiliza um circuito de realimentação chamado rede de
avanço-atraso. Em frequências muito baixas, o capacitor em série parece aberto ao sinal de
entrada, e não há sinal de saída. Em frequências muito altas, o capacitor de derivação parece
em curto, e não há saída. Entre estes extremos, a tensão de saída da rede de avanço-atraso
atinge um valor máximo. A frequência para a qual a saída é maximizada é chamada frequência
ressonante fr. Nesta frequência, a fração de realimentação atinge um valor máximo de 1/3.
A figura abaixo mostra o ângulo de fase da tensão de saída com relação à tensão de
entrada.
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Em frequências muito baixas, o ângulo de fase é positivo, e o circuito se comporta como
uma rede de avanço. Por outro lado, em frequências muito altas, o ângulo de fase é negativo, e
o circuito se comporta como uma rede de atraso. Entre essas frequências, há uma frequência
ressonante fr para a qual o desvio de fase é igual a 0°.
A rede de avanço-atraso da figura abaixo se comporta como um circulo ressonante. Na
frequência de ressonância fr, a fração de realimentação atinge um valor máximo de 1/3 e o
ângulo de fase é igual a 0°. Acima e abaixo da frequência de ressonância, a fração de
realimentação é menor que 1/3 e o ângulo de fase não é mais igual a 0°.
FÓRMULA PARA A FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA
Na figura acima, a saída da rede de avanço-atraso é
RII jX C 
Vsa ida 
Vent
R  jX C  RII jX C 
Expandindo e simplificando, a equação anterior conduz a estas duas fórmulas:
B
9  XC / R  R / XC 
1
2
  arctg
XC / R  R / XC
3
O gráfico destas fórmulas produz a figura anterior.
Na primeira equação da pagina anterior tem um máximo quando X C  R . Para esta
1
e   0 0 . Este resultado representa a frequência ressonante da rede de
3
avanço-atraso. Como X C  R , podemos escrever
condição, B 
1
R
2f r C
Ou
Fr 
1
2RC
COMO FUNCIONA
Na próxima figura mostra um oscilador a ponte de Wien; ele utiliza realimentações
positiva e negativa. A realimentação positiva ajuda as oscilações a aumentarem quando a
alimentação é ligada. Depois do sinal de saída atingir o nível desejado, a realimentação
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negativa reduz o ganho da malha fechada a 1. A realimentação positiva se dá através da rede
de avanço-atraso para a entrada não-inversora; a realimentação negativa se dá através do
divisor de tensão para a entrada inversora.
Assim que é ligada, a lâmpada de tungsténio tem uma baixa resistência, e não se dispõe
de muita realimentação negativa. Por esta razão, o ganho do circuito ACLB é maior que 1, e as
oscilações podem aumentar na frequência de ressonância fr. À medida que as oscilações
aumentam, a lâmpada de tungsténio se aquece ligeiramente, e a sua resistência aumenta.
(Observação: Na maioria dos circuitos, a corrente através da lâmpada não é suficiente para
faze-la brilhar.Ψ No nível de saída desejado, a lâmpada de tungsténio tem uma resistência R’.
Neste ponto,
R
2 R'
1  3
ACL  1  1 
R2
R'
Como a rede de avanço-alraso tem um B de
1
, o ganho do circuito Aci.B é igual à
3
unidade.
CONDIÇÕES INICIAIS
No momento em que é ligada, a resistência da lâmpada é menor que R'; portanto A CL é
1
na frequência de ressonância, o ganho da malha inicialmente
maior que 3. Como B é igual a
3
é maior que 1. Isto significa que a tensão de saída aumentará da forma já descrita.
À medida que a tensão de saída aumenta, a resistência da lâmpada aumenta, como
mostra a figura abaixo. Em alguma tensão V a lâmpada de tungsténio tem uma resistência R'.
Isto significa que ACL. tem um valor de 3 e o ganho da malha fechada torna-se 1. Quando isto
ocorre, os níveis de saída da amplitude tornam-se constantes. (Num oscilador prático, a
lâmpada de tungsténio não acende porque isto implicaria desperdício de potência do sinal).
V amp(rms)
l
DESVIO DE FASE DO AMPLIFICADOR
Num oscilador a ponte de Wien, o desvio de fase da rede de avanço-atraso é igual a 0°
quando as oscilações têm uma frequência de
1
fr 
2RC
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Por isso, podemos ajustar a frequência variando o valor de R ou C. Isto supõe que o
desvio de fase do amplificador seja desprezivelmente pequeno. Colocando de outra forma, o
amplificador precisa ter uma frequência de corte de malha fechada bem acima da frequência de
ressonância fr. Então, o amplificador não introduz nenhum desvio de fase"adicional. Se o
amplificador introduzisse desvio de fase, a fórmula simples f r  1 / 2RC não valeria mais.
Na figura abaixo mostra uma outra forma de se desenhar o oscilador a ponte de Wien. A
rede de avanço-atraso forma o lado esquerdo de uma ponte, e o divisor de tensão forma o lado
direito. Esta ponte ca, chamada ponte de Wien, é usada em outras aplicações além de
osciladores. A tensão de erro é a saída da ponte. Quando a ponte se aproxima do equilíbrio, a
tensão de erro se aproxima de zero.
A ponte de Wien é um exemplo de um filtro rejeita banda, um circuito com saída zero
numa determinada frequência. Para uma ponte de Wien, a frequência rejeitada é igual a
fr 
1
2RC
Como a tensão de erro para o amplificador é muito pequena, a ponte de Wien é
aproximadamente equilibrada e a frequência de oscilação aproximadamente igual a fr.
OUTRAS FORMAS DE SE REDUZIR AB A UNIDADE
Uma lâmpada incandescente de baixa potência é o método padrão de se reduzir AB à
unidade em osciladores a ponte de Wien. (Têm sido usadas lâmpadas como a #80, 327, 1869,
2158, 7218, e outras.) Há alternativas para a lâmpada incandescente. Na figura abaixo mostra
um oscilador com ponte de Wien que se baseia em díodos para limitar a amplitude do sinal de
1
saída. Ao se ligar, os díodos estão desligados, e a fração de realimentação é menor que
3
porque a razão R1//R2 é maior que 2. Isto permite que o sinal de saída aumente.
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Depois de atingido o nível de saída desejado, os díodos conduzem em semiciclos
1
alternados. Isto coloca R3 em paralelo com R1 e aumenta a fração de realimentação para . A
3
tensão de saída se estabiliza então. Às vezes, são usados LEDs em vez de díodos comuns; os
LE.Ds acesos indicam que o circuito está oscilando.
Na figura acima, um diodo zener é o elemento limitador. No momento em que é ligado,
1
os diodos da ponte estão desligados, e a fração de realimentação é menor que
porque a
3
razão R1/R3 é maior que 2. À medida que a saída aumenta, os diodos da ponte estão
polarizados diretamente, mas nada acontece abaixo da ruptura zener. Em algum nível de saída
mais alto, o diodo zener se rompe e o nível de saída estabiliza.
Na figura acima mostra uma outra aproximação. Desta vez, um JFET que se comporta
como uma resistência de tensão variável limita a amplitude de saída. No instante em que é
ligado, o JFET tem uma resistência mínima porque a sua tensão da porta é zero. Através do
1
projeto, a fração de realimentação é menor que , e assim sendo as oscilações podem
3
começar. Quando o nível de saída excede a tensão zener mais a queda de um diodo, obtemos
a deteção do pico negativo, e a tensão da porta torna-se negativa. Quando isto ocorre, o
1
rds(ligado) do JFET aumenta, o que aumenta a fração de realimentação até ela se igualar a . A
3
saída, aí então, se estabiliza.
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EXEMPLO l
Calcule as frequências mínima e máxima no oscilador a ponte de Wien da próxima
figura.
SOLUÇÃO
Os reostatos concatenados podem variar de 0 a 100k ; portanto o valor de R vai de 1 a 101
k . a frequência mínima de oscilação é
fr 
1
 158Hz
2 101k0,01F 
E a frequência máxima é
fr 
1
15,9kHz
2 1k0,01F 
EXEMPLO 2
Na figura acima mostra a resistência de uma lâmpada. Calcule a tensão de saída.
SOLUÇÃO
Na Figura acima a amplitude de saída torna-se constante quando a resistência da
lâmpada é igual a 1k . Isto significa que a tensão da lâmpada é de 2Vrms. A corrente que flui
através da lâmpada também flui do resistor de 2k , o que significa que existe um sinal de 4V
de rms através do resistor. Portanto a tensão de saída é igual à soma de 4V mais 2V, ou
Vsa ída  6Vrms
OUTROS OSCILADORES RC
Embora o oscilador a ponte de Wien seja o padrão industrial para frequências até 1MHz,
você ocasionalmente vê diferentes osciladores RC. Esta seção discute dois outros tipos,
chamados oscilador duplo-T e oscilador de deslocamento de fase.
OSCILADOR DUPLO-T
Na próxima figura é um filtro duplo-T. Uma análise matemática deste circuito mostra que
ele se comporta como uma rede de avanço-atraso com o ângulo de fase apresentado na figura
abaixo.
Novamente, há uma frequência fr, para a qual o desvio de fase é igual a zero. O ganho
de tensão é igual à unidade em baixas e altas frequências. No meio, há uma frequência fr, para
a qual o ganho de tensão cai a zero. O filtro duplo-T às vezes é chamado filtro rejeita banda
porque ele e capaz de eliminar ou atenuar estas frequências próximas de fr. A frequência fr,
conhecida com a frequência de rejeição (também chamada frequência ressonante), é dada por
1
fr 
2RC
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Na figura abaixo mostra um oscilador duplo-T. A realimentação positiva se faz através do
divisor de tensão para a entrada não-inversora. A realimentação negativa se dá através do filtro
duplo-T. Logo que a alimentação é ligada, a resistência da lâmpada R 1 é baixa, e a
realimentação positiva é máxima. À medida que as oscilações aumentam, a resistência da
lâmpada aumenta e a realimentação positiva diminui. À medida que a realimentação diminui, as
oscilações se nivelam e tornam-se constantes. Desta forma, a lâmpada estabiliza o nível da
tensão de saída.
No filtro duplo-T, a resistência R/2 é ajustada. Isto é necessário porque o circuito oscila
numa frequência ligeiramente diferente da frequência ideal rejeitada na equação anterior. Para
assegurar que a frequência de oscilação esteja próxima da frequência de rejeição, o divisor de
tensão deve ter R1 muito maior que R2. A título de orientação, R1/R2 está na faixa de 10a 1000.
Isto força o oscilador a funcionar numa frequência próxima da frequência de rejeição.
Na figura acima mostra um método alternativo de se limitar o nível de saída. Neste circuito, é
usado um JFET como uma resistência variável com a tensão. A porta do JFET é ligada à saída
de um detector de pico negativo. Em algum nível de saída, a tensão negativa que sai do
detector de pico aumenta o rds(ligado) até aproximadamente R/2. Neste ponto, o filtro duplo-T é
ressonante e a saída do oscilador se estabiliza.
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OSCILADORES DE DESLOCAMENTO DE FASE
Na figura acima é um oscilador de deslocamento de fase com três redes de avanço no
percurso da realimentação. O amplificador tem 180° de desvio de fase porque o sinal alimenta
a enteada inversora. Como voeê deve se lembrar, umaTede de avanço produz um desvio de
fase entre 0° e 90°, dependendo da frequência. Portanto numa dada frequência, o desvio total
de fase das três redes de avanço é igual a 180° (aproximadamente 60° cada). Como resultado,
o desvio de fase ao longo do circuito será de 360°, equivalente a 0°. Se AB for maior que a
unidade nessa determinada frequência, as oscilações podem começar.
Na fígur anterior mostra um projeto alternativo. Ele utiliza três redes de atraso. A
operação é análoga. O amplificador produz um desvio de fase de 180°, e as redes de atraso
contribuem com outros 180° em alguma frequência mais alta. Se AB for maior que a unidade
nessa frequência, as oscilações podem começar.
Embora seja usado ocasionalmente, o oscilador de deslocamento de fase não é um
circuito popular. A razão principal de introduzi-lo é porque você pode acidentalmente construir
um oscilador de deslocamento de fase ao tentar construir um amplificador. Isto será discutido
mais tarde no capítulo sobre pipocamento e oscilações parasitas.
O OSCILADOR COLPITTS
Embora excelente em baixas frequências, o oscilador da ponte de Wien não é adequado
para as altas frequências (bem acima de 1MHz). O principal problema é o desvio de fase
através do amplificador. Uma alternativa é um oscilador LC, um circuito que pode ser usado
para frequências entre 1MHz e 500MHz. Esta faixa de frequência está além da funitária da
maioria dos amps op. É por isso que é usado geralmente um transistor bipolar ou um FET para
o amplificador.
Com um amplificador e um circuito tanque LC, podemos realimentar um sinal com a
amplitude e a fase certas para manter as oscilações. A análise e o projeto de osciladores de
alta frequência é mais uma arte do que uma ciência. Em frequências mais altas, a capacitância
de dispersão e a indutância dos condutores no transistor e na fiação afetam a frequência de
oscilação, a fração de realimentação, a potência de saída, e outras quantidades ca. Por esta
razão, uma análise exata torna-se um pesadelo. Muitas pessoas utilizam uma aproximação
global para um projeto inicial e ajustam o oscilador montado o necessário para se obter o
desempenho desejado. Nesta seção, examinaremos o oscilador Colpitts, um dos osciladores
LC mais amplamente usados.
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LIGAÇÃO EC
Na próxima figura mostra um oscilador Colpitts. A polarização por divisor de tensão
estabelece um ponto de operação quiescente. O circuito então tem um ganho de tensão de
baixa frequência de rc/r' e onde rc é a resistência ca vista pelo coletor. Devido às redes de
atraso da base e do coletor, o ganho de tensão de alta frequência é menor que rc/r'e.
Na figura a seguir é um circuito ca equivalente simplificado. A corrente de amostra ou de
circulação no tanque flui através de C1 em série com C2. Observe que vsajda é igual à tensão
ca través de C1, e que a tensão de realimentação vf aparece através de C2. Esta tensão de
realimentação alimenta a base e mantém as oscilações que se desenvolvem através do circuito
tanque, desde que haja ganho de tensão suficiente na frequência de oscilação. Como o
emissor está ligado ao terra ca, o circuito constitui uma ligação EC.
Você vai encontrar muitas variações do oscilador Colpitts. Uma forma de reconhecê-lo é
através do divisor de tensão capacitivo formado por C1 e C2. Este divisor de tensão capacitivo
produz a tensão de realimentação necessária para as oscilações. Em outros tipos de
osciladores, a tensão de realimentação é produzida por transformadores, por divisores de
tensão indutivos, e assim por diante.
FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA
A maioria dos osciladores LC utilizam circuitos tanque com um Q maior que 10. Por isso,
podemos calcular a frequência de ressonância aproximada na forma
fr 
1
2 LC
Este resultado tem uma precisão melhor que 1 por cento quando Q é maior que 10.
A capacitância a ser usada na equação da pagina anterior é a capacitância equivalente
por onde passa a corrente de circulação. No tanque Colpitts da figura acima, a corrente de
circulação flui através de C1 em série com C2. Portanto a capacitância equivalente é
C 1C 2
C
C1  C 2
Por exemplo, se C1 e C2 foram de 100pF cada, você deverá usar 50pF na equação
acima.
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CONDIÇÃO INICIAL
A condição inicial exigida por osciladores qualquer é
AB  1
Na frequência de ressonância do circuito tanque. Isso é equivalente a
1
A
B
O ganho de tensão A nesta expressão é o ganho de tensão na frequência de oscilação.
Na figura anterior, a tensão de saída aparece através de C 1 e a tensão de realimentação
através de C2. Como a corrente de circulação é a mesma para os dois capacitores,
B
Ou
Portanto a condição inicial é
f
Vsa ída

XC 2
X C1
B
A

1 / 2fC 2
1 / 2fC 1
C1
C2
C2
C1
Lembre-se de que esta é uma aproximação grosseira porque ela ignora a impedância
que olha para a base. Uma análise exata levaria a impedância da base em conta porque ela
está em paralelo com C2.
Qual o valor de A? Isto depende das frequências de cortes superiores do amplificador.
Como você se lembra, há redes de atraso da base e do coletor num amplificador bipolar. Se as
frequências de corte destas redes de atraso forem maiores que a frequência de oscilação,
então A é aproximação igual a rc/r'e. Se as frequências de corte forem mais baixas que a
frequência de oscilação, o ganho de tensão é menor que rc/r' e e há um desvio de fase adicional
através do amplificador que pode evitar as oscilações.
TENSÃO DE SAÍDA
Com uma realimentação leve (B pequeno), o valor de A é apenas ligeiramente maior que
1/B, e a operação é aproximadamente classe A. Logo que você liga a alimentação, as
oscilações crescem, e o sinal oscila mais além ao longo da linha de carga ca. Com esta
oscilação aumentada do sinal, a operação varia de sinal pequeno para sinal grande. Enquanto
isto está acontecendo, o ganho de tensão diminui ligeiramente. Com a realimentação leve, o
valor de AB pode diminuir até 1 sem ceifamento excessivo.
Com realimentação pesada (B grande), o sinal de realimentação grande a base da figura
anterior à saturação e ao corte. Isto carrega o capacitor C3, produzindo o grampeador cc
negativo na base e mudando a operação da classe A para classe C. O grampeamento negativo
ajusta automaticamente o valor de AB em 1. Se a realimentação for pesada demais, você
poderia perder um pouco da tensão de saída devido às perdas de potência de dispersão.
Ao construir um oscilador, você pode ajustar a quantidade de realimentação necessária
para maximizar a tensão de saída. O truque está em usar realimentação suficiente para iniciar
sob todas as condições (transistores, temperatura, tensão etc. diferentes), mas nem tanto de
modo a perder mais saída do que o necessário.
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ACOPLANDO A UMA CARGA
A frequência exata de oscilação depende do Q do circuito e é dada por
fr 
 Q2 


2 LC  1  Q 2 
1
Geralmente, Q é maior que 10 e esta equação exata se simplifica no valor ideal dado
anteriormente. Se Q for menor que 10, a frequência é puxada mais para baixo que o valor
ideal.
Além disso, um baixo Q pode impedir o oscilador de começar por levar o ganho da alta
frequência abaixo de 1/B.
Na figura abaixo mostra uma forma de se acoplar à resistência de carga. Se a
resistência de carga for grande, então ela não carregará abaixando demais o circuito
ressonante, e o Q será maior que 10. Por outro lado, se a resistência de carga for pequena, o
Q abaixo de 10, e as oscilações podem não começar. Uma solução para uma resistência de
carga pequena é usar uma pequena capacitância C 4, cujo XC seja grande comparado com a
resistência de carga pequena é usar uma pequena capacitância c 4, cujo XC seja grande
comparado com a resistência de carga. Isto evita uma carga excessiva do circuito tanque.
A figura abaixo mostra um acoplamento indutivo, uma outra forma de acoplar o sinal a
uma pequena resistência de carga. O acoplamento indutivo significa usar somente algumas
espirar do enrolamento secundário do transformador de RF. Este acoplamento leve assegura
que a resistência de carga não abaixará o Q do circuito tanque até um ponto onde o oscilador
não poderá partir.
Quando é usado o acoplamento com capacitor ou indutivo, o efeito de carregamento
poderá ser mantido o menor possível. Desta forma, o alto Q do tanque assegura uma saída
senoidal não distorcida com uma partida confiável para as oscilações.
LIGAÇÃO BC
Quando o sinal de realimentação entre na base, aparece uma capacitância Miller através
da entrada. Isto produz uma frequência de corte relativamente baixa e desenvolve o ganho a
uma taxa de 20dB por década. Para se obter uma frequência de corte mais alta, o sinal de
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realimentação pode ser aplicado ao emissor, como mostra na figura da página anterior. O
capacitor C3 faz o terra ca da base, e assim o transistor se comporta como um amplificador BC.
Um circuito como este pode oscilar em frequências mais altas porque o seu ganho de alta
frequência é maior que o de um oscilador EC comparável. Com o acoplamento indutivo na
saída, o tanque está ligeiramente carregado e a frequência ressonante ainda é dada pela
equação da pagina 149.
A fração de realimentação é ligeiramente diferente. A tensão de saída aparece através
de C1 e de C2 em série, enquanto a tensão de realimentação aparece através de C2.
Idealmente, a fração de realimentação é
B
f
Vsa ida

XC 2
X C1  X C 2
Depois de expandir e simplificar, torna-se
B
C1
C1  C 2
Para que as oscilações comecem, A precisa ser maior que 1/B. Como uma aproximação,
isto significa que
C  C2
A 1
C1
Está é uma aproximação grosseira porque ela ignora a impedância de entrada do
emissor que está em paralelo com C2. Uma análise exata incluiria a impedância do emissor.
COLPITTSAFET
Na figura abaixo é um exemplo de um oscilador Colpitts a FET, no qual o sinal de
realimentação é aplicado à porta. Como a porta tem uma alta resistência de entrada, o efeito de
carregamento no circuito tanque é muito menor do que com um_ transistor bipolar. Em outras
palavras, a aproximação
C
B 1
C2
é mais precisa com um FET porque a impedância que olha para a porta é mais alta. A
condição inicial para este oscilador FET é
C
A 2
C1
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Num oscilador FET, o ganho de tensão em baixa frequência é gmrc- Acima da frequência
de corte do amplificador FET, o ganho de tensão não se inclina mais, Na equação anterior, A é
o ganho na frequência de oscilação. Como uma norrna, tente manter a frequência de oscilação
mais baixa que a frequência de corte do amplificador FET; caso contrário, o desvio de fase
adicional através do amplificador pode impedir o oscilador de partir. Uma forma de se obter
uma frequência de corte mais alta para o amplificador é usando um FET de porta-comum em
vez de um FET de fonte-comum.
EXEMPLO 3
Qual a frequência de oscilação na próxima figura? Qual a fração de realimentação? Qual
o ganho de tensão que o circuito precisa para começar a oscilar?
SOLUÇÃO
A capacitância equivalente do circuito tanque é
C
0,001F 0,01F   909 pF
0,001F  0,01F
A indutância é 15μH; portanto, a frequência de oscilação é
1
 1,36MHz
fr 
2 15H 909 pF 
A fração de realimentação é
0,001F
 0,1
0,01F
Para o oscilador partir, o ganho de tensão precisa ser maior que 10 em 1,36MHz. Se
possível, a frequência de corte deve ser maior que 1,36MHz para evitar o desvio de fase
adicional ap longo do circuito. Em outras palavras, o circuito já tem um desvio de fase do
circuito de 0° abaixo da frequência de corte. Se o amplificador começa a manter-se constante,
o desvio de fase excedente pode evitar oscilações bem acima de corte.
B
OUTROS OSCILADORES LC
O oscilador Colpitts é o oscilador LC mais amplamente usado. O divisor de tensão
capacitivo no circuito ressonante é uma forma conveniente de desenvolver a tensão de
realimentação. Mas há outros tipos de osciladores que também são usados. Nesta seção,
discutiremos os osciladores de Armstrong, de Hartley, de Clapp, e a cristal.
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OSCILADOR ARMSTRONG
A figura a seguir é um exemplo de um oscilador Armstrong. Neste circuito, o coletor
alimenta um tanque LC ressonante. O sinal de realimentação é tomado de um pequeno
enrolamento secundário e realimenta a base. Há um desvio de fase de 180° no transformador,
o que significa que o desvio de fase ao longo do circuito é zero. Colocando de outra forma, a
realimentação é positiva. Ignorando o efeito de carga da base, a fração de realimentação é
M
B
L
onde M é o. indutância mútua e Z, é a indutância do primário. Para que o oscilador de
Armstrong dê a partida, o ganho de tensão precisa ser maior que 1/B.
Um oscilador de Armstrong utiliza um acoplamento por transformador para obter o sinal
de realimentação. É dessa forma que você reconhece variações neste circuito básico. O
enrolamento do secundário é às vezes chamado bobina de realimentação porque realimenta o
sinal que mantém as oscilações. A frequência de ressonância é dada pela Eq. (20-5), usando o
L e o C dados na Fig. 20-17a. Via de regra, você não vê o oscilador Armstrong ser muito usado
porque a maioria dos projetistas evitam os transformadores sempre que possível.
HARTLEY
A figura a seguir é um exemplo de um oscilador Hartley. Quando o tanque LC está em
ressonância, a corrente de circulação flui através de L1 em séria com Z2.
L  L1  L2
Num oscilador Hartley, a tensão de realimentação é desenvolvida pelo divisor de tensão
indutivo, L1 e L2. Como a tensão de saída aparece através de L 1 e a tensão de realimentação
através de L2, a fração de realimentação é
B
f
X
 L2
 sa ída X L1
B
L2
L1
Como de costume, isto ignora os efeitos de carregamento da base. Para que as
oscilações comecem, o ganho de tensão precisa ser maior que 1/B.
Frequentemente um oscilador Hartley utiliza um indutor com uma derivação simples em
vez de dois indutores separados. O funcionamento é basicamente o mesmo em qualquer dos
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dois jeitos. Uma outra variações manda o sinal de realimentação para o emissor em vez da
base. Você pode ver também um FET usado no lugar de um transistor bipolar. O sinal de saída
pode ser acoplado capacitivamente ou indutivamente.
OSCILADOR CLAPP
O oscilador Clapp da figura anterior é uma sofisticação do oscilador Colpitts. O divisor de
tensão capcitivo produz o sinal de realimentação como antes. Um capacitor adicional C 3 está
em série com o indutor. Como a corrente de circulação do tanque flui através de C 1, C2 e C3 em
série, a capacitância equivalente usada para calcular a frequência de ressonância é
C
1
1 / C1  1 / C 2  1 / C 3
Num oscilador Clapp, C3 é muito menor que C1 e C2. Como consequência, C é
aproximadamente igual a C3, e a frequência de ressonância é dada por
1
fr 
2 LC 3
Por que isto é importante? Porque C1 e C2 estão derivados pelas capacitâncias do
transistor e de dispersão. Estas capacitâncias extras alteram ligeiramente os valores de C 1 e de
C2. Num oscilador Colpitts, a frequência ressonante depende até certo ponto das capacitâncias
do transistor e de dispersão. Mas no oscilador Clapp, as capacitâncias do transistor e de
dispersão não têm nenhum efeito sobre C3, o que significa que a frequência de oscilação é
mais estável e mais precisa. É por isso que você ocasionalmente vê o oscilador Clapp ser
usado no lugar de um oscilador Colpitts.
OSCILADOR A CRISTAL
Quando for importante a precisão e a estabilidade da frequência de oscilação, deve-se
usar um oscilador de cristal. Na figura passada, o sinal da realimentação provém do terminal
capacitivo.
De acordo com o que será discutido na próxima seção, o cristal (abreviado por XTAL) se
comporta como um indutor grande em série com um pequeno capacitor (semelhante ao Clapp).
Por isso, a frequência de ressonância praticamente não é afetada praticamente não é afetada
pelas capacitâncias do transistor e de dispersão.
EXEMPLO 4
Se colocarmos 50pF em série com o indutor de 15μF da figura da página 155, o circuito
torna-se um oscilador Clapp. Qual a frequência de oscilação?
SOLUÇÃO
O capacitor C3 adicionado tem somente 50pF, portanto
C
1
 50 pF
1 / 0,001F  1 / 0,01F  1 / 50 pF
A frequência de oscilação aproximada é
1
fr 
 5,81MHz
2 15H 50 pF 
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3.10 - TIRISTOR
O tiristor trabalha de maneia semelhante ao díodo, ou seja, permite a passagem corrente
em um único sentido, mas o inicio de sua condução é regulado por um eletrodo especial, que
recebe o nome de porta.
O tiristor é um componente semicondutor projetado para realizar a função de interruptor
ou retificador controlado. Ele trabalha de forma muito semelhante a um díodo, ou seja, permite
a passagem da corrente em um único sentido. No entanto, diferencia-se do diodo pelo fato de
seu estado de condução ser regulado por um eletrodo especial conhecida por porta.
O tiristor é formado por uma estrutura de quatro regiões semicondutores P-N-P-N; a
primeira forma o ânodo, e a ultima o cátodo; a região que fica junto ao cátodo é a porta (gaté).
Sua função consiste na saturação, ou colocação em condução, do dispositivo.
Essa estrutura pode ser dividida em duas partes. Como cada uma delas forma um
transistor, temos então um transistor P-N-P, que é constituído pelo ânodo e pelas duas regiões
contíguas, e um outro transistor do tipo N-P-N, que é constituído pelo cátodo e pelas duas
regiões acima dele. Esses transistores são unidos eletricamente nas seguintes regiões:
A base do P-N-P com o coletor do N-P-N;
O coletor do P-N-P com base do N-P-N e o eletrodo porta.
O circuito assim obtido forma uma estrutura fortemente realimentada: qualquer sinal de
corrente aplicado à porta é amplificado e sai pelo coletor do transistor N-P-N, onde é então
aplicado diretamente à base do P-N-P e é amplificada novamente em seu coletor. Este coletor
coincide com o terminal porta, fechando o ciclo de realimentação positiva. O crescimento muito
rápido da corrente faz com que o componente entre em saturação. Nessas condições, temos,
entre o emissor do transistor P-N-P, que coincide com o ânodo, e o emissor do transistor N-PN, que forma o cátodo do elemento em questão, uma impedância muito pequena, o que
permite a circulação de uma corrente intensa.
Dessa forma, a entrada em condução do tiristor depende do sinal aplicado na porta
perde o controle sobre a corrente que se forma entre o ânodo e o cátodo (contrariamente ao
que acontece num transistor bipolar) porque a própria realimentação interna mantém a
condução.
O tiristor sai de condução apenas quando o ânodo torna-se negativo em relação ao
cátodo. Pode-se, portanto, suprimir o sinal de porta sem influir de modo algum sobre a
condução. Além da forma precedente de condução, existem outras que vale a pena conhecer.
Elas podem ser úteis para certas aplicações do componente. São as seguintes:
Tensão: quando aumenta a tensão coletor-emissor de um transistor, pode-se provocar
sua ruptura por avalanche. Verifica-se, nessa momento, uma situação bastante semelhante
àquela que foi descrita para a alimentação interna, pois o tiristor entra em condução. Mas
nesse caso, o transistor é destruído porque a junção se funde.
Variação rápida de tensão: se a tensão anodo-catodo varia muito rapidamente, produzse uma transmissão dessa variação ao interior do componente. Devido a um efeito capacitivo, é
induzido, na região de porta, um sinal de amplitude suficiente para dar inicio ao processo
regenerativo da condução.
Temperatura: a função da temperatura sobre um transistor é de aumentar a corrente que
deriva do coletor. No momento em que se obtém a corrente suficiente para dar inicio à
regeneração, o tiristor entra em condução.
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Condução através de um sinal de porta: esta é a forma de saturação mais comum. Seu
mecanismo já foi comentado.
Luz: no caso dos fototiristores produz-se a condução em presença de luz incidente, da
mesma maneira que ocorre com os fotodiodos.
Observa-se que, apesar de os tiristorcs apresentarem determinadas semelhantes com ò
transistor bipolar, eles diferenciam-se deste no que se relacione ao controle da corrente
circulante no seu interior. Enquanto no transistor bipolar essa corrente é controlada pela ação
da base, no tiristor não existe controle algum cobre a corrente depois do inicio da condução.
Para que se possa retornar ao controle de qualquer dos mecanismos de condução
descritos, deve-se, consequentemente, definir um procedimento consiste na aplicação de uma
tensão inversa entre o ânodo e o positivo no cátodo. Desse modo, o tiristor é cortado
rapidamente num período de tempo denominado "tempo de corte" (em inglês turn-of-tíme).
Uma vez que o dispositovo entre o corte, a tensão inversa poderá ser retirada imediatamente
depois, e o componente conservará deste modo o estado adquirido.
A forma de trabalho do tiristor é definida pelas curvas características, nas quais a
corrente é representada no eixo vertical e a tensão anodo-catodo no eixo horizontal. Costumase desenhar diversas curvas para os diversos valores de tensão de condução de porta. Essas
curvas apresentam três regiões.
A primeira, situada à esquerda, com a tensão invertida entre o ânodo e o cátodo,
apresenta o ponto de máxima tensão quando o dispositivo entra em avalanche inversa. Essa
primeira região estende-se em direção à direita, com os diversos pontos de condução de porta,
chegar a um ponto de condução para tensões diretas.
A segunda região é a da condução propriamente dita, em que se observar um fenómeno
muito curioso de resistência negativa, dado que uma diminuição de tensão produz uni aumento
da corrente.
A terceira região é a de corrente de manutenção com baixa tensão anodo-catodo. Essa
região é limitada somente pela dissipação máxima de potência do tiristor.
Para a fabricação dos tiristores empregam-se tecnologias semelhantes à adotados para
os transistores. Cada elemento parte de uma bases, por um sistema de liga-difusão, difusão ou
difusão planar, formam-se as quatro camadas P-N-P-N necessárias.
O invólucro é um fator muito importante e depende do tipo de meprego do tiristor. Os de
baixa corrente são colocados em invólucros de plástico, como os dos transistores. Para
correntes muito altas, utilizam-se carcaças de pressão (presspack).
As aplicações dos tiristores estendem-se da retifïcação de correntes alternadas – em
substituição aos diodos convencionais - ate a realização de determinadas comutações de baixa
potência nos circuitos eletrônicos, passando pêlos conversores, que transformam a corrente
alternada.
A principal vantagem que os teristores apresentam em relação aos díodos, quando
usados como retificadores, é que sua entrada em condução é controlada pelo sinal de porta.
Desse modo, é possível variar a tensão continua de saída quando se faz variar o momento da
condução, uma vez que se obtêm ângulos diferentes na fase de condução do ciclo da tensão
ou da corrente alternada de entrada. Por outro lado, tiristor é bloqueado automaticamente
quando a corrente alternada passa de positiva para negativa, dado que nesse momento
começa a receber tensão inversa. Esse sistema é conhecida com o nome de controle de fase.
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Esta fases são as características dos vários tipos de tiristor:
IT(RMS): máxima corrente alternada eficaz conduzivel
IT(AV): máxima corrente contínua em condução
VTM: tensão direta máxima em condução de 180°
VRRM: a tensão inversa máxima repetitiva aplicável sem produzir produção.
IGT: a corrente mínima de porta para a condução
IGD: corrente máxima de porta aplicável sem produzir a condução
VGT: tensão de porta necessária para produzir a condução
VGTmaz: tensão de porta necessária para a condução
VGTmin: tensão mínima de porta necessária para a garantir a corrente de condução
3.11-O TRIAC
Hoje iremos falaremos sobre o triac (abreviação do inglês Triode AC: o triodo para a
corrente alternada). A sua estrutura interna é constituída por dois sistemas interruptores
complementares, cada um deles semelhante a um tiristor ou diodo controlado.
O triac é um componente semicondutor. Ele nasceu da necessidade de se dispor de um
interruptor controlado que apresentasse características funcionais semelhantes às do tiristor ou
do diodo controlado, mas que permitisse o controle do ciclo completo da corrente alternada. A
palavra "triac" é uma abreviação da denominação inglesa tríde AC, que significa triodo para
corrente alternada. Como o próprio nome indica, o componente dispõe de três eletrodos.
Sua estrutura compõe-se de dois sistemas interruptores, um P-N-P-N e outro N-P-N-P,
ligados em paralelo, cada um é semelhante a um tiristor (ou diodo controlado). De certo modo,
assemelha-se à disposição que se obteria ligando-se dois tiristores complementares (ou
paralelos com polaridade invertida).
No desenho que mostra sua estrutura podemos observar os dois eletrodos principais - T1
e T2 - que, nesse caso, não são denominados ânodo e cátodo porque trabalham com dupla
polaridade na tensão alternada. Debaixo do terminal T 2 (e ligadas a ele) encontram-se duas
regiões, uma P e outra N. Descendo para o terminal T 1 aparecem uma região N, uma P e
finalmente, uma ligada eletricamente à ultima P, através da ligação de T 1.
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À esquerda, existe uma outra região N relativa ao contato (gate) de comando do
dispositivo. O terminal T1 serve de referencia para medida das tensões e correntes dos
terminais T2 e da porta.
As curvas características se parecem com as do tiristor, quando este trabalho com
polarização direta, estendendo-se também até a região em que, ou a corrente ou a tensão são
negativas, com forma semelhante, ainda que oposta, às primeiras.
Nas curvas, observa-se a máxima tensão suportável pelo componente, sem passar
suportável pelo componente, sem passar a conduzir, de modo que a máxima tensão alternada
de pico a pico fica automaticamente delimitada e pode ser controlada.
O disparo do triac ocorre quando se aplica uma corrente ao eletrodo chamado porta.
Existe um amplo leque de opções desejado. De fato, este pode ser obtido aplicando-se uma
corrente contínua, uma corrente pulsante vinda de um retifïcador, uma alternada direta ou de
"trem" de impulsos gerados por um dispositivo qualquer de controle.
Sempre tornando como referência o terminal T 1, os diversos métodos de disparo para o
funcionamento podem ser resumidos da seguinte forma:
Terminal T2 positivo: tensão de disparo na porta positiva, provocando a entrada de uma
corrente através deste terminal, cujo sentido é considerado positivo.
Terminal T2 positivo: tensão de disparo na porta negativa, corrente na porta negativa.
Terminal T2 negativo: tensão de disparo na porta positiva, corrente na porta positiva.
Terminal T2 negativo: tensão disparado na porta negativa, corrente na porta negativa.
Embora, essas quatro possibilidades sejam teoricamente admissíveis, obtém-se a
melhor possibilidade do triac com os tipos a e d. Do tipo b, a sensibilidade é decidamento
menor, e no tipo c, ainda mais reduzida. Aliás, este último não deve ser utilizado; se, por
alguma razão, ele estiver previsto em determinado projeto, será necessário um triac concebido
especialmente para esse fim,. para que sejam evitados graves inconvenientes.
A diferença mais importante entre o funcionamento de um triac e o de dois tiristores é
que, neste último caso, cada tiristor só conduzirá pelo período de meio ciclo se for
adequadamente disparado, bloqueando-se quando a corrente muda de polaridade e resultando
na condução completa da corrente alternada. O triac, porém, bloqueia-se durante o breve
instante em que a corrente passa pelo valor zero, até que alcance o valor mínimo de tensão
entre T1 e T2, voltando a conduzir desde que a excitação da porta seja adequada, isso implica a
perda de um pequeno ângulo de condução, mas não acarreta problemas se as cargas em fase
com a tensão.
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No caso de cargas reativas, é preciso levar em conta, no esquema do circuito, que, no
momento em que a corrente passa pelo zero, não coincide com a mesma situação da tensão
aplicada. Isso acontece porque nesses momentos ocorrem impulsos de tensão entre dois
terminais do componente.
A versatilidade do triac e a simplicidade do seu emprego fazem dele o componente ideal
para uma grande variedade de aplicações, relacionadas principalmente com o controle das
correntes alternadas. Uma delas é a sua utilização como interruptor estático, que oferece
murtas vantagens em relação aos interruptores mecânicos, que necessitam sempre do
movimento de um contato. Já o triac dispara sempre a cada meio ciclo, quando a corrente
passa pelo zero, e isso evita os arcos e as sobretensões derivadas da comutação de cargas
induzidas que armazenam uma determinada energia durante o seu funcionamento.
Existem muitas possibilidades de se realizar, na pratica, o disparo de um triac. Pode-se,
então, escolher o mais adequado para aplicação concreta que vai efetuar. É possível resumi-lo
em duas variantes fundamentais:
Disparo com correntes continua
Disparo com corrente alternada.
No primeiro caso, a tensão provém de uma fonte de tensão contínua aplicada ao triac
por meio de um resistor limitador da corrente aberta. É absolutamente necessário dispor de um
elemento interruptor em série com a corrente de disparo, com função de controle; ele pode ser
um simples interruptor mecânico ou um transistor que trabalhe em comutação. Esse sistema de
disparo é normalmente empregado nos circuitos eletrônicos alimentados por tensões continuas.
A função dessas tensões é controlar uma corrente, a partir de um determinado sinal de
excitação, em geral originado em um tipo qualquer de transdutor.
O disparo por meio de corrente alternada pode ser executado com o emprego de um
transformador que forneça a tensão para o disparo. Outra possibilidade é partir diretamente da
própria tensão da rede, com um adequado resistor limitador da corrente da corrente da porta
com qualquer elemento interruptor que transmita a excitação à porta no momento certo.
Um componente muito usado para produzir o disparo do triac é o chamado "diac"
(abreviação da forma inglesa díodo AC). Esse dispositivo tem uma estrutura interna semelhante
à do triac., só que sem o eletrodo da porta. Assim o único mecanismo aplicável para entrada
em condução é a tensão entre os seus terminais. Depois de ter superado o ponto de disparo,
essa tensão cai em um valor baixo de manutenção. Geralmente, é empregado nos circuitos
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que executam um controle de fase da corrente do triac, de tal modo que se aplique a tensão à
carga só mente por uma fração do ciclo da corrente alternada.
Esses sistema são usados no controle da iluminação com intensidade variável, no
aquecimento elétrico com regulagem de temperatura e em alguns controles de velocidade de
motores. O modo mais simples de se executar tais controles consiste no emprego do circuito
representado na figura abaixo. Nele, o resistor variável RD carrega o capacitor CD até atingir a
tensão de disparo do diac D, E, através do diac D, produz-se então a descarga de CD, cuja
corrente chega à porta do triac e o coloca em condução.
Esse mecanismo é produzido uma vez no semiciclo positivo e outra no negativo. O
momento do disparo poderá ser regulado como o valor de rd e, por consequência, varia o
tempo de condução do triac, bem como o valor da tensão média aplicada à carga. Dessa
maneira, obtém-se um controle de potência simples, mas eficaz, região esquerda do esquema
e da placa. Deve-se procurar, sem rigidez excessiva, dispor de componentes de modo
semelhante ao que está indicado pelo esquema elétrico. Com esta precaução, o trabalho de
montagem, a revisão e eventuais reparações serão simplificados.
Normalmente, começa-se montando o transistor ou circuito integrado que ocupa a
primeira posição à esquerda, soldando-se seus terminais aos nós correspondentes. Procura-se
também ligar as sobras de ílos terminais aos terminais aos nós contíguos. Dessa maneira,
obtém-se alguns pontos nos quais podem ser soldados outros componentes, sem o perigo de
aquecer novamente as soldados as soldas do transistor ou de danificá-lo por
superaquecimento.
Em seguida, montam-se os componentes que se ligam ao transistor, soldando-os na
placa. Emprega-se fio nu ou os próprios terminais para realizar as ligações com os outros
componentes ou com a linha de alimentação, tornando sempre referência os pontos de ligação
indicados no esquema. Proceda-se dessa maneira até completar o circuito. Durante a
montagem é preciso tomar algumas precauções:
Se for montar algum circuito integrado, convém, na maioria dos casos, utilizar um
soquete. Desse modo, o circuito propriamente dito pode ser montado no último momento,
ficando protegido de qualquer dano eventual. Quando não existe nenhum sinal de referência no
soquete, assinala-se o ponto em que o terminal n° 1 deverá ser inserido.
É possível que o soquete não possa ser inserido por não haver entre os furos da placa a
distância necessária. Num caso como esse, podem ser feitos furos adicionais com uma
furadeira elétrica equipada com broca de 1,25 mm.
As ligações feitas com um fio nu não devem-se cruzar, pois existe o risco de provocar
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curtos-circuitos. Eventuais cruzamentos, no entanto, podem ser feitos com a adaptação de um
tubo isolante (''espaguete") ao fio de conexão, ou então passando um dos fios no lado da
montagem dos componentes.
3.12 - FOTOTRANSISTOR
Num foto transistor, a luz é empregada para controlar a corrente de coletor. Para esta
finalidade, mantém-se a cápsula de vidro, que contém o transistor, transparente. Transistores
comuns têm normalmente, sua cápsula pintada de preto a fim de evitar a influencia da luz.
Costuma-se operar os foto transistores com base desconectada de modo que incidindo
luz sobre a base, aumenta a corrente de saturação icbo, que aparece no coletor multiplicada
por (β + 1Ψ. A junção coletor-base atua, então, simplesmente como um foto diodo e a junção
emissor-base atua, como amplificadora. Suas curvas características são análogas às de um
fotodiodo.
Um foto transistor tem, em alguns casos, uma sensibilidade 10.000 vezes maior que a
das fotocélulas. Tanto o fotodiodo como o fototransistor são, infelizmente, bastante sensíveis às
variações de temperatura; sendo este um dos pontos negativos quando comparados às
células.
Do conceito de tempo de vida média dos portadores vemos que um semi condutor
responde a um degrau de excitação luminosa segunda um função do tipo 1  e t /  , o que limita


sua resposta em frequência.
Em regime continuo de iluminação, a foto corrente apresenta uma componente contínua
e uma alternda, que correspondem respectivamente ao valor médio do fluso luminoso incidente
e às flutuações desse mesmo valor. Entretanto, se modularmos o sinal luminoso com uma
frequência (áudio por exemplo) e gradualmente a elevarmos, haverá um ponto (frequência de
corte) em que a sensibilidade cairá abaixo de 3 dB com relação à resposta para flutuações em
baixas frequências. Os elementos condutivos apresentam uma frequência de corte
relativamente baixa comparada com a dos foto emissivos a vácuo. Por exemplo: um LDR
responde até alguns ciclos por segundo, com boa sensibilidade, pois representa um coeficiente
de recuperação de 200 K /s a um degrau de iluminação; o fotodiodo e o fototransistor têm,
como frequência de corte, 50 K/s e 3 Kc/s e as de vácuo até 100 Kc/s.
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CAPITULO 4
CIRCUITO INTEGRADO
4.1 - O CIRCUITO INTEGRADO 555
O 555 é um circuito integrado composto de um Flip-Flop do tipo RS, dois comparadores
simples e um transistor de descarga. Projetado para aplicações gerais de temporização, este
integrado é de fácil aquisição no mercado especializado de Eletrônica.
Ele é tão versátil e possui tantas aplicações que se tornou um padrão industrial, podendo
trabalhar em dois modos de operação: monoestável (possui um estado estável) e estável (não
possui estado estável). Sua tensão de alimentação situa-se entre 5 e 18v, o que o torna
compatível com a família TTL de circuitos integrados e ideal para aplicações em circuitos
alimentados por baterias. A saída deste C.I. pode fornecer ou drenar correntes de até 200mA
ou 0,2A, podendo assim comandar diretamente relês, lâmpadas e outros tipos de carga
relativamente grandes.
Nas figuras abaixo são mostrados os pinos e o diagrama simplificado.
Geralmente o pino 5, entrada de controle, não é conectado, deixando assim a tensão de
controle fixa em 2/3Vcc (de acordo com a fórmula de divisor de tensão: Vcontrole =
(R+R)*Vcc/R+R+R = 2R*Vcc/3R = 2/3Vcc). Toda vez que a tensão de limiar (Sensor de nível,
pino 6) exceder a tensão de controle (2/3Vcc), a saída do comparador l vai para nível alto,
selando o flip-flop RS e saturando o transistor de descarga, devido ao nível alto na saída Q do
flip-flop.
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Lembre-se !
Comparador simples:
Se: V1 V2
V0 = Vcc; V1< V2
V0 = Gnd; V1= V2
Vo = 0V.
Flip-flop RS:
Entradas
S (Set)
Nível baixo
Nível alto
Nível baixo
Nível alto
R (Reset)
Nível alto
Nível baixo
Nível baixo
Nível alto
Saídas
Q
/Q (Complementar)
Nível baixo
Nível alto
Nível alto
Nível baixo
Não mudam de estado
Condição não aceita pelo circuito
O disparador (trigger) está conectado à entrada inversora do comparador 2 (pino 2). A
entrada não-inversora tem uma tensão fixa de 1/3Vcc (Vn-inv = R*Vcc/R+R+R - RVcc/3R =
Vcc/3).Toda vez que a tensão do disparador for menor que 1/3 Vcc. a saída do comparador vai
a nível alto, resetando o ílip-flop ,cortando o transistor de descarga e deixando a saída /Q (pino
3) em nível alto.
O reset (pino 4) habilita o 555 com nível alto e o desabilita com nível baixo. Geralmente
na maioria das aplicações, este pino é ligado à Vcc.
OPERAÇÃO MONOESTÁVEL (TEMPORIZADOR)
As figuras abaixo mostram as configurações do 555 em operação monoestável.
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Inicialmente, a tensão de disparo é +Vcc. Como o disparador (trigger) está ligado à
entrada inversora do comparador 2, um tensão de +Vcc nesta entrada faz com que se tenha
nível baixo na saída deste comparador (já que a tensão na entrada inversora, +Vcc, é maior
que a tensão na entrada não-inversora, +1/3Vcc). Isto faz com que o flip-flop RS fique no seu
estado normal (com nível alto na saída Q e nível baixo na saída /Q), saturando o transistor de
descarga e deixando Ct descarregado.
Quando a tensão de disparo vai a nível baixo com um pulso invertido, a tensão na
entrada não-inversora (+1/3Vcc) é maior que a tensão na entrada inversora (0V), no
comparador 2. Isto faz com que a sua saída vá a nível alto, resetando o flip-flop (nível baixo na
saída Q e nível alto na saída /Q) e consequentemente cortando o transistor de descarga. Assim
Ct se carrega por Rt.
A tensão em Ct (tensão de limiar) aumenta até que exceda a tensão de controle
(+2/3Vcc). Quando isto ocorre, a saída do comparador 1 vai a nível alto, setando o flip-flop,
saturando o transistor de descarga e, por consequência, descarregando Ct.
Quanto maior a constante de tempo RC, mais tempo leva para a tensão em Ct chegar a
+2/3Vcc (tensão de controle). Isto determina a largura do pulso ou a temporização na saída,
que é dada por:
T  1,1* Rt * Ct
Onde T é dado em segundos, Rt em ohms e Ct em farads.
A tensão de controle, geralmente de 2/3Vcc, pode ser desacoplada através de um outro
capacitor ligado ao pino 5 e à terra (tipicamente de 0,01μFΨ, para melhorar a imunidade a ruído.
Esta tensão também pode ser alterada, através do pino 5, a fím de obter outras tensões
diferentes de 2Vcc/3.
Alterando os valores de Ct e Rt, o período da temporização pode ser controlado entre
cerca de 5ms até aproximadamente l hora. Porém, em uma temporização acima de 5 mim. A
confíabilidade fica comprometida, devido aos altos valores de Rt e Ct necessários para esta
temporização.
O valor mínimo de Rt é limitado pelo transistor de descarga (geralmente 1kμ é o mínimo
permitido).
Com relação ao valor máximo de Rt, geralmente os fabricantes recomendam um máximo
de 20 M , mas acima de 1 M a precisão fica comprometida. Por tanto, em aplicações gerais,
o valor de Rt deve ficar entre 1 k e 1 M .
Não há limites para o valor de Ct, a não ser o seu custo. Apenas note que, dependendo
do valor da capucitância do capacitor clelrolítico e de sua qualidade, ele pode apresentar
correntes de fuga que podem distorcer os períodos calculados das temporizações. Note
também que para valores muito altos de capacitância, o transistor de descarga levará mais
tempo para descarregar Ct. A sua tensão de isolação deve ser maior ou igual a Vcc (quanto
mais próximo de Vcc, melhor), já que uma tensão de isolação menor que Vcc causará uma
diminuição na vida útil do capacitor.
OPERAÇÃO ASTÁVEL (OSCILADOR)
As figuras abaixo mostram as configurações do 555 em operação astável.
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Neste tipo de operação, são colocados os resistores Rt1 e Rt2 em série no lugar do Rt
na operação monoestável.
Como ponto de partida, vamos supor que inicialmente o flip-flop está reseíado (Q em
nível baixo e /Q em nível alto). Assim sendo, o transistor está cortado e Ct está se carregando
através da resistência (Rt1 + Rt2). Ct se carrega até que excede a tensão de controle (2/3Vcc),
fazendo com que a tensão na entrada não-inversora (pino 6) do comparador l seja maior que a
tensão na sua entrada inversora, isso faz com que sua saída vá a nível alto, setando o flip-flop.
Com nível alto em Q, o transistor de descarga entra em saturação fazendo com que Ct se
descarregue por Rt2. A tensão em Ct diminui até que fique menor que a tensão da entrada não
inversora do comparador 2 (1/3Vcc). A saída do comparador 2 vai a nível alto, resetando o flipflop e voltando ao ponto de partida. Esta operação astável se repete indefinidamente.
A tensão em Ct varia entre 1/3Vcc e 2/3Vcc, embora possa ser alterada, externamente,
atuando-se sobre a tensão de controle (pino 5).
A duração do período alto ou tempo de carga é dada por:
T1  0,7 * ( Rt1  Rt 2) * Ct
E a duração do período baixo ou tempo de descarga é dada por:
T1  0,7 * Rt 2 * Ct
O período total (T) é:
T  T1  T 2  0,7 * ( Rt1  2Rt 2) * Ct
E a frequência (f) é:
f  1 / T  1,45 * ( Rt1  2Rt 2) * Ct
Se Rt2 for muito maior que Rtl (Rt2= 100 k e Rt1 = 1 k, por exemploΨ, os períodos
altos e baixos serão quase iguais. O valor de Rt1 será desprezível em relação ao valor de Rt2,
assim a frequência será de:
f  0,73 / Rt * Ct
Caso tenha a necessidade um oscilador com durações iguais dos níveis altos e baixos, o
circuito deve ser configurado como mostram as figuras abaixo.
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O pino 7 (descarga) não é conectado e é colocado um resistor Rt no lugar dos dois
resistores Rt1 e Rt2, com o pino 3 (saída) conectado à este resistor Rt.
Supondo que inicialmente o flip-flop esteja selado, não existe diferença de potencial em
Rt e Ct. Com Ct descarregado, a tensão no disparador (pino 2) é de 0V. Assim, a saída do
comparador 2 vai à nível alto, resetando o flip-flop e deixando a saída /Q em nível alto. Neste
momento Ct se carrega por Rt, fazendo a tensão de limiar (pino 6) elevar-se, até que atinge a
tensão de controle (+2/3Vcc). Quando isso ocorre, a saída do comparador 1 vai a nível alto,
setando o flip-flop e fazendo com que a saída /Q vá a nível baixo. Então, Ct se descarrega por
Rt, voltando para o estado inicial. Os períodos de nível alto e baixo são iguais porque Ct se
carrega por Rt e se descarrega pelo mesmo Rt.
O período de carga e de descarga é dado por:
Tc arg a  Tdesc arg a  0,7 * Ct * Rt
Assim, o período total é de:
Ttotal  2 * Tc arg a  1,4 * Ct * Rt
O CIRCUITO INTEGRADO 556
O 556 consiste em dois temporizadores 555 inseridos em um único integrado de 14
pinos. A pinagem do 556 é dada pela figura abaixo:
O funcionamento do 556 é idêntico ao 555. Porém, o 556 só pode fornecer ou drenar
150mA, em comparação ao 200m A do 555.
ALGUMAS APLICAÇÕES ÚTEIS
Além das funções de oscilador e temporizador vistas acima, aqui vão alguns circuitos
que poderão ser de muita ajuda em montagens de projetos mais complexos.
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Gerador de bips
Este circuito consiste em dois 555 em operação astável, sendo que a saída de um (que
possui uma frequência relativamente baixa) está conectada ao reset do outro (que possui uma
frequência relativamente alta). As figuras acima mostram os diagramas elétricos do circuito
utilizando dois 555 e um 556. Abaixo temos o diagrama em bloco simplificado do circuito.
Este circuito, pela sua simplicidade, dispensa maiores explicações. Ele é ativado com
nível alto (Vcc) no pino de reset do oscilador 1. Observe que foram colocados capacitores de
10uF entre os pinos da tensão de controle e o terra. Isto aumenta a imunidade a ruídos que
podem alterar esta tensão de controle para valores diferentes de 2Vcc/3.
Note também que foram colocados um capacitor de 10uF e um resistor de 150 em
série com o alto-falante de 16 . A função do capacitor em série é de acoplamento, ou seja,
bloquear a componente contínua do sinal, deixando passar apenas o sinal alternado. E a
função do resistor é a de limitar a corrente no alto-falante, já que a sua impedância é muito
baixa.
Estejam à vontade para alterar os valores dos resistores e capacitores dos osciladores
(nos circuitos acima foram usados resistores de 10 K e capacitor de 10uF, no oscilador 1, e
resistores de 1 k e capacitor de 1uF, no oscilador 2), apenas certifique-se de que a frequência
do oscilador 2 esteja na faixa de frequência audível do ouvido humano (de 200Hz a 20kHz).
Também podem ser colocados potenciômetros ao invés de resistores, caso queira variar as
durações dos bips ou a sua frequência.
Para obter uma tensão de Vcc de +12v, recomendamos o integrado 7812. Este regulador
de tensão fornece uma tensão constante de +12 v na saída, com uma tensão contínua de
entrada que pode variar de +13,7 a +35v. Caso queira tornar este circuito compatível com nível
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TTL (Vcc= +5v), utilize o regulador 7805 que fornece urna tensão de +5v. Apenas atente para o
valor do resistor em série com o alto-falante, que deverá ser menor, já que a tensão diminuiu
para 5v.
VCO (OSCILADOR CONTROLADO POR TENSÃO)
VCO é um circuito que produz um sinal de saída oscilante (geralmente uma onda
quadrada ou triangular) cuja frequência é ajustada dentro de uma faixa, controlada pelo nível
de urna tensão de entrada. Este tipo de circuito é usado para, entre outras coisas, modulação
de sinais.
O circuito acima é apenas um oscilador cuja tensão de controle não é mas constante
(2Vcc/3), e sim uma tensão de entrada que é uma fração qualquer de Vcc. Variando o
potenciômetro, a tensão de controle irá variar e consequentemente a frequência do sinal de
saída também.
Na prática, não é muito confiável usar o 555 ou 556 para esta aplicação. O 566 é um
circuito integrado voltado essencialmente para esta função. Ele gera ondas quadradas e
triangulares cuja frequência varia linearmente com o nível da tensão de entrada (de acordo
com o resistor e capacitor externos empregados). Mas isto não tira o valor didático deste
circuito.
MONITORADOR DE FREQUÊNCIA
Este circuito dispara o oscilador na ausência de uma frequência de entrada que se
queira monitorar. Com sinal na entrada, o transistor satura e o capacitor de InF é
constantemente descarregado. Isto garante uma tensão baixa no disparador (pino 2), que faz
com que tenha nível alto na saída do comparador 2, resetando o flip-flop. O resultado disto é
que o 555 fica impossibilitado de operar como oscilador, mantendo nível alto na saída /Q (pino
3).
Na ausência da frequência monitorada, o transistor fica cortado. Isto habilita o capacitor
a se carregar e descarregar normalmente na operação astável. Assim, haverá um sinal
oscilante na saída. Este circuito pode ser utilizado como watchdog para circuitos com
microcontroladores que não possuam este circuito internamente, como 8051. O watchdog é um
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circuito que tem a função de não deixar o μC travar, resetando-o caso pare de responder ao
watchdog.
Operando normalmente, o μC geraria pulsos periódicos para a entrada do watchdog (por
meio de instruções que ponha nível alto e baixo em um pino do μC, como por exemplo, no
8051: SETB Px.x e CLR Px.x , onde Px.x é um port de I/O qualquer). Estas instruções devem
estar presentes no programa principal e nas sub-rotinas,sendo executadas repetidamente,
gerando pulsos em um pino do μC. Se o μC estiver operando normalmente, ele enviará estes
pulsos frequentemente para a entrada do watchdog, fazendo com que o íransistor seja
continuamente cortado e o capacitor, descarregado. O resultado disso é um nível alto no pino
de /Reset ( no caso, 8051 é resetado com nível baixo neste pino). A função do capacitor de
4,7nF é a de impedir que o transistor seja saturado apenas com nível alto no pino do port do
μC, e sim com pulsos neste pino.
Caso o μC trave por algum motivo, ele não enviará mas os pulsos. Então o watchdog
enviará uma série de pulsos ao pino de /Reset do μC, resetando-o. Na maioria das vezes o μC
retorna à sua operação normal, a não ser por um problema rnaior, como erro no sofíware ou
operações em condições extremas. Maiores informações sobre este recurso podem ser
encontrados no texto sobre o μC AVR90S1200.
Para finalizar, diversas são as aplicações deste versátil circuito integrado, por isso no
que se refere ao 555 podemos dizer que o limite para as suas aplicações é a sua imaginação.
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CAPITULO 5
PRATICAS
5.1 - SIRENE ELETRONICA
Aqui está uma outra sirene - não fique surpreso se este tornar-se o circuito mais popular
dentro deste kit.
Este circuito produz um som mais parecido com uma sirene verdadeira de um carro de
polícia! Após completar o cabeamento, pressione a tecla, Você ouvirá um tom que
gradualmente aumenta. Solte a tecla, e o tom diminuirá até desaparecer por completo.
Aqui está algumas mudanças que você pode tentar:
Mude o capacitor de 10μF para 100μF ou 470μP. Isto provoca aumento no tempo de
atraso para ligar e desligar.
Mude o circuito para eliminar o tempo de atraso desconectando-se temporariamente o
capacitor de 10μF. Simplesmente desconecte um dos cabos do terminal 113 ou terminal 114.
Mude o capacitor de 0.02μF para 0.01μF e então para 0,05μF.
Divirta-se!
Sequência de cabeamento:
1-29, 2-30, 3-103-109, 4-119,137, 5-47-110, 46-104-90. 114-48-120, 85-138, 86-89-113.
5.2 - LÓGICA DIODO-TRANSISTOR AND COM DISPLAY LED
Agora vamos dar um passo para dentro do mundo dos circuitos digitais e aprender
alguns conceitos básicos. Primeiramente, um circuito digital é um circuito que atua como uma
chave ^ comutar diferentes componentes entre ligado e desligado. Esta seção trabalha com
circuitos lógicos a diodo-transistor (DTL - "diode-transistor logic") - circuitos que utilizam díodos
e transistores na comunicação entre alimentado ou não.
Normalmente não importa o quanto de tensão é aplicada a um circuito digital; o que
importa na realidade é se o circuito está alimentado (tensão presente) ou sern alimentação
(tensão ausente). Quando o circuito está alimentado, nós descrevemos como nível lógico alto
("high"), ou usamos o número 1 para descrever este estado. Quando o circuito está
desalimentado, nós dizemos nível lógico baixo ("low"), ou usamos o número 0.
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Primeiramente, você irá aprender sobre circuitos AND. O circuito AND produz uma saída
quando todas as conexões dos terminais de entrada estão em nível lógico alto (recebendo
tensão). Monte o circuito de acordo com a sequência de cabeamento abaixo. Então, conecte os
terminais A (126) e B(128) aos terminais 119 e 124 em diferentes combinações para fechar o
circuito e aprender como o circuito AND trabalha.
Neste circuito, o terminal 124 proporciona nível lógico alto (tensão) e o terminal 119
proporciona nível lógico baixo (sem tensão). O LED mostra H somente quando você conecte os
terminais A e B, ou ambos, ao terminal 119 (o terminal com nível baixo), o LED não deve
mostrar nada. Ambos os terminais A e B devem estar em nível lógico alto para a saída
combinada (o LED) mostrar H ("high" - alto).
Quando uma das entradas ou ambas estiverem em nível lógico baixo (isto é, o terminal
126 e/ou o terminal 128 são conectados ao terminal 119), tensão positiva é aplicada a base do
transistor PNP através do(s) diodo(s) e o transistor PNP mantém-se desabilitado. Como o
transisíor PNP não completa o circuito, nenhuma corrente é fornecida à base do transistor NPN
e ele também mantém-se desabilitado. O terminal cátodo comum não é conectado ao negativo
da fonte de alimentação e o LED mantém-se apagado.
Quando ambas as entradas estão em nível lógico alto, ambos os díodos fornecem
tensão negativa à base do transistor PNP, assim ele é habilitado. O transistor NPN também é
habilitado, e a corrente pode fluir acendendo o LED.
Matemáticos usam o símbolo AB para representar a função AND. No canto inferior direito
do esquema você pode ver o símbolo esquemático do circuito AND.
Sequência de cabeamento:
22-23-21-18-19-72, 25-47, 81-40-125-127, 41-83, 42-129, 46-84-85, 86-82-48-124, 71-130-119,
121 -122, 126-( 119 "alto" ou 124 "baixo"), 128-( 119 "alto" ou 124 "baixo").
5. 3 - AMPLIFICADOR DE SOM
Este circuito é um poderoso amplificador de dois transistores. Um amplificador usa um
pequeno sinal para controlar ou produzir um sinal maior. Este amplificador é similar aos novos
modelos de amplificador auxiliar à transistor. O alto-falante atua como um microfone dinâmico.
Usando seu multímetro neste amplificador para medir as tensões do circuito, ajudará
você a aprender como os transistores trabalham. As tensões medidas ajudarão você a
determinar medidas de corrente e a maneira como este circuito trabalha.
O alto-falante de seu kit pode transformar a pressão do som em tensões fracas. O
transformador aumenta a tensão um tanto. Esta tensão é então aplicada ao transistor NPN
através do capacitor de 3.3μP.
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A tensão amplificada na saída do transistor NPN é acoplada ao transistor PNP através
do capacitor de 0,1μF. É então amplificada pelo PNP, e é acoplada ao fone de ouvido através
do capacitor de 100μF.
É hora de falarmos sobre o transformador. O transformador é formado por um
enrolamento de centenas de voltas. Nós chamamos de bobina. Um transformador tem duas
bobinas separadas por uma placa.
Quando eletricidade flui através da bobina, ele cria um campo magnético. O inverso
também é verdade - se uma bobina é submetida a uma mudança na intensidade do campo
magnético, eletricidade flui através dele. Assim, quando eletricidade flui através da primeira (ou
primária como nós frequentemente a chamamos) bobina do transformador, o campo magnético
criado pela bobina primária faz com a eletricidade flua através da bobina secundária. O número
de voltas de cada bobina é diferente, assim a tensão da eletricidade de cada bobina é também
diferente.
Este estabelecimento de uma carga elétrica, usando um campo magnético é chamada
indução. Volte ao projeto 15 (Descarga de Capacitor / Gerador de Alta Tensão) e relembre-se
de como uma tensão grande é induzida no lado secundário quando 9V é aplicado ao lado
primário do transformador.
Sequência de cabeamento:
1-29, 2-30, 3-112, 5-124-48-116-102-78-13-Fone de Ouvido, 93-109-40, 41,94,77,14Fone de Ouvido, 42-72, 91 -100-101 -111 -46, 75-92-99-110-47, 71 -76-115-119, 121 -122.
5.4 - TRANSISTOR CONTROLANDO A COMUTAÇÃO DE DISPLAY LED
Agora vamos entrar no campo da eletrônica. As explicações a partir de agora se tornarão
um pouco mais difíceis, e mais interessante! Este projeto mostra como controlar o display LED
com transistores.
Este circuito é muito parecido com o do projeto 20 (Ação do Circuito a Transistor). As
únicas diferenças são a posição da chave e o valor do resistor. Este projeto utiliza o circuito de
base do transistor NPN como uma chave, para controlar o cátodo do LED. No projeto 20 nós
controlávamos o LED pelo lado do ânodo (positivo).
Ambos os transistores deste projeto atuam como chaves. O transistor PNP está sempre
habilitando, permitindo que corrente flua do coletor para o emissor, porque uma quantidade
suficiente de tensão negativa é aplicada a sua base através de um dos resistores de 10k. O
transistor NPN é habilitado quando você fecha a tecla, aplicando-se tensão positiva suficiente a
sua base, através de um outro resistor de 10k. Assim, a corrente pode fluir do emissor para o
coletor somente quando você fecha a tecla.
Os seguintes princípios básicos são importantes para você relembrar:
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Um transistor PNP é habilitado quando tensão negativa é aplicada a sua base; a
corrente flui do coletor para o emissor.
Um transistor NPN é habilitando quando tensão positiva é aplicada a sua base; a
corrente flui do emissor para o coletor.
Agora que a corrente pode fluir através do transistor NPN, ele pode trafegar pelo
caminho completo desde o lado negativo das baterias, ao transistor NPN, ao terminal cátodo
comum do display, aos terminais ânodo b e c do display, ao transistor PNP, ao lado positivo das
baterias desta forma o display acende.
Acender o LED com ambos os transistores pode não parecer importante agora. Mas
para pessoas que projetam complicados circuitos de computadores, é uma maneira útil de
controlar circuitos.
Sequência de cabeamento:
21-23-41,25-47,40-82, 119-42-137,46-84, 124-48-81,83-138, 121-122.
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Bibliografia
CEPEP. Eletrônica Básica. Fortaleza, [S.d.].
ICEL. Roteiro de Práticas. São Paulo,[S.d.].
SENAI-ES; CST. Eletrônica Básica. Vitória: 2000.
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Hino Nacional
Hino do Estado do Ceará
Ouviram do Ipiranga as margens plácidas
De um povo heróico o brado retumbante,
E o sol da liberdade, em raios fúlgidos,
Brilhou no céu da pátria nesse instante.
Poesia de Thomaz Lopes
Música de Alberto Nepomuceno
Terra do sol, do amor, terra da luz!
Soa o clarim que tua glória conta!
Terra, o teu nome a fama aos céus remonta
Em clarão que seduz!
Nome que brilha esplêndido luzeiro
Nos fulvos braços de ouro do cruzeiro!
Se o penhor dessa igualdade
Conseguimos conquistar com braço forte,
Em teu seio, ó liberdade,
Desafia o nosso peito a própria morte!
Ó Pátria amada,
Idolatrada,
Salve! Salve!
Brasil, um sonho intenso, um raio vívido
De amor e de esperança à terra desce,
Se em teu formoso céu, risonho e límpido,
A imagem do Cruzeiro resplandece.
Gigante pela própria natureza,
És belo, és forte, impávido colosso,
E o teu futuro espelha essa grandeza.
Terra adorada,
Entre outras mil,
És tu, Brasil,
Ó Pátria amada!
Dos filhos deste solo és mãe gentil,
Pátria amada,Brasil!
Deitado eternamente em berço esplêndido,
Ao som do mar e à luz do céu profundo,
Fulguras, ó Brasil, florão da América,
Iluminado ao sol do Novo Mundo!
Do que a terra, mais garrida,
Teus risonhos, lindos campos têm mais flores;
"Nossos bosques têm mais vida",
"Nossa vida" no teu seio "mais amores."
Ó Pátria amada,
Idolatrada,
Salve! Salve!
Brasil, de amor eterno seja símbolo
O lábaro que ostentas estrelado,
E diga o verde-louro dessa flâmula
- "Paz no futuro e glória no passado."
Mas, se ergues da justiça a clava forte,
Verás que um filho teu não foge à luta,
Nem teme, quem te adora, a própria morte.
Terra adorada,
Entre outras mil,
És tu, Brasil,
Ó Pátria amada!
Dos filhos deste solo és mãe gentil,
Pátria amada, Brasil!
Mudem-se em flor as pedras dos caminhos!
Chuvas de prata rolem das estrelas...
E despertando, deslumbrada, ao vê-las
Ressoa a voz dos ninhos...
Há de florar nas rosas e nos cravos
Rubros o sangue ardente dos escravos.
Seja teu verbo a voz do coração,
Verbo de paz e amor do Sul ao Norte!
Ruja teu peito em luta contra a morte,
Acordando a amplidão.
Peito que deu alívio a quem sofria
E foi o sol iluminando o dia!
Tua jangada afoita enfune o pano!
Vento feliz conduza a vela ousada!
Que importa que no seu barco seja um nada
Na vastidão do oceano,
Se à proa vão heróis e marinheiros
E vão no peito corações guerreiros?
Se, nós te amamos, em aventuras e mágoas!
Porque esse chão que embebe a água dos rios
Há de florar em meses, nos estios
E bosques, pelas águas!
Selvas e rios, serras e florestas
Brotem no solo em rumorosas festas!
Abra-se ao vento o teu pendão natal
Sobre as revoltas águas dos teus mares!
E desfraldado diga aos céus e aos mares
A vitória imortal!
Que foi de sangue, em guerras leais e francas,
E foi na paz da cor das hóstias brancas!