WWW.CETES.COM.BR TÉCNICO EM ELETRÔNICA 1º Módulo 1º Semestre de 2013 Disciplina: ELETRÔNICA GERAL Professor (a): MARIA JOSÉ CARDOSO Nomedo aluno (a): RGM: CENTRO EDUCACIONAL TÉCNICO SUZANENSE • Telefone: 4747-1500 •WWW.CETES.COM.BR Sumário Energia ..........................................................................................................................4 Formas de Energia........................................................................................................5 Matéria...........................................................................................................................6 Lei da Conservação da Energia....................................................................................6 Estrutura Molecular da Matéria.....................................................................................7 Conceitos da Eletrostática e da Eletrodinâmica............................................................7 Cargas Elétricas............................................................................................................8 Lei de Coulomb.............................................................................................................9 Lei de Joule.................................................................................................................10 Matérias Condutores Elétricos....................................................................................12 Matérias Isolantes Elétricos........................................................................................12 Grandezas Elétricas: Tensão, Corrente e Resistência Elétrica..................................13 Primeira Lei de Ohm....................................................................................................15 Potência Elétrica e Trabalho Elétrico...........................................................................19 Leis de Kirchhoff..........................................................................................................24 Introdução a Semicondutores......................................................................................25 Materiais Semicondutores, Características, Aplicações..............................................25 Junção PN, características, polarização......................................................................27 Diodo semicondutor, LED, Diodo Zener......................................................................27 Circuitos retificadores..................................................................................................34 Onda Senoidal,Tensão de pico e Tensão de Pico a Pico...........................................34 Introdução Transformador elétrico...............................................................................35 Circuito retificador monofásico de meia onda..............................................................36 Circuito retificador monofásico de onda completa com centertap..............................38 Circuito retificador monofásico de onda completa em ponte.......................................40 Filtros Capacitivos para Retificadores..........................................................................42 Transistor .....................................................................................................................43 Polarização Transistor .................................................................................................45 2 CI(s) Reguladores de Tensão, Família 78XX e 79XX................................................46 Referências Bibliográficas..........................................................................................50 3 Energia Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho. A energia poderá estar presente num determinado corpo, em repouso ou em movimento. Quando ele se encontra em repouso, a energia nele armazenada se chama ENERGIA POTENCIAL. Como exemplo podemos citar: − A água de uma represa, Uma mola comprimida, etc. A energia que surge em consequência do movimento de um corpo se chama ENERGIA CINÉTICA. Exemplos: − A água de uma represa, ao passar pelas tubulações de uma casa de máquinas numa usina hidrelétrica, faz com que o gerador funcione; − um automóvel, em velocidade, poderá utilizar-se da energia cinética para subir uma ladeira; − um martelo movendo-se rapidamente pode exercer uma força sobre um prego e fazê-lo penetrar numa tábua. A energia toma as mais variadas formas. As mais comuns são: − Energia Mecânica, − Energia Térmica, − Energia Química, − Energia Elétrica, etc. 4 A energia mecânica se manifesta pela produção de um trabalho mecânico, no deslocamento ou deformação de um corpo. Exemplo: − Ao se empurrar uma cadeira; Ao se dobrar uma chapa de metal, etc. A energia térmica ou calor, se manifesta nos corpos através da elevação de temperatura. Exemplo: − A chama de um fósforo, uma caldeira, uma fogueira, etc. A energia química se manifesta desde que certos corpos que a possuem são postos em contato. Exemplo: − Numa pilha, a reação química de seus componentes, produz a eletricidade em seus pólos. − Ao dissolver-mos o percloreto de ferro em água, produzimos calor devido à reação química dos dois, e ao colocar-mos uma placa de circuito impresso dentro dessa solução, a mesma corrói o cobre da placa devido à energia química que possui. − Ao colocar-mos água sobre ácido concentrado a reação química é muito forte podendo causar sérios acidentes. A energia elétrica se manifesta em nossos sentidos por seus efeitos. Magnéticos– Rotação de um motor Térmicos -Aquecimento de um condutor Luminosos- Incandescência de uma lâmpada Fisiológicos– Choque elétrico Lei da Conservação de Energia A energia nunca desaparece, transforma-se pois ela é indestrutível como a matéria. Transformação da Energia Transformação da energia elétrica em mecânica : Usa-se um motor elétrico, o qual recebe energia elétrica nas bobinas de seu enrolamento e a transforma em mecânica que aparece em forma de rotação do seu eixo. Durante o funcionamento, o motor sofre um pequeno aquecimento, o que ocasiona alguma perda de energia que é transformada em energia térmica, que não é aproveitada, dissipando-se no ar. 5 Teoria Eletrônica Matéria: É tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço.Ela existe em três estados: Sólido, Líquido e Gasoso. Ex.: Água, Cobre, Hidrogênio, etc. Existe ainda um 4º estado da matéria que é o PLASMA, encontrado apenas em laboratório e ambientes de temperaturas muito altas, como o sol por exemplo. Estrutura Molecular da Matéria Corpo: É uma quantidade limitada de matéria que possui uma determinada forma. Ex.: Bloco de cimento, Viga de madeira, Gota d’água, etc. Corpos Simples: São os corpos constituídos de um só tipo de elemento. Ex.: Ouro, Cobre, Hidrogênio, etc. Corpos Compostos: São os corpos formados pela combinação de dois ou mais corpos simples. Ex.: Cloreto de sódio (sal de cozinha) que é formado pela combinação de Cloro e Sódio (NaCl). A água que é formada por duas partes de Hidrogênio e uma parte de Oxigênio (H2O). Os corpos podem ser divididos em partes cada vez menores, podendo, por processos especiais, chegar a partes tão pequenas que seria impossível vê-las à olho nu. Molécula: É a menor partícula que se pode dividir um corpo sem que o corpo resultante perca as características do corpo que a originou. Na figura ao lado podemos observar uma molécula de bióxido de carbono, que é formada pela combinação de dois átomos de oxigênio e um átomo de carbono . A água é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio H2O. Se formos dividindo uma gota d’água em muitas partes, ela vai se tornando cada vez menor até chegar à molécula, isto é, a menor partícula que se possa dividi-la conservando as suas características. 6 O sal de cozinha é formado pela combinação de um átomo de Cloro e um átomo de Sódio (NaCl). Cada um desses elementos separadamente, se constitui em poderoso veneno para o ser humano, porém ao se combinarem torna-se algo completamente diferente que além de inofensivo é necessário à saúde humana. Átomo: É a menor partícula física em que se pode dividir um elemento. O átomo é formado por inúmeras partículas, sendo que iremos estudar somente as que interessam à teoria da eletricidade. O átomo é formado por uma parte central, fixa, chamada núcleo onde se encontra dois tipos de partículas chamadas Prótons e Neutrons. Os prótons possuem carga elétrica Positiva e os neutrons são partículas eletricamente neutras. Em torno do núcleo dos átomos giram partículas em alta velocidade, chamadas Elétrons. A região abrangida pelos elétrons chama-se Eletrosfera. O elétron possui carga elétrica Negativa. Normalmente o número de elétrons e prótons em um átomo são iguais. Existe uma grande variedade de elementos, cada um com o seu número de elétrons. Exemplos: Carbono - 06 elétrons com 2 órbitas Silício - 14 elétrons com 3 órbitas Ferro - 26 elétrons com 4 órbitas Cobre - 29 elétrons com 4 órbitas Zinco - 30 elétrons com 4 órbitas Prata - 47 elétrons com 5 órbitas Ouro - 79 elétrons com 6 órbitas Urânio - 92 elétrons com 7 órbitas O que mantém os elétrons em suas órbitas são as forças centrífuga e centrípeta (de atração) que se equilibram. O número de órbitas de elétrons que os elementos possuem depende dos mesmos. Existe elemento que possui uma só órbita de elétrons como é o caso do Hélio, com dois elétrons numa só órbita e o Hidrogênio que possui uma órbita e um elétron. O Alumínio com 13 elétrons em 3 órbitas, o Cobre com 29 elétrons em 4 órbitas, etc. Os elétrons das órbitas internas são chamados Elétrons Presos, dificilmente removíveis. Os elétrons das órbitas externas são chamados Elétrons Livres, pois tem uma certa facilidade de se desprenderem de seus átomos. 7 É o movimento dos elétrons livres, de forma ordenada, que forma uma corrente elétrica. Eletricidade Estática Cargas Elétricas: Dá-se o nome de eletricidade estática às cargas elétricas em repouso. Um corpo poderá estar eletrizado positiva ou negativamente. Quando um corpo recebeu um ou mais elétrons diz-se que ele possui carga elétrica negativa, se porém um corpo ceder elétrons, ele ficará com falta de elétrons tornando-se carregado positivamente. Lei de Dufay (Lei de atração e repulsão das cargas elétricas): Cargas de nomes iguais se repelem e cargas de nomes contrários se atraem. Ao tocar-mos um corpo carregado positivamente em outro sem carga, alguns elétrons do corpo neutro passarão para o corpo positivo devido à atração do mesmo. O corpo que estava eletricamente neutro tornou-se carregado positivamente porque cedeu elétrons; a isto chamamos: Transferência de Cargas por Contato. Descargas Estáticas: Sempre que dois corpos com cargas contrárias forem postos um próximo ao outro, o excesso de elétrons de um deles será atraído em direção daquele que está com falta de elétrons. Descarga através de um fio: Se ligar-mos um fio entre esses dois corpos, oferecemos um caminho para que os elétrons possam se deslocar no sentido do corpo positivo até que haja um equilíbrio elétrico entre eles. Descarga por Arco: 8 Se aproximar-mos dois corpos com cargas opostas bastante elevadas os elétrons poderão pular do corpo negativo para o positivo antes deles se tocarem; ai diremos que a descarga deu-se por Arco Voltaico. As grandes descargas elétricas são chamadas Raios e a principal criadora desses é a própria natureza. Nos dias quentes é grande a evaporação da umidade. Nas altitudes frias o vapor d’água forma gotas que caem devido ao seu peso. Essas gotas caem sem atingir o solo porque evaporam-se novamente ao encontrar com as correntes ascendentes de ar quente. Pelo atrito que ai ocorre, são extraídos das moléculas da água os elétrons livres a elas aderentes. Esses elétrons acumulam-se nas nuvens que assim ficam carregadas de eletricidade. Quando as cargas elétricas atingem um valor muito elevado os elétrons saltam em forma de centelha (relâmpagos) para outras nuvens ou para a terra. Para que haja uma proteção contra os raios instala-se um Pára-raios nos pontos mais altos de uma residência, industria ou edifício. O pára-raios é feito de uma haste metálica que termina em várias pontas revestidas de platina e um cabo metálico muito bem ligado à terra. As pequenas descargas elétricas são chamadas Faíscas e aparecem sempre que haja corpos em atrito. Os caminhões Tanque, que transportam combustíveis, possuem uma corrente pendurada na parte traseira, que ao passar nas valetas toca a terra, proporcionando assim a descarga da eletricidade estática acumulada no tanque, devido ao atrito com o ar provocado pelo movimento do caminhão. Lei de Coulomb A força de atração ou de repulsão exercida entre duas massas elétricas concentradas em dois pontos distintos depende do meio em que se verifica o fenômeno e, para um dado meio, é proporcional ao produto das duas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. 9 A força “F” exercida entre duas massas elétricas “q” e “q1” concentradas em dois pontos, havendo entre elas uma distância “d” ,é expressa por: K = Coeficiente dependente do meio em que as massas elétricas estão imersas; para o ar K=1 F = Força exercida entre duas massas elétricas d = Distância entre as massas elétricas q e q1 = Massas elétricas A unidade da massa elétrica é o Coulomb. Lei de Joule Quando a corrente elétrica passa através de um condutor ou resistor, encontra uma resistência elétrica, ocorrendo então o aquecimento do fio. Houve portanto, uma transformação de energia elétrica em energia térmica. A Lei de Joule nos diz: A energia térmica ou quantidade de calor desenvolvida pela passagem da corrente elétrica por um condutor ou resistor é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica, a resistência do resistor ou condutor e ao tempo durante o qual se efetua a transformação de energia. Isto é:q = 0,24 x I² x R x t Onde: q = Pequenas calorias (cal) ou caloria-grama I = Corrente em Ampéres R = Resistência em Ohms t = Tempo em segundos O número 0,24 é uma constante que aparece na expressão porque a quantidade de calor é dada em Calorias (cal) e a energia elétrica que se transforma, é dada em Watt-Seg. Essa constante foi determinada pela passagem de 1 Ampére por uma resistência de 1Ω (ohm) no tempo de 1 seg., que elevou 1 grama de água à temperatura de 0,24ºC. Esse fator 0,24 é chamado Equivalente Térmico do Calor. A Pequena Caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC 1g de água. Obs.: 1g de água = 1cm3 de água1 Kg de água = 1L de água = 1.000cm³de água O número de calorias pode também ser calculado pela seguinte fórmula: 10 q = vol. x θ Onde: q = calorias Vol. = volume d’água em cm³ θ = letra grega Téta que representa a quantidade de graus a ser elevada A grande caloria representa a quantidade de calor necessária para elevar 1L de água à 1ºC da sua temperatura. Q=Lxθ Onde: Q = grande caloria em Kcal (1Kcal = 1.000cal) L = número de litros d’água à ser aquecida θ = letra grega Téta que representa a quantidade de graus a ser elevado onde ainda: Exercícios: 1) Quantos Kcal são necessários para elevar 50 litros de água à 35ºC sendo sua temperatura normal de 20ºC ? 2) Qual será o tempo necessário para elevar 80L de água à 14,4ºC de sua temperatura se a corrente for de 10A com uma resistência de 25Ω ? A transformação da energia elétrica em térmica (efeito Joule) aparece sob duas formas: Aproveitamento Joule e Perda Joule. O aproveitamento Joule se da nos resistores (estufas, ferros de soldar, chuveiros, etc.), onde se deseja obter aquecimento através da corrente elétrica. Nos condutores, a transformação da energia elétrica em térmica é um inconveniente, pois ela não é desejada. A perda Joule é expressa em Watts por: W = I2 . R Onde R é a resistência do condutor e I a corrente que ele transporta. 11 Para evitar que a perda Joule assuma valores consideráveis, limita-se a corrente que um condutor deve transportar. Ao valor máximo da corrente que um condutor pode transportar, sem se aquecer demasiadamente, dá-se o nome de capacidade de condução da corrente. Materiais condutores elétricos São materiais que, por possuírem baixa resistência elétrica, facilitam a passagem da corrente elétrica e são usados para transportá-la de um local para outro. Esses materiais possuem grande quantidade de elétrons livres em suas órbitas, facilmente removíveis. Os metais são os melhores condutores de eletricidade; dentre eles o cobre e o alumínio são os mais usados. O cobre tem tido maior aplicação porque além de ser um bom condutor, oferece boa resistência mecânica e suas emendas podem ser facilmente soldadas. O alumínio é um bom condutor, tem um peso baixo em relação ao cobre, porém tem pouca resistência mecânica e necessita solda especial. O alumínio é muito usado nas linhas de alta tensão, em forma de cabo com o fio central de aço para aumentar a resistência mecânica, sendo suas emendas feitas por meio de terminais prensados, dispensando assim a soldagem. Materiais Isolantes São materiais que oferecem grande oposição à passagem da corrente elétrica não permitindo que seus elétrons se libertem de seus átomos. Esses materiais, por terem uma resistência elétrica muito alta, são usados para bloquear a passagem da corrente elétrica. Os mais usados são: Louça, vidro, borracha, plástico, ebonite, celeron, mica, baquelite, fibras, etc. 12 Grandezas Elétricas Eletricidade Dinâmica A eletricidade dinâmica se refere aos elétrons em movimento de um átomo para outro. Diferença de Potencial: Para que haja movimento de elétrons em um circuito é necessário que alguma força ou pressão apareça para fazer com que esses elétrons se movimentem. A esta pressão damos o nome de Diferença de Potencial (DDP), Voltagem, Tensão ou Força Eletromotriz (FEM), que nos é dada em Volts. Num circuito onde se tem eletricidade dinâmica, o número de Volts aplicado é que faz com que os elétrons se movimentem, formando assim a Corrente Elétrica. O aparelho utilizado para medir a DDP ou Tensão chama-se Voltímetro e deve ser ligado em paralelo com a rede ou componente que se deseja medir. Nos cálculos a tensão é representada pela letra “E”. Intensidade de Corrente: A intensidade de corrente se refere a quantidade de eletricidade que estiver passando num ponto qualquer de um circuito elétrico. Toda vez que passar uma corrente de elétrons em um circuito elétrico, ela poderá ser medida. Quando num ponto qualquer de um circuito elétrico passar 6,28 x 1018 elétrons, diz-se que passou 1 Coulomb, medida essa utilizada para medir cargas elétricas. Porém, se passar num mesmo ponto do circuito, 1 Coulomb de elétrons no tempo de 1 segundo, a Corrente será de 1 Ampére. Portanto: 1 A = 1 Coulomb/Seg. O aparelho utilizado para medir a Intensidade de Corrente, em Ampéres, de um circuito é o Amperímetro. O amperímetro é ligado ao circuito, em série com a carga que se deseja medir, pois ele registrará a quantidade de elétrons que estiver passando naquela parte do circuito. Nos cálculos, a intensidade de corrente é representada pela letra “I”. 13 Resistência Elétrica: Resistência Elétrica é a oposição que um condutor oferece à passagem da corrente elétrica. A resistência elétrica nos é dada de acordo com o próprio material, conforme a facilidade ou não, da movimentação dos seus elétrons. A unidade usada para a medição da resistência elétrica é o OHM que é representado pela letra grega Ômega (Ω). O aparelho usado para a medição da resistência elétrica é o Ohmímetro. Para se efetuar a ligação do Ohmímetro deve-se tomar a precaução de desligar a corrente elétrica do circuito em questão. Isto porque o Ohmímetro possui bateria própria para o seu funcionamento. Nos cálculos, a resistência é representada pela letra “R”. 14 Primeira Lei de Ohm A 1ª Lei de Ohm é a lei básica para os cálculos dos valores da corrente elétrica. Seu enunciado é: A corrente de um circuito é diretamente proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. Dela podemos tirar a seguinte fórmula: Exemplos: 15 Características do Circuito Série: a) Num circuito elétrico ligado em série a resistência total (equivalente) é igual a soma de todos os resistores do circuito. Req = R1 + R2 + R3 +...+ RN b) A intensidade de corrente num circuito série é igual em todas as partes do circuito. I = I1 = I2 = I3 = ... = IN c) A tensão total aplicada ao circuito série é igual a soma das quedas de potencial de cada parte do circuito. E = E1 + E2 + E3 +...+ EN 16 Aplicação da Lei de Ohm ao circuito Série : Calcular a Tensão aplicada ao circuito abaixo: Req= R1 + R2 + R3 → Req= 12 + 18 + 6 →Req= 36 Ω E = R x I →E = Reqx I →E = 36 x 6 →E = 216 V Calcular a corrente do circuito abaixo: Calcular E1, E2, E3 e E no circuito abaixo: E1 = I x R1 →E1 = 0,5 x 40 → E1 = 20 V E2 = I x R2 → E2 = 0,5 x 56 → E2 = 28 V E3 = I x R3 → E3 = 0,5 x 74 → E3 = 37 V E = E1 + E2 + E3 →E = 20 + 28 + 37 → E = 85 V 17 Características do Circuito Paralelo: A intensidade de corrente nos circuitos paralelos é igual a soma das intensidades de cada parte do circuito: I = I1 + I2 + I3 A tensão no circuito paralelo é a mesma em todos os pontos do circuito: E = E1 = E2 = E3 Aplicação da Lei de Ohm aos circuitos Paralelos : Calcular R1, R2 e Reqno circuito abaixo: 18 Calcular I1, I2, I3, I e Reqno circuito abaixo: Potência Elétrica Qualquer aparelho elétrico é caracterizado pela sua potência. Potência é a quantidade de trabalho efetuada na unidade de tempo. Durante as 24 horas do dia nós temos tensão elétrica nos circuitos de nossos lares, oficinas, fábricas, etc. , porém não é sempre que usamos a energia. A iluminação por exemplo, quase só é usada a noite. Somente quando ligamos as luzes ou qualquer outro aparelho elétrico é que obtemos um trabalho em forma de luz, calor, etc. É a esse trabalho que nos referimos e que representa a potência elétrica. A unidade da potência elétrica é o Watt, e é representado nos cálculos pela letra W. Quando queremos medir grandes potências usamos um múltiplo do Watt, o Quilowatt, que vale 1.000W e é representado por KW. O instrumento empregado nas medidas de potência é o Wattímetro, que mede ao mesmo tempo a tensão e a corrente, sendo que o ponteiro marca o produto desses dois fatores. Por esse motivo o Wattímetro deve ser, simultaneamente, ligado em paralelo (a parte que mede tensão) e em série (a parte que mede a corrente). 19 Para se calcular a potência usa-se um triângulo semelhante ao da Lei de Ohm: De acordo com o triângulo de potência P = E x I No exercício abaixo nós não temos I, portanto primeiro teremos que encontrar I em cada ramo do circuito para depois calcular a potência. Calcular: I, P1, P2, P3 e P no circuito abaixo. A soma das potências parciais é igual a potência total do circuito. *Ao projetar-mosumainstalação elétrica residencial devemos calcular a secção dos condutores que deverão transportar a corrente elétrica desde o quadro de distribuição até as fontes receptoras. Para efeito de projeto residencial, devemos adotar o valor de 100W para cada ponto de luz e tomada quando não for especificado o aparelho que será utilizado na mesma. 20 Energia Elétrica Vimos anteriormente que energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho. A energia elétrica também realiza trabalho, sendo este apresentado em forma de luz (lâmpadas), calor (chuveiro, resistores, etc.), movimento (motor), etc. Dois aparelhos semelhantes, mas de Potências diferentes, podem consumir a mesma quantidade de energia, isto é, realizar o mesmo trabalho, porém o mais potente o faz em menos tempo. Portanto, a potência de um aparelho é a energia por ele consumida na unidade de tempo, ou seja: Para determinar-mos a energia(T), realizamos uma simples transposição de termos na expressão ao lado e obtemos: T=W xt Como vemos, a energia pode ser medida, pois ela é uma grandeza. A potência elétrica é medida em Watts e o tempo em segundos, portanto a unidade de medida da energia elétrica é o Watt-segundo (Ws). Na prática esta unidade não é usada por ser muito pequena, preferindo-se usar o Watt-hora, em que a unidade de tempo é a hora. Normalmente a energia elétrica é medida em quilowatt-hora (kWh) que vale 1.000 Wh. O consumo de energia elétrica é medido em instrumento denominado Medidor de Energia Elétrica ou Quilowattorâmetro, que é inserido na entrada da instalação. A leitura do aparelho é feita em kWh e a companhia fornecedora de energia elétrica faz a cobrança baseandose na leitura periódica desse instrumento. Da mesma forma que o Wattímetro, o Quilowattorâmetro possui um elemento ligado em série e outro em paralelo com a rede. Normalmente esses aparelhos são instalados pela companhia fornecedora de energia elétrica, sendo que ao se fazer a entrada de energia de uma residência, salão comercial ou industria, devemos consultar a companhia, para saber-mos os padrões atuais do equipamento e o dimensionamento dos mesmos. Os medidores de energia elétrica são lacrados pela companhia fornecedora, não permitindo dessa forma que o usuário tenha acesso ao medidor. 21 Para Cargas Puramente Resistivas P = R . I2 ouP = U2 R Dizemos Potência Dissipada Combinações de fórmulas--------------------- Dado oscircuitos elétricos, determinar os valores das grandezas elétricas 1) Calcule: Req, It, Vr1,Vr2,Vr3, Pr1, Pr2, Pr3,Pt _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 2) Calcule: Req, It,I1, I2, I3, Vr1,Vr2,Vr3, Pr1, Pr2, Pr3,Pt 22 _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 3) Calcule: Req, It = I1, I2, I3, Vr1,Vr2,Vr3,Vr4, Pr1, Pr2, Pr3,Pr4,Pt _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Calcule: Req, It,I3,I4,Pt,, Pr1, Pr2, Pr3,Pr4,Pr5,Pr6 Vr1,Vr2,Vr3,Vr4,Vr5,Vr6 ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ 23 Leis de Kirchhoff 1ª Lei de Kirchhoff: A primeira lei de Kirchhoff refere-se à corrente, e diz: A corrente que entra numa junção é exatamente igual a corrente que sai dessa junção. Como ilustração vamos ver o circuito abaixo: Através desta lei podemos determinar o valor de uma corrente que desconhecemos. Exemplo Se à esquerda do circuito está entrando 15A, logo à direita do mesmo está saindo 15A. Se em I2a corrente é 8A e em I4é só 6A, isto quer dizer que a corrente I5é de 2A. 2ª Lei de Kirchhoff: A segunda lei de Kirchhoff refere-se à tensão, e diz: Num circuito fechado, a soma das quedas de potencial é igual a tensão aplicada ao circuito. Como ilustração vamos ver o circuito abaixo: E = E1 + E2 = 40 + 80 = 120V E = E3 + E4 + E5 = 20 + 65 + 35 = 120V 24 Introdução a semicondutores São materiais que tem propriedades intermediárias entre condutores e isolantes. Os semicondutores permitem a passagem de corrente num só sentido, não possibilitando o retorno da mesma. Cu – Cobre Fe -Ferro Si – silício Ge -Germânio Materiais Semicondutores O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. É o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra. A última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro da estrutura. Em um cristal de silício ou germânio, puros (intrínsecos), estes quarto elétrons de valência participam da ligação atômica com quatro elétrons dos átomos vizinhos, formando ligações covalentes. Embora a ligação covalente implique numa ligação mais forte entre os elétrons de valência, ainda assim é possível que possam assumir o estado livre. Os elétrons de valência podem absorver energia externa suficiente para se tornarem elétrons livres. Uma mudança na temperatura de uma material semicondutor pode alterar consideravelmente o número de portadores disponíveis. Com a elevação da temperatura, os elétrons de valência absorvem energia térmica suficiente para quebra das ligações covalentes, contribuindo para o aumento da condutividade do material. 25 Aplicações Eles são empregados na confecção de diodos retificadores, cuja função é converter Corrente alternada (C. A.) em Corrente Contínua (C.C.). Os semicondutores são ainda empregados numa infinidade de componentes eletrônicos como: diodos em geral, transistores, tiristores, circuitos integrados, etc. Materiais Extrisecos A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas e chamado de material extrínseco. Há dois materiais extrínsecos de muita importância para a fabricação de dispositivos semicondutores. Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P. Material dopado tipo N Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo cinco elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo. O elemento penta-valente é adicionado ao silício ou germânio, intrínseco. Quatro ligações covalentes serão estabelecidas. O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal. Material dopado tipo P O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio. Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna (buraco). Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio, intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores. O material tipo P resultante é eletricamente neutro. 26 Junção PN A junção (PN) semicondutor é formada unindo os materiais do tipo P e N construídos a partir da mesma base de silício ou germânio. Quando efetua-se a união dos cristais P e N, alguns elétrons em excesso do N tendem a migrar para o P e o mesmo ocorre com as lacunas do P para o N. A movimentação de elétrons,faz surgir na região central da junção PN uma região chamada de zona de depleção . Como a camada ou zona de depleção fica ionizada, cria-se uma ddp na junção na junção PN, chamada de barreira de potencial, cujos valores são de aproximadamente 0,3V para Germânio(Ge) e 0,7V para o silício(Si). Diodos Semicondutores A partir da junção PN surge o diodo semicondutor. O diodo semicondutor é um componente unidirecional, ou seja, conduz a corrente somente em um único sentido, de anodo(A) para o Katodo(K). 27 Polarização do diodo Na condição de condução do diodo é polarizado de forma direta, como mostra o exemplo: Obs.: Pólo(+) da fonte conectada ao anodo e Pólo(-) da fonte ao Katodo Com essa polarização as lacunas do cristal P são empurradas contra a barreira de potencial, o mesmo ocorre com os elétrons do cristal N. Com isso a barreira de potencial sofre um estreitamento, permitindo uma recombinação de cargas em maior escala, colocando o diodo em condução. Na polarização reversa o anodo é conectado ao pólo (-) da fonte e o katodo(+) da fonte, colocando o diodo em corte. Neste caso a barreira de potencial sofre um alargamento distanciando os elétrons e as lacunas. 28 Curva característica do diodo É o gráfico que mostra as características do diodo na polarização direta e reversa. VR VD Ir VD= tensão direta VR= tensão reversa Vbk = tensão de break down Id = corrente diretaIr = corrente reversa Vd = tensão da condução do diodo 29 Reta de carga do diodo A ligação do diodo a uma fonte de alimentação deve ser feita, utilizando-se um resistor limitador em série, a fim de protegê-lo a não ultrapassar o seu valor de Id. A reta de carga é traçada sobre a curva característica de polarização direta por dois pontos; tensão de corte(Vdm) e corrente de saturação(Is). No ponto de cruzamento com a curva característica, encontra-se o ponto Q(Quiescente) ou ponto de trabalho, que mostra os valores de Vd e Id em que o diodo esta submetido. Vcc Determina-se o valor da tensão de corte (Vc) ( tensão no diodo quando está aberto) Vc = Vcc Determina-se a corrente de saturção (Is) ( corrente no diodo quando está em curto ) Is =Vcc Rl Em seguida define-se o ponto Q na reta de carga projetando-se as coordenadas para os eixos de Vd e Id encontrando os valores de trabalho. A potência dissipada pelo diodo é expressa por: Pdq = Vdq .Idq 30 Exemplo: Dada a a curva característica de um diodo de silício(si), alimentado por uma fonte VCC = 2,2 v com uma carga de RL = 50Ω. Traçar a reta de carga e determinar os valores de Vdq, Idq, Pdq. Vcc= Vc = 2,2v Is = Vcc = 2,2= 0,044 A Is = 44mA RL 50 Vdq .E = V D + I DR 1) Qual é a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta, se a tensão do diodo for de 0,7 V e a corrente de 100 mA? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 2) Determinar a reta de carga, o ponto quiescente (Q) e a potência dissipada pelo diodo no circuito a seguir, dada a sua curva característica. VCC =2vRL=1K _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 31 Led – Diodo Emissor de Luz Quando polarizamos diretamente conduz corrente e produz luz através da energia luminosa produz fótons. A K A corrente direta máxima do Led não deve ultrapassar 20mA, para isso devese conectar um resistor limitador em série com o Led. A tensão Vd do Led é em torno de 1,4V. Então para determinar o valor do resistor limitador usaremos a fórmula: R = Vcc – Vd Id Exemplo: Calcule R e PDR ,sabendo que Vd = 1,4 V e Id = 20mA e que Vcc = 12V. R = Vcc – Vd= 12 - 1,4 = 530 Ω Id 0,02 PDR = R . Id2= 530 . ( 0,02)2 = 0,212 = 212mW 32 Diodo Zener Diodo com elevado nível de dopagem das regiões P e N, que apresenta efeito ZENER em níveis de tensão reversa menores que 0,5volt. Os diodos deretaguarda conduzem melhor no sentido reverso do que no sentido direto. Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts e 24 Volts. Na região reversa, observa-se que na ruptura o joelho (VZ) é bastante pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. Podemos observar também que a tensão é praticamente constante (aproximadamente igual a VZ em quase toda a região de ruptura. O valor de VZ é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT. A potência dissipada por um diodo zener é dada pela fórmula: P Z = V Z. I Z Por exemplo, se VZ = 6,2V e IZ = 12mA, então: PZ = 6,2V x 12mA = 74,4mW. Desde que a potência não seja ultrapassada, o diodo zener pode operar dentro da região de ruptura sem ser destruído. Muitas vezes na especificação do fabricante inclui-se também a corrente máxima que um diodo pode suportar, em função da máxima potência que o mesmo pode suportar. Assim: I ZM = P ZM / V Z onde: IZM = máxima corrente de zener especificadaPZM = potência especificada VZ = tensão de zener Se quisermos saber a corrente especificada de um diodo zener de 6,2V com uma especificação de potência de 500mW, então: IZM = 500mW / 6,2v = 80,6mA Isto significa que, se houver uma resistência limitadora de corrente suficiente para manter a corrente de zener abaixo de 80,6mA, o diodo zener pode operar dentro da região de ruptura sem se danificar. Levando-se em conta uma tolerância de 10% (por exemplo), acima ou abaixo do valor de 6,2V, então é aconselhável para maior segurança recorrer ao procedimento abaixo: IZM = 500mW / 6,2V(x 1,1) = 73,3mA 33 Circuitos Retificadores São circuitos que utilizam os diodos semicondutores na conversão CA em tensão CC. Porque a maioria dos circuitos eletrônicos necessitam da tensão de alimentação em CC. Os circuitos Retificadores podem ser monofásicos ou trifásicos, de acordo com o sistema de alimentação da rede e o transformador utilizado. Os tipos de retificação são: - Retificador de meia onda - Retificador de onda completa Onda Senoidal A tensão de alimentação residencial e industrial é uma onda senoidal. Uma onda senoidal é um sinal periódico, pois possui um ciclo, ou período, de variação que se repete indefinidamente. Podemos representar os valores que uma onda senoidal apresenta ao longo de um ciclo pelo seguinte gráfico. Tensão de Pico Os valores de pico positivo ou negativo de uma senóide é o máximo valor que a onda alcança durante a excursão dos semiciclos positivo ou negativo. Tensão de Pico a Pico (Vpp) O valor de pico a pico de uma senóide é o dobro do valor de pico. Vpp= 2.Vp 34 Transformador O transformador, é um aparelho estático que transporta energia elétrica, por indução eletromagnética, do primário (entrada) para o secundário (saída) A razão entre as tensões do primário e do secundário, bem como entre os respectivos números de espiras dos seus enrolamentos, definem a relação de transformação (a) de um transformador. Assim: U1=N1 = a U2N2 Onde: U =é a tensão ; N = é número de espiras Se a>1, o transformador é rebaixador; se a<1, o mesmo será elevador. 35 Circuito Retificador monofásico de meia onda É o mais simples , porém não é mais utilizado na prática,pois seu sinal de sida apresenta um grande ondulação( RIPPLE), restringindo a sua aplicação em circuitos eletrônicos. No entanto, a sua interpretação é a base fundamental para os retificadores de onda completa. Sua aplicação se dá em equipamentos e circuitos mais simples, comorecarregadores de baterias automotivas, máquinas de solda por arco-voltaico. Quando a saída (VS) do transformador encontra-se no semiciclo positivo, polariza o diodo de forma direta, colocando-o em condução, no semiciclo negativo o diodo fica polarizado reversamente, ou seja, cortando a carga q recebe tensão de potencial positivo. Na condição do diodo negativo no seu bloqueio,como veremos no gráfico Exemplo: Sabendo se que Vpp = 9V encontre Vm valor médio de tensão Vm = Vp – Vd Vp = Vpp = 9 = 4,5 V Vm = Vp – Vd= 4,5 – 0,7 = 1,21 V 2 36 Dado o circuito retificador de meia onda Definir os valores da tensão média e a corrente média na carga Vef = VpVp = Vef .√ 2 √2 Vm = Vp – VdIm = Vm ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ No circuito retificador de meia onda a seguir, definir os valores da Vm e Im e na carga ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 37 Circuito Retificador monofásico de onda completa com centertap Este circuito faz com que tanto o semiciclo positivo quanto o negativo caiam somente sobre a carga RL, sempre com a mesma polaridade. Neste caso utiliza-se dois diodos e um transformador com centertap. As tensões Vs1 e Vs2 estão defasadas em 180o em relação ao centertap. Isso faz com que D1 e D2 conduza em intervalos defasados, mantendo a tensão constante sobre a carga. Calculo da tensão média (Vm) na carga Im = VmVp = Vef . √ 2 Vm = Vp – (2.Vd) Onde Vef = Vs1 + Vs2 Obs.: Para dimensionar o diodo de acordo com a sua especificação técnica temos: Idm = corrente direta máxe Vbr = tensão reversa máx ou break-down onde : Vbr ≥ Vp e Idm ≥ Im 2 38 Exemplo: Calcule Vef, Vp, Vm e verifique se o dimensionamento do diodo esta de acordo. Vef = Vs1 + Vs2= 6 + 6 = 12V Vp = Vef .√ 2= 12 .√ 2 = 17V Vm = Vp – (2.Vd) =17 (2. 0.7) = 4,97V 3,1416 Im = Vm= 4,97= 497mA RL 10 Idm ≥ Im = 0,0497= 248,5 mA 2 2 Vbr ≥ Vp= 17v 39 Circuito Retificador monofásico de onda completa em ponte de diodos Neste retificador a carga (RL), recebe a tensão C.C. através de dois diodos simultaneamente,com isso, a tensão média(Vm) é melhor e a ondulação do sinal CC (riplle) é menor. Durante o semiciclo positivo da tensão Vs, os diodos D1 e D2 conduzem e D3 e D4 estão em bloqueio. De forma contrária ocorre durante o semiciclo negativo de Vs, D3 e D4 conduzem e D1 e D2 bloqueados. Desta forma, a carga tem a tensão de saída(Vs) de polaridade positiva. Para determinar a tensão média (Vm) na carga temos: Vm = 2 . (Vp - Vd) Im = Vm Especificação dos diodos Idm ≥ ImVbr ≥ Vp 2 40 Determinar a tensão média na carga de um retificador em ponte cujo Vef de saída é 12V e carga 10Ω Dado o circuito retificador. Determinar os valores de Vm, Im, IdmeVbr ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 41 Filtros Capacitivos para Retificadores Após a retificação, a tensão aplicada à carga possui uma ondulação bastante acentuada, dificultando o seu aproveitamento em circuitos eletrônicos. Para que ela se torne mais uniforme é necessário o uso de algum tipo de filtro. O filtro mais utilizado é o filtro capacitivo que reduz muito a ondulação da tensão, possibilitando assim a maior uso do retificador. Com Funciona No primeiro semiciclo, o capacitor se carrega através dos diodos D1 e D3 até o valor de pico da tensão de entrada. Quando a tensão retificada diminui os capacitores começam a descarregar, alimentando a carga. No outro semiciclo o capacitor será carregado por D2 e D4 até o valor de pico, novamente quando a tensão começa a reduzir o capacitor passa a fornecer corrente para a carga. Mesmo utilizando um filtro, existe um pequena ondulação de tensão que tende a aumentar com o aumento da corrente da carga. Esta ondulação define o fator de ripple do circuito. 42 Transistor O Transistor é basicamente constituído de três camadas de materiais semicondutores,formando as junções NPN ou PNP. Essas junções recebem um encapsulamento de três terminais para conexões externas. NPN PNP A corrente de emissor (IE) é composta pela soma das correntes de base (IB) e de coletor (IC). Observeque,a tensão entre coletor-emissor (VCE) é composta pela soma das tensões base-emissor (VBE) e base –coletor (VCB). Onde PDé a potência dissipada. Portanto, podemos escrever: IE = IB + IC VCE = VBE +VBC PD= VCE . IC Beta CC (βcc) A relação entre a corrente de coletor e a corrente de base é chamada de βccé utilizada para cálculos de polarização de transistores em todas as regiões de operação. Um exemplo da utilização é determinar a corrente de base de um transistor,quando pelo coletor flui uma determinada corrente. Exemplo: Se um transistor se mede uma corrente de coletor de 5mA qual deverá ser sua corrente de base se seu βcc = 100 43 Polarização do transistor Para que haja uma movimentação na barreira de potencial teremos que polarizar o transistor NPN e PNP diretamente e reversamente. 1º caso - as duas junções diretamente polarizadas, circula corrente pelas duas junções, estando o dispositivo em situação de saturação. 2º caso - as duas junções reversamente polarizadas não há circulação de corrente,deixando o dispositivo em situação de corte 3º caso -uma junção diretamente polarizada e a outra reversamente polarizada, neste caso, circula corrente por ambas as junções,porque ocorre o fenômeno denominado de efeito transistor. Para melhor ilustrar a polarização do 3º caso Considerando a figura acima, vamos escrever as equações das malhas de entrada e de saída Entrada : VBB = RB . IB + VBE Saída : VCE = RC.IC + VCE Para dimensionarmos RB e RC em função de valores pré-estabelecidos de VBB, VCC, IB, VCEe dos parâmetros do transistor, nas equações de malha isolamos nesse valores RB = VBB - VBE IB Rc = Vcc– VcE Ic 44 Na pratica, não é viável a utilização de duas baterias, sendo que para eliminarmos uma delas,formaremos divisores de tensão que equivalem a nível de polarização às condições pré-estabelecidas. O circuito equivalente com a bateria VBBé eliminada. Observe a figura : RB RC Vcc RE A solução paraproblema de instabilidade principalmente com a temperatura, é polarizar o transistor, utilizando o circuito denominado polarização por divisor de tensão na base IB1 RC RB1 Ic IB IB2 RB2 Vcc IE RE 45 CI(s) Reguladores de Tensão, Família 78XX e 79XX Os reguladores integrados podem ser de dois tipos: negativos e positivos. Apresentam características de possuir apenas três terminais. Ospositivos mais comuns são os da família 78xxque são fixos. (7805,7809,7812,7815,7818,7824) Os negativosmais comuns são os da família 79xxque são fixos. (7905,7909,7912,7915,7918,7924) Invólucro do e aspecto físico dos reguladores 46 As emendas dos condutores, os contatos parafusados, as derivações devem ser bem feitas, pois, se há um mau contato, a resistência é grande, desenvolvendo-se no ponto considerado uma quantidade de calor, prejudicando o funcionamento do circuito. No projeto de circuitos elétricos deve-se levar em consideração a queda de tensão nos condutores, devido à resistência dos mesmos. Esse cálculo é feito conforme exemplo abaixo: Ex.: Calcular a bitola em mm2 do fio condutor (de cobre) que devemos usar para uma rede com capacidade para 10A, tensão de 110V e extensão de 550m. Para isso vamos considerar como a máxima perda admissível o valor de 2% da tensão. Aplicamos então a seguinte fórmula: Onde: s = secção do fio em mm2 ρ = resistividade do metal em microhms.cm (cobre=1,75) L = comprimento da linha em metros I = corrente em ampιres a = porcentagem de queda de tensγoadmissνvel V = tensγo em volts Conhecemos: I = 10ª V = 110V L = 550m a = 2% ρ = 1,75 (fio de cobre) aplicamos a fórmula : Verificamos então na tabela, qual o condutor com valor igual ou superior ao que foi calculado, e encontramos o cabo 4/0 com 107,20 mm2 que é o mais indicado para este caso visto que o cabo 3/0 tem uma secção de 85,03 mm2 , ou seja, é um pouco inferior ao que necessitamos.Notas: 1. Capacidade de condução de corrente para cabos instalados em eletrodutos (até 3 condutores carregados), de acordo com a NBR-5410 (NB-3). 47 2. No caso de circuitos relativamente longos é necessário levar em conta a queda de tensão admissível (capítulo 525 da NBR-5410 / NB-3) Metrificação dos fios e cabos elétricos Equivalência prática AWG/MCM x Série métrica Considerando PVC/60ºC x PVC/70ºC Para determinar o diâmetro do condutor, utilize a seguinte fórmula: Onde: D = Diâmetro nominal em mm 48 A = Área da secção em mm2 π = 3,141592654 Tabela de fios NC (Níquel-Cromo) para resistores d = diâmetros = secção g/m = gramas por metro Ω/m = ohms por metro Exercícios: 1) Calcular a resistência, a corrente, o número e o comprimento do fio NC para um soldador de 80W e 120V. Obs.: Tratando-se de ferro de soldar considera-se na tabela a coluna de 400ºC. 2) Calcular o fio resistor para um chuveiro que deverá possuir uma potência de 2.800/3.400 W (verão/inverno) para trabalhar em 220V. Obs.: Usar para cálculo a maior resistência (2.800W). No caso de aquecimento rápido (imersão) pode-se admitir um fio que sob a coluna de 800ºC, corresponda a metade da corrente calculada. 49 Referências Bibliográficas http://www.coladaweb.com/quimica/eletroquimica/condutores-e-isolantessemicondutores U.S. Navy - Curso Completo De Eletricidade Básica –Hemus 50