Introdução
(Eletrônica 1)
GRECO-CIN-UFPE
Prof. Manoel Eusebio de Lima
O que são sistemas eletrônicos?
 
 
Sistemas elétricos, como os circuitos da sua casa, usam corrente
elétrica para alimentar coisas como lâmpadas, aquecedores,
ventiladores, etc.
Os sistemas eletrônicos são sistemas que controlam a corrente
elétrica, modificando suas flutuações, direção e tempo, de várias
formas, para realizar uma série de funções, tais como:
–  diminuir o brilho de lâmpada
Sistema eletrônico
–  comunicar-se com satélites
A eletrônica do dimmer
–  amplificar sons
neste circuito controla o
–  ………
fluxo da corrente elétrica
para a lâmpada.
Sistemas elétricos Sistemas eletrônicos
Por que estudar Eletrônica 1?
 
Para entermos como manipular de forma adequada a corrente
elétrica em sistemas que interagem, em nosso cotidiano, como
usuários de sistemas computacionais:
– 
– 
– 
– 
– 
 
Amplificadores
Interface de comunicação
Conversão AD e DA
Famílias lógicas
………………
Como gerar esta corrente elétrica?
-  Reação química
-  Força eletromagnética
-  …………
Sistemas eletrônicos
 
 
Estes sistemas precisam de fontes de tensão e corrente
constantes, ou seja, fontes que possam garantir a entrega de
energia necessária para o funcionameto correto de um
determinado circuito.
Podemos assim definir dois conceitos importantes:
–  Fonte de tensão
–  Fonte de corrente
Fontes de alimentação
 
Fonte de alimentação
–  Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário
uma fonte de energia:
•  Fonte de tensão
–  Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a
ela.
•  Fonte de corrente
–  Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a
ela.
Fonte de tensão
 
Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão
constante ao circuito conectado a ele, “independente” de sua
carga elétrica.
–  Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta
uma resistência interna igual a “zero”. Ou seja, apenas a corrente
muda no circuito em função da carga RL.
–  Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma
corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a
mesma sempre possui uma pequena resistência interna.
Não existe fonte de tensão capaz de fornecer
uma corrente de valor infinito desde que toda
fonte de tensão possui uma resistência interna
?
I = V/RL
RS
+
V
∞
-
RL VL < V
0Ω
Fonte de tensão Real
 
Características
–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a
resistência de carga.
–  Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da
fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a
resistência equivalente da carga do circuito.
Exemplo:
I = V/RL
V=12V
+
RS = 0,06 Ω
RL >> RS
RL ≥ 6 Ω VL < V
VL = 12 - IRS
Fonte de corrente
 
Fonte de corrente é um equipamento
que fornece uma
corrente constante ao circuito conectado a ela, “independente”
de sua carga elétrica.
–  Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta
uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda
no circuito em função da carga RL
–  Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase
constante quando o valor da resistência de sua carga é bem
inferior a sua resistência interna.
Como RL é bem menor que a resistência
interna da fonte, a corrente quase não se altera
no circuito (I constante)
∞
+
V
RS
I = V/(RS+RL)≈ Constante
RL << RS
Fonte de corrente
 
Características
–  Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal
seria RS -> ∞) que a resistência de carga.
–  Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de
carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que
a resistência interna da fonte.
Exemplo:
RS = 10 MΩ
+
V=12V
I=
12
(10x106+RL)
Fonte de corrente Real
(simbologia)
RL = 10KΩ
RS
Fonte de corrente
RL (KΩ)
I
V=12V
RS (10M Ω)
I=
12
µA
(10x106+RL)
RL
I(µA)
0
1,200
1
1,199
10
1,198
100
1,188
1000
1,090
I(µA)
Ponto de 99%
Região quase ideal
100
RL (KΩ)
Como obter fontes de alimentação DC?
 
Bateria
 
Fonte AC/DC
+
-
AC
220V
∼
Circuito retificador
∼
Vac
∼/±
+
-
DC
Vdc
Fontes de alimentação AC-DC
 
 
Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no
Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz
(senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes
valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de
redução aplicado.
Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa
tensão, o que implica na necessidade de um transformador
para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a
retificação.
Circuito retificador
220V
∼
∼
Vac
∼/±
+
-
Vdc
Transmissão de energia elétrica
 
A energia elétrica produzida
nas usinas hidrelétricas é
levada, mediante condutores
de eletricidade, aos lugares
mais adequados para o seu
aproveitamento.
Para
o Linhas de transmissão
de alta tensão
transporte da energia até os
pontos de utilização, não
bastam fios e postes. Toda a
rede de distribuição depende
estreitamente
dos
transformadores, que ora
elevam a tensão, ora a
reduzem.
Transformador
(baixa a tensão)
http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm
Transformador
(eleva a tensão)
O transformador
espiras N1
espiras N2
Voltagem
secundária
Voltagem
primária
primário
N1 : N 2
I1
V1
secundário
∼
I2
∼
V2
carga
Onde:
N2 = Número de espiras do secundário do transformador
N1 = Número de espiras do primário do transformador
Considere que “não há perda” no circuito magnético do transformador
(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída
(P1=P2).
Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ;
Relação tensão/número de espiras em um transformador:
como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja,
I1 = (N2 /N1). I2
e
I2 = (N1 /N2). I1
Transformador
 
Transformador isolador
–  Este transformador se chama isolador
porque separa galvanicamente a tensão
de entrada da tensão de saída, através
de
dois
enrolamentos
totalmente
separados, colocados em volta de um
núcleo magnético que realiza a
transferência de energia. O enrolamento
da tensão de entrada é chamado de
primário e o da tensão de saída,
secundário.
 
Auto-Transformador
–  O transformador que só apresenta um
enrolamento, onde o primário e o
secundário
são
eletricamente
conectados,
é chamado de
autotransformador.
Transformador X Auto-transformador
 
Vantagens econômicas do Auto-transformador => transformador
–  Economiza-se cobre, correspondente ao enrolamento secundário.
No entanto é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na
parte comum (secundárioxprimário) circula a mesma corrente de
antes.
–  Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e
portanto as perdas no ferro e o tamanho físico.
–  Com perda menor, o rendimento também melhora.
 
Desvantagens do Auto-transformador => transformador
–  Os autotransformadores tem o inconveniente de manter
eletricamente unidos os circuitos primário e secundário.
–  Se houver um rompimento nas bobinas no secundário a tensão do
primário fica igual a do secundário.
Tensão/Corrente Alternada (AC)
 
Tensão/corrente alternada
Corrente: i = Ip sen(wt)
Tensão: v = Vp sen(wt + ø)
Legenda:
v - tensão instantânea
i - corrente instantânea
Vp - tensão de pico
Ip - corrente de pico
f - freqüência
w - freqüência angular
t - tempo
ø - ângulo de fase
T - período (1 / f)
Valores de tensão/corrente gerados
 
Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada é o valor
equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma
dissipação de calor em um resistor.
 
A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante
um ciclo é dada por
2π
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt
0
 
A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na
mesma resistência é dada por:
P= R.I2.
i(t) = alternada
I = Constante
+
V
P= R.I2
R
-
≡
V
2π
P= (1/T)∫ R.i(t)2. dt
0
R
Valores de tensão/corrente gerados
 
Assim:
2π
R.I2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt => I = √ (1/T)∫ i(t)2. dt = √ i(t)2médio
0
 
A corrente I define a corrente alternada em função da razão
média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado
de “valor médio quadrado (vmq ou rms)” , Irms.
Irms =
√ i(t)2médio
i(t)2
ip(t)
i(t)2médio
√ i(t)2médio = Irms
i(t)
  Se i = i(t) = ipsen(ωt), em termos de potência: RI2 = (1/T)∫ R.i(t)2. dt,
Irms2 = (1/T)∫ ip2sen2(ωt) dt =>
Irms2 = (1/T) ip2 ∫sen2(ωt) dt =>
Irms2 = (1/T) ip2 ∫((1/2-1/2.cos(2ωt)) dt =>
Irms2 = (1/T) ip2 [ ((1/2.T-1/4.sen2(2π/T)) ] => Irms2 = ip(t)2/2
Irms = ip(t)/ √ 2
Valor Eficaz ou valor RMS
Valores de tensão gerados
 
Corrente e tensão eficazes:
Irms= ip(t)/√2
 
 
Vrms = Vp(t)/√2
Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo
(tensão de pico), ou seja, 70%.
Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, fazse referência ao seu valor eficaz.
–  A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro
representam seus valores eficazes.
–  Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS).
o  Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas.
Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para
alimentar nossos circuitos eletrônicos?
AC
220V
∼
Circuito retificador
∼
Vac
∼/±
+
-
DC
Vdc
Programa do curso
 
Introdução (conceitos)
 
–  Fonte de tensão
–  Fonte de Corrente
–  Resistores/capacitores (revisão)
 
 
Transistor bipolar
–  Polarização, amplificadores,
seguidor de emissor, ...
 
Famílias lógicas:
–  DL, DTL, TTL, CMOS
 
 
– 
– 
– 
– 
Diodos
–  Diodo de retificação
–  Diodo Zener
–  Aplicações
Amplificadores Operacionais e
aplicações
Conversões AD e DA
Instrumentação/ferramentas
Osciloscópio Digital
Fontes de alimentação
Gerador de funções
Multímetro Digital
 
Ferramenta de CAD (Multsim)
 
Laboratórios
Projetos do curso
Dois Exercícios escolares
 
 
Programa do curso
 
Aplicações/projetos
–  1a unidade
•  Fontes de alimentação
•  amplificador
–  2a Unidade
•  Conversores A/D e D/A
•  Interfaces
 
Projeto da disciplina
–  Casa Inteligente/granja
 
 
Avaliação
–  2 Unidades
–  Cada unidade:
•  1 exercício teórico
•  1 exercício prático
•  1 Projeto
•  Laboratórios (listas)
Referências
1. 
2. 
3. 
Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4a Edição, Pearson Education –
Makron Books, 2004.
Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad,
Loius Nashelsky, 8a edição, Pearson Education – Prentice Hall, 2004.
Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 4ª edição.
Retificação de tensão
 
 
Existem várias formas de retificação de onda alternada para
contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos
semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica
por seu corpo em uma só direção.
Dentre as formas de retificação podemos destacar:
–  Retificação de meia onda
–  Retificação de completa com tap central
–  Retificação de onda completa em ponte
Retificação de meia onda
Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo
valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com
uma componente não zero, é chamado retificador.
 
N1 : N 2
5:1
V1(rms)
V(volts)
0
∼ V2(rms)
∼
RL Vdc = ?
π
Vp
π
2π
α=ϖt
2π
α=ϖt
Retificação de meia onda
1N4001
N1 : N 2
5:1
V1 = 120V
rms
∼
∼
V2 = 24 V
RL Vdc = ?
rms
Tensão de pico no primário:
Vp1 = Vrms.√2 => (120.1,414) V = 170 V
Tensão de pico no secundário:
Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V
A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha:
f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms
Considere que o diodo é um diodo ideal
1N4001
N1 : N 2
5: 1
V1 = 120V
rms
∼
T = 16.7 ms
∼
V2 = 24 V
RL Vdc =10,8 V
rms
T/2
V(volts)
V1
V(volts)
Retificação em meia onda
T
V2
T = 16.7
34
= 16.7
170
t(ms)
- 34
t(ms)
- 170
O valor médio de uma função periódica é dado por
Vdc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área
da meia onda) dividido pela base (T= 2 π )
Vdc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π.
para meia onda (onda retificada):
T/2
Vdc=(1/T)∫ Vp sen(wt). dt = Vp/π = 0,318 Vp .
0
Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V
Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz
V(volts)
170
Fator de ondulação
= 16.7
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
t(ms)
- 170
1N4001
N1 : N 2
5:1
V1 = 120V∼
rms
T/2 T
∼
V2 = 24 V RL
rms
Vdc = Vp/π = 0,318 Vp = 10,8 V
Fator de Ondulação(F.O) é dado por:
tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(Vp /π) = π
Retificação de onda completa
 
 
Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é
equivalente a dois retificadores de meia onda.
O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador
superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o
semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.
N1 : N 2
5:1
+
1N4001
∼
V1 = 120V ∼
24 V
+
=12V
RL Vdc
∼
=12V
1N4001
As duas tensões V1 e v2 são idênticas
N1 : N 2
5:1
1N4001
(f2 = 120Hz)
17V
∼
RL Vdc=10,4V
V1 = 120V ∼
(f1 = 60Hz)
1N4001
diodo
- Tensão de pico no primário:
Vp1 = (120.1,414) V = 170 V
- Tensão de pico no secundário:
Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V (total)
- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário
tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V.
-  O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é
dado por:
Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp = 10,8V
A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:
f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/π) = π/2
Retificação de onda completa em ponte
 
 
Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que
diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um
trafo sem tap central (tomada central aterrada).
A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada
na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com
tomada central.
V1 = 120V
(6OhZ)
24 V
D1
∼
∼
D4
D2
D3
V
170V
34 V
Tensão reversa
-170V
+
-
+
Tensão reversa
D4
D1
∼
∼
34V
D2
D3
V
Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por:
Vp = 24/0.707 = 34 V
Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga
é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V
Vantagens deste modelo:
1.  saída em onda completa
2.  Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário
3.  Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário.
- 
O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por:
Vdc = 2.(Vp/π) = 0,636 Vp .Observe que a tensão de pico aqui é duas
vezes a tensão de pico na retificação com tap central.
Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora
é dada por:
f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação ≈ Vp/(2.Vp/π) = π/2
Comparação dos métodos de retificação
(Tap central)
Obs: Vp na retificação em ponte é igual ao dobro do valor
de Vp para as retificação meia onda e onda completa
com tap central.
Reduzindo Fator de ondulação - filtro
Tensão de
ondulação
Redução do F.O através da
introdução de um capacitor em
paralelo com a carga do circuito
Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)
Tp = tempo entre picos na tensão de saída
Funcionamento:
1.  Inicialmente o capacitor está descarregado.
2.  Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo
permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico.
3.  Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave
aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente
o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl).
4.  O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do
capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o
período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco
até o próximo ciclo.
Capacitor – curva de carga
 
Equação de carga do capacitor
V
Em t = RC
V0
Em t = 2RC
0,86V0
V0
V0
0,63 V0
V0
 
Equação de descarga do capacitor
Vo
V
Vo
T1-T2
Vmax
A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta
como na descarga do capacitor, dada por:
Vmin
A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:
Vr(pp) = Vmax-Vmin= Vmax (1- e -
(T2-T1)
RC
)
Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial
como
Assim,
Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então
a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por:
=> Vr(pp) = VmaxT/2RC=Vmax/2fRC
Fator de ondulação
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
Vmax
Vmin
Para um circuito com retificação de meia onda
Vr(pp) = Vmax/fRC
Circuito retificador em ponte
 
A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte
retificadora:
–  Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda
de tensão.
Vdc = Vp – 1.4V
–  Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos
estimar que:
Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2
Este é um valor médio utilizado na prática.
O valor de pico a pico da tensão de ondulação é menor que 10%
do valor de pico.
Circuito retificador em ponte
 
Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por:
–  ID= 0,5.IL
–  Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo.
–  Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga
máxima do circuito deveria ser de 2 A.
 
Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.
–  PIV = Vp2
 
Corrente de surto
–  Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o
capacitor está descarregado.
–  O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo
determinado.
•  Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de
surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.
•  Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários
ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.
Tutorial
 
Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:
–  Tensão: 9*1.414 = 12.76 V DC (Trafo: 220/18V (9V-0-9V))
–  Retificação onda completa com tap central
–  Corrente máxima = 100mA (plena carga)
 
Retificação:
–  Ondulação máxima menor que 5%Vmax
–  Considerar apenas a retificação com capacitores
 
Obs:
–  Utilizar a retificação onda completa
–  Demonstrar projeto no Multsim
 
Material disponível
– 
– 
– 
– 
Transformador 220/18 V (com tap central (9V-0V-9V))
Diodos retificadores 1N4001
Capacitor (a ser especificado)
Carga para teste
Cálculos
 
Cálculo dos componentes:
–  Capacitor retificador:
Dado que o valor de ripple é 5% do valor de pico, temos que:
Vr(pp)=Vmax/2fRC
Vr(pp)= 5% de Vmax => Vr(pp) = 0.635V
Assim, o valor da capacitância da fonte pode ser dado por:
C = Vmax/(2fRVr(pp))
Onde:
f= 60 Hz
R(carga máxima) V/I = (12.76/100*10-3)Ω = 127.6 Ω
Vmax = 12.76V
Daí:
C = 12.76/(2*60*127.6*0.635) = 0.001312 F ≅ 1312 µF
* Utilizamos o valor comercial de 1500µF
Conversão AC – DC - Exemplo
Inversão de fase
Conversão AC - DC
Vr(pp)
Canal B
(ripple)
Canal B
Canal A
Revisão
http://wiki.cecm.usp.br/wiki/Integral_do_quadrado_de_seno