161012_eletronica

EletrnicaRodrigo Cardozo Fuentes

2011Santa Maria - RS

RIO GRANDEDO SUL

INSTITUTOFEDERAL

Presidncia da Repblica Federativa do Brasil

Ministrio da Educao

Secretaria de Educao a Distncia

Comisso de Acompanhamento e ValidaoUniversidade Federal de Santa Catarina/UFSC

Coordenao InstitucionalAraci Hack Catapan/UFSC

Coordenao do ProjetoSilvia Modesto Nassar/UFSC

Cordenao de Design InstrucionalBeatriz Helena Dal Molin/UNIOESTE

Designers IntrucionaisHelena Maria Maullmann/UFSCJorge Luiz Silva Hermenegildo/CEFET-SC

WEB DesignersBeatriz Helena Dal Molin/UNIOESTEMrcia Freire Rocha Cordeiro Machado/ETUFPR

Superviso de Projeto GrficoAna Carine Garca Montero/UFSC

DiagramaoJoo Ricardo Zattar/UFSCLus Henrique Lindler/UFSC

RevisoLcia Locatelli Flres/UFSC

Equipe de ElaboraoColgio Tcnico Industrial de Santa Maria/CTISM

Coordenador InstitucionalPaulo Roberto Colusso/CTISM

Professor-autorRodrigo Cardozo Fuentes/CTISM

Coordenao TcnicaIza Neuza Teixeira Bohrer/CTISM

Coordenao de DesignErika Goellner/CTISM

Reviso PedaggicaAndressa Rosemrie de Menezes Costa/CTISMFrancine Netto Martins Tadielo/CTISMMarcia Migliore Freo/CTISM

Reviso TextualLourdes Maria Grotto de Moura/CTISMVera da Silva Oliveira/CTISM

Reviso TcnicaEduardo Lehnhart Vargas/CTISM

Ilustrao e DiagramaoGustavo Schwendler/CTISMLeandro Felipe Aguilar Freitas/CTISMMarcel Santos Jacques/CTISMMuren Fernandes Massia/CTISMRafael Cavalli Viapiana/CTISMRicardo Antunes Machado/CTISM

Ficha catalogrfica elaborada por Maristela Eckhardt CRB 10/737Biblioteca Central UFSM

Colgio Tcnico Industrial de Santa MariaEste Caderno foi elaborado em parceria entre o Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria e a Universidade Federal de Santa Catarina para o Sistema Escola Tcnica Aberta do Brasil e-Tec Brasil.

F954e Fuentes, Rodrigo CardozoEletrnica / Rodrigo Cardozo Fuentes. 3. ed. Santa

Maria : Universidade Federal de Santa Maria, Colgio TcnicoIndustrial de Santa Maria, Curso Tcnico em AutomaoIndustrial, 2009.

83 p. : il. ; 21 cm.

1. Eletrnica 2. Fsica dos materiais 3. Circuitos eletrnicos4. Programa Escola Aberta do Brasil I. Universidade Federalde Santa Maria. Curso Tcnico em Automao Industrial.

CDU 621.38

e-Tec Brasil3

Apresentao e-Tec Brasil

Prezado estudante,

Bem-vindo ao e-Tec Brasil!

Voc faz parte de uma rede nacional pblica de ensino, a Escola Tcnica

Aberta do Brasil, instituda pelo Decreto n 6.301, de 12 de dezembro 2007,

com o objetivo de democratizar o acesso ao ensino tcnico pblico, na mo-

dalidade a distncia. O programa resultado de uma parceria entre o Minis-

trio da Educao, por meio das Secretarias de Educao a Distncia (SEED)

e de Educao Profissional e Tecnolgica (SETEC), as universidades e escolas

tcnicas estaduais e federais.

A educao a distncia no nosso pas, de dimenses continentais e gran-

de diversidade regional e cultural, longe de distanciar, aproxima as pessoas

ao garantir acesso educao de qualidade, e promover o fortalecimento

da formao de jovens moradores de regies distantes dos grandes centros

geograficamente ou economicamente.

O e-Tec Brasil leva os cursos tcnicos a locais distantes das instituies de en-

sino e para a periferia das grandes cidades, incentivando os jovens a concluir

o ensino mdio. Os cursos so ofertados pelas instituies pblicas de ensino

e o atendimento ao estudante realizado em escolas-polo integrantes das

redes pblicas municipais e estaduais.

O Ministrio da Educao, as instituies pblicas de ensino tcnico, seus

servidores tcnicos e professores acreditam que uma educao profissional

qualificada integradora do ensino mdio e educao tcnica, capaz de

promover o cidado com capacidades para produzir, mas tambm com auto-

nomia diante das diferentes dimenses da realidade: cultural, social, familiar,

esportiva, poltica e tica.

Ns acreditamos em voc!

Desejamos sucesso na sua formao profissional!

Ministrio da Educao

Janeiro de 2010

Nosso contato

[email protected]

e-Tec Brasil5

Indicao de cones

Os cones so elementos grficos utilizados para ampliar as formas de

linguagem e facilitar a organizao e a leitura hipertextual.

Ateno: indica pontos de maior relevncia no texto.

Saiba mais: oferece novas informaes que enriquecem o assunto ou curiosidades e notcias recentes relacionadas ao

tema estudado.

Glossrio: indica a definio de um termo, palavra ou expresso utilizada no texto.

Mdias integradas: sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mdias: vdeos,

filmes, jornais, ambiente AVEA e outras.

Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes nveis de aprendizagem para que o estudante possa

realiz-las e conferir o seu domnio do tema estudado.

e-Tec Brasil7

Sumrio

Palavra do professor-autor 9

Apresentao da disciplina 11

Projeto institucional 13

Aula 1 Introduo eletrnica 15

Aula 2 Fsica dos materiais 192.1 A estrutura do tomo 19

2.2 Materiais condutores 20

2.3 Materiais isolantes 20

2.4 Material semicondutor 20

2.5 Estudo dos semicondutores 21

2.6 Impurezas 22

Aula 3 O diodo semicondutor 273.1 O diodo semicondutor de juno 27

3.2 Polarizao do diodo 29

3.3 Curva caracterstica de um diodo 30

3.4 Especificaes de um diodo 31

Aula 4 Circuitos retificadores 334.1 Onda senoidal 33

4.2 Circuito retificador de meia onda 35

4.3 Circuito retificador de onda completa 36

4.4 Circuito retificador de onda completa em ponte 38

Aula 5 Tipos especiais de diodos 415.1 Diodo emissor de luz 41

5.2 Fotodiodo 42

5.3 Diodo zener 43

Aula 6 Fontes de alimentao 476.1 O transformador 47

6.2 Circuitos retificadores 49

Eletrnicae-Tec Brasil 8

6.3 O capacitor de filtragem 50

6.4 Regulador de tenso com diodo zener 55

Aula 7 O transistor bipolar 577.1 Funcionamento do transistor bipolar 58

7.2 Transistor no polarizado 59

7.3 Polarizao do transistor NPN 59

7.4 Polarizao do transistor PNP 61

7.5 Montagem bsica com transistor 62

7.6 O modelo de Ebers-Moll 64

7.7 Polarizao em corrente contnua de transistores 65

7.8 O transistor operando como chave 68

7.9 O transistor operando como fonte de corrente 69

7.10 O transistor operando como amplificador 69

Aula 8 Tiristores 758.1 A estrutura PNPN 75

8.2 SCR 76

8.3 TRIAC 78

8.4 Acionando o gatilho dos tiristores 79

Aula 9 Introduo aos circuitos integrados 819.1 Classificao dos circuitos integrados 82

9.2 Tipos de encapsulamento dos CIs 84

Referncias 90

Currculo do professor-autor 91

e-Tec Brasil9

Palavra do professor-autor

So evidentes a evoluo e a melhoria na qualidade de vida das sociedades

nestes ltimos cinquenta anos. Dentre as razes dessa evoluo destacam-

se as reas relacionadas tecnologia como telecomunicaes, informtica,

diagnsticos atravs de imagens na medicina e a automao industrial como

grande alavanca dos sistemas produtivos e da qualidade. Essa evoluo tem

como base a eletrnica, que proporcionou as condies necessrias para a

atual revoluo tecnolgica. Destaca-se a inveno do transistor semicondu-

tor em 1947, considerada uma das maiores do sculo XX, que possibilitou

a produo de equipamentos portteis alimentados por pilhas e baterias.

Podemos citar como exemplo o velho radinho transistorizado. Destaca-se

ainda a inveno do circuito integrado, que proporcionou grandes avanos

na miniaturizao e na confiabilidade dos equipamentos eletrnicos, de fun-

damental importncia na rea da microeletrnica.

Neste curso de eletrnica bsica vamos apresentar os fundamentos bsicos

da eletrnica, para possibilitar ao educando o ingresso no mundo fascinante

dos materiais semicondutores. Nosso estudo inicia-se na fsica dos semicon-

dutores, evoluindo para os primeiros dispositivos como os diodos, transisto-

res, tiristores e circuitos integrados. Em cada unidade so desenvolvidas as

teorias dos circuitos eletrnicos pertinentes e necessrias a cada assunto e,

para tanto, fundamental a compreenso dos princpios da eletricidade e

de suas leis.

Caro estudante, nosso objetivo proporcionar a voc uma nova viso sobre

a eletrnica, possibilitando-lhe percorrer um caminho cheio de novidades,

desafios, desenvolvendo as suas habilidades neste campo da tecnologia.

Rodrigo Cardozo Fuentes

e-Tec Brasil11

Apresentao da disciplina

Este material didtico constitui a base terica do estudo da disciplina de Ele-

trnica. Na aula 1, vamos estudar o que a Eletrnica e alguns dos principais

fatos histricos que marcaram a evoluo da Eletrnica at a atualidade. Na

aula 2, estudaremos a estrutura atmica, as partculas eltricas bsicas e as

caractersticas dos materiais condutores, isolantes e semicondutores. Na aula

3, estudaremos o diodo de juno semicondutor que o componente mais

simples da Eletrnica, mas de grande importncia para a compreenso dos

dispositivos mais complexos. Na aula 4, ser estudada uma das principais

aplicaes dos diodos semicondutores, trata do processo de retificao da

energia eltrica. Na aula 5, sero estudados trs tipos especiais de diodos

com ampla aplicao prtica nos equipamentos eletrnicos. Na aula 6, va-

mos estudar a forma adequada de suprir os circuitos eletrnicos com energia

eltrica, garantindo o seu correto funcionamento. Na aula 7, estudaremos

uma das maiores invenes do sculo XX, que impulsionou toda a evoluo

da Eletrnica: o transistor semicondutor. Na aula 8, vamos estudar uma fa-

mlia de componentes semicondutores de estrutura um pouco mais comple-

xa, apresentando at quatro camadas semicondutoras que so os chamados

tiristores. Por fim, na aula 9, estudaremos as principais caractersticas dos

circuitos integrados, tambm chamados de microchips, componentes que

esto presentes em inmeros equipamentos de nosso dia a dia.

O tema Eletrnica no se esgota nas unidades abordadas neste caderno.

Portanto, fundamental a consulta bibliografia especfica para um maior

aprofundamento do assunto.

e-Tec Brasil13

Disciplina: Eletrnica (carga horria: 60h).

Ementa: Introduo eletrnica, fsica dos materiais, diodo semicondutor, circuitos retificadores, tipos especiais de diodos, fontes de alimentao, tran-

sistor bipolar, tiristores e introduo aos circuitos integrados.

AULA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM MATERIAISCARGA

HORRIA(horas)

1. Introduo eletrnica

Compreender o conceito de eletrnica.Conhecer as principais descobertas que contriburam para a evoluo da eletrnica.Conhecer algumas aplicaes prticas da eletrnica.

Ambiente virtual: plataforma moodle.Apostila didtica.Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila.

04

2. Fsica dos materiais

Compreender a estrutura do tomo e suas partculas elementares. Reconhecer as caractersticas dos materiais condutores, isolantes e semicondutores de eletricidade.Compreender os processos de dopagem de semicondutores com a inteno de produzir cristais eletricamente polarizados.


04

3. O diodo semi-condutor

Compreender a estrutura bsica do diodo semicondutor de juno. Reconhecer as curvas caractersticas de operao do diodo semicondutor de juno.Empregar os termos tcnicos adequados e os dados necessrios a especificao do diodo semicondutor.


04

4. Circuitosretificadores

Compreender o processo de transformao da corrente alternada em corrente contnua pela aplicao dos diodos semicondutores. Reconhecer os tipos de processos de retificao e suas respectivas caractersticas.Empregar corretamente as equaes matemticas que descrevem os processos de retificao.


04

Projeto instrucional

AULA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM MATERIAISCARGA

HORRIA(horas)

5. Tipos especiais de diodos

Conhecer novos componentes eletrnicos baseados no diodo semicondutor de juno. Compreender as suas aplicaes prticas. Aplicar corretamente as equaes matemticas pertinentes ao dimensionamento e operao destes componentes.


08

6. Fontes de alimentao

Compreender a operao e os principais componentes das fontes de alimentao.Aplicar corretamente as equaes matemticas que descrevem a operao dos circuitos eletrnicos.Compreender e aplicar corretamente as leis fundamentais da eletricidade, do magnetismo e do eletromagnetismo.


10

7. O Transistor bipolar

Conhecer o transistor de juno bipolar, componente que revolucionou a tecnologia. Compreender o funcionamento e a operao do transistor em diversas aplicaes prticas.Aplicar corretamente as leis e as equaes que descrevem a operao do transistor nos circuitos eletrnicos.


10

8. Tiristores

Conhecer os tiristores, que so dispositivos eletrnicos formados por quatro camadas semicondutoras. Compreender o processo de conduo e disparo dos tiristores. Conhecer as principais aplicaes desses componentes, relacionadas automao industrial.


08

9. Introduo aos circuitos integrados

Conhecer os circuitos integrados ou microchips e as suas vantagens quando utilizados em equipamentos mais complexos. Conhecer a classificao dos microchips quanto aplicao, grau de integrao e forma de encapsulamento.


08

Eletrnicae-Tec Brasil 14

e-Tec Brasil

Aula 1 Introduo eletrnica

Objetivos da aula

Compreender o conceito de eletrnica.

Conhecer as principais descobertas que contriburam para a evo-

luo da eletrnica.

Conhecer algumas aplicaes prticas da eletrnica.

Nesta aula vamos estudar o que a eletrnica e alguns dos principais fatos

histricos que marcaram a evoluo da eletrnica at a atualidade.

Eletrnica o campo da cincia e da engenharia que estuda a forma de

controlar a energia eltrica atravs de dispositivos e meios condutores ou

semicondutores. A compreenso dos conceitos fundamentais da eletrnica,

dos principais dispositivos e circuitos edifica a base tcnica necessria for-

mao do tcnico industrial. A seguir elencaremos uma srie de fatos que

contriburam para o atual estgio da eletrnica.

A eletrnica tem como um dos marcos iniciais a descoberta dos raios cat-

dicos por Hittorf em 1869 e, com a verificao, em 1886, da existncia dos

raios positivos cujo estudo logo revelou a sua natureza corpuscular. A teoria

eletromagntica de Maxwell previa, por meio de clculos, a existncia de

ondas eletromagnticas. Hertz as detectou e estudou em 1888. A deteco

dessas ondas tornou-se fcil graas ao chamado coerenciador de Branly. Em

1895, Popov inventou a antena, o que permitiu a Marconi a realizao, no

mesmo ano, de uma transmisso de sinais de telegrafia sem fio (TSF) atravs

de uma distncia de vrias dezenas de quilmetros. Pode-se dizer que essa

foi a primeira aplicao prtica da eletrnica. A inveno das vlvulas eletr-

nicas, o diodo (Fleming, 1904) e o triodo (Lee De Forest, 1906) permitiram

a produo permanente de ondas, sua amplificao, sua modulao e sua

recepo, tornando possvel a radiodifuso. O emprego de clulas fotoel-

http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica#Hist.C3.B3rico

e-Tec Brasil15Aula 1 - Introduo eletrnica

tricas e o oscilgrafo de raios catdicos, inventado em 1897 por Braun, per-

mitiram a criao do cinema falado, da televiso, do microscpio eletrnico,

do radar e de outros.

Atualmente, so as novas invenes da tecnologia as condicionantes do de-

senvolvimento da eletrnica. A fase da miniaturizao dos equipamentos

comearam aps a descoberta do transistor por Bardeen, Brattain e Shockley

em 1947 e a utilizao dos semicondutores (Figura 1.1). Nos anos 60, de-

senvolveu-se a fabricao de vrios transistores em um mesmo substrato

de silcio, os chamados wafers (Figura 1.1). Surge, ento, a integrao de componentes eletrnicos em larga escala, diminuindo o tamanho e o custo

dos equipamentos, e aumentando consideravelmente a sua confiabilidade.

O desenvolvimento da integrao permitiu a implantao, sobre uma s pea

de silcio, de sistemas mais complexos, assim como a diminuio dos custos.

Isso explica a revoluo tecnolgica iniciada ao longo dos anos 70, com o

aparecimento dos microprocessadores. No incio dos anos 80, desenvolve-

se uma nova fase com o tratamento automtico da palavra, que confere s

mquinas voz (sntese automtica) e audio (reconhecimento automtico),

ao passo que os avanos realizados nos reconhecimentos de formas levam

feitura de mquinas de capacidade anloga do olho humano.

A aplicao da eletrnica estende-se a numerosas tcnicas e campos: udio,

vdeo, informtica, telecomunicaes, tratamento de sinais, eletrnica mdi-

ca, automao, eletrodomsticos, entretenimento, etc.

Figura 1.1: Wafer e cilindro de silcio puroFonte: http://www.fxconsult.com.br

e-Tec Brasil Eletrnica16

ResumoNessa aula estudamos o conceito de eletrnica, os principais fatos histricos

que contriburam para a sua evoluo da eletrnica e alguns exemplos de

aplicao prtica.

Atividades de aprendizagem1. O que eletrnica?

2. Qual a importncia da eletrnica na sua vida cotidiana?

3. Qual o principal elemento qumico utilizado atualmente na eletrnica?

4. Qual a descoberta que possibilitou a miniaturizao e o desenvolvimento de equipamentos eletrnicos portteis?

e-Tec BrasilAula 1 - Introduo eletrnica 17

e-Tec Brasil

Aula 2 Fsica dos materiais

Objetivos

Compreender a estrutura do tomo e suas partculas elementares.

Reconhecer as caractersticas dos materiais condutores, isolantes e

semicondutores de eletricidade.

Compreender os processos de dopagem de semicondutores com a

inteno de produzir cristais eletricamente polarizados.

A estrutura atmica e a compreenso das partculas eltricas bsicas so

fundamentais para o entendimento da Eletrnica. Nesta aula vamos conhe-

cer essas partculas e as caractersticas dos materiais condutores, isolantes e

semicondutores. Vamos compreender o processo que transforma um cristal

semicondutor puro em um cristal com cargas eltricas positivas ou negativas,

constituindo assim, a base para o desenvolvimento de toda a Eletrnica.

2.1 A estrutura do tomo O tomo formado basicamente por trs tipos de partculas elementares:

eltrons, prtons e nutrons (Figura 2.1). A carga do eltron de polaridade

negativa, enquanto a do prton positiva. Os eltrons giram em torno do

ncleo distribuindo-se em diversas camadas, num mximo de sete. Em cada

tomo, a camada mais externa chamada de valncia, e geralmente ela

que participa das reaes qumicas. Todos os materiais encontrados na na-

tureza so formados por diferentes tipos de tomos, diferenciados entre si

pelos seus nmeros de prtons, eltrons e nutrons. Cada material tem uma

infinidade de caractersticas, mas em Eletrnica uma especial: o compor-

tamento quanto passagem de corrente eltrica. Em relao a esta caracte-

rstica pode-se dividir os materiais em trs tipos: os condutores, os isolantes

e os semicondutores.

e-Tec Brasil19Aula 2 - Fsica dos materiais

Figura 2.1: tomoFonte: CTISM

2.2 Materiais condutoresSo materiais que permitem com facilidade a passagem de corrente eltrica.

Quanto mais fcil for a passagem de corrente eltrica, melhor condutor o

material. O que caracteriza o material como um bom condutor o fato de

os eltrons de valncia estarem fracamente ligados ao tomo, encontrando

grande facilidade para abandonar seus tomos e se movimentarem livre-

mente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um

eltron na camada de valncia tem facilidade de ced-lo para ganhar estabi-

lidade. O eltron cedido torna-se um eltron livre.

2.3 Materiais isolantes So materiais que possuem uma resistividade eltrica muito alta, bloque-

ando a passagem da corrente eltrica. Os eltrons de valncia esto rigi-

damente ligados aos seus tomos, sendo que poucos eltrons conseguem

desprender-se de seus tomos para se transformarem em eltrons livres.

Consegue-se um maior efeito isolante nas substncias compostas como a

borracha, a mica , a baquelite, os termoplsticos, etc.

2.4 Material semicondutor Materiais isolantes podem conduzir eletricidade?Os semicondutores so materiais que apresentam uma resistividade eltri-


ca intermediria podendo apresentar caractersticas de isolante e condutor.

Como exemplos tm-se o germnio e o silcio. So estes os materiais de

maior importncia na Eletrnica atual, pois a partir deles so obtidos diversos

dispositivos que sero estudados neste curso.

2.5 Estudo dos semicondutores Os tomos de germnio e silcio tm uma camada de valncia com quatro

eltrons. Quando os tomos de germnio (ou silcio) agrupam-se entre si,

formam uma estrutura cristalina (Figura 2.2), ou seja, so substncias cujos

tomos se posicionam no espao, formando uma estrutura ordenada. Nessa

estrutura, cada tomo busca a sua estabilidade, unindo-se a quatro outros

tomos vizinhos. Atravs de ligaes covalentes, cada um dos quatro el-

trons de valncia de um tomo compartilhado com um tomo vizinho, de

modo que dois tomos adjacentes compartilham os dois eltrons.

Figura 2.2: Estrutura cristalinaFonte: CTISM

e-Tec BrasilAula 2 - Fsica dos materiais 21

Figura 2.3: Formao de um eltron livre e de uma lacuna Fonte: CTISM

Com a quebra das ligaes covalentes, no local onde havia um eltron de va-

lncia, passa a existir uma regio com carga positiva, uma vez que o tomo

era neutro e um eltron o abandonou. Essa regio positiva recebe o nome

de lacuna, sendo tambm conhecida como buraco (Figura 2.3). As lacunas

no tm existncia real, pois so apenas espaos vazios provocados por el-

trons que abandonam as ligaes covalentes rompidas. Sempre que uma

ligao covalente rompida, surge simultaneamente um eltron livre e uma

lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um eltron preencher o lugar de

uma lacuna, completando a ligao covalente (processo de recombinao).

Tanto os eltrons como as lacunas sempre surgem e desaparecem aos pares.

Pode-se afirmar que o nmero de lacunas sempre igual ao de eltrons

livres. Quando o cristal de silcio ou germnio submetido a uma diferena

de potencial, os eltrons livres se movem em direo ao polo positivo e as

lacunas por consequncia se movem em direo ao polo negativo.

2.6 Impurezas Os cristais de silcio ou germnio so encontrados na natureza misturados

com outros elementos. Por causa da dificuldade de se controlarem as ca-

ractersticas desses cristais realiza-se um processo de purificao do cristal.

Em seguida, so injetadas impurezas na ordem de uma para cada milho de


tomos do cristal, com a inteno de alterar a produo de eltrons livres e

lacunas. A este processo de insero d-se o nome de dopagem. As impu-

rezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois

tipos: impurezas doadoras e impurezas aceitadoras.

2.6.1 Impureza doadora So adicionados tomos pentavalentes (com cinco eltrons na camada de

valncia. Ex.: Fsforo e antimnio). O tomo pentavalente entra no lugar de

um tomo de silcio dentro do cristal, absorvendo as suas quatro ligaes

covalentes; fica um eltron fracamente ligado ao ncleo do pentavalente

(uma pequena energia suficiente para torn-lo livre).

2.6.2 Impureza aceitadora So adicionados tomos trivalentes (tem trs eltrons na camada de valn-

cia. Ex.: Boro, alumnio e glio) ao cristal semicondutor. O tomo trivalente

entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal, absorvendo trs das

suas quatro ligaes covalentes. Isso significa que existe uma lacuna na rbi-

ta de valncia de cada tomo trivalente.

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de eltrons livres ou

excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:

a) Semicondutor tipo N o cristal que foi dopado com impureza doadora chamado semicondutor tipo N, onde N est relacionado com negativo.

Como os eltrons livres excedem em nmero s lacunas num semicon-

dutor tipo N, os eltrons so chamados portadores majoritrios e as

lacunas, portadores minoritrios (Figura2.4).

http://pt.wikipedia.org/wiki/ Dopagem_eletr%C3%B4nica


Figura 2.4: Cristal tipo NFonte: CTISM

b) Semicondutor tipo P o cristal que foi dopado com impureza aceitado-ra chamado semicondutor tipo P, onde P est relacionado com positivo.

Como as lacunas excedem em nmero os eltrons livres num semicondu-

tor tipo P, as lacunas so chamadas portadores majoritrios e os eltrons

livres, portadores minoritrios (Figura2.5).

Figura 2.5: Cristal tipo PFonte: CTISM


ResumoNessa aula estudamos a fsica dos materiais, identificando as principais par-

tculas que compem o tomo e suas respectivas caractersticas eltricas.

Identificamos as caractersticas dos materiais isolantes, condutores e semi-

condutores. No estudo dos materiais semicondutores, compreendemos o

processo de dopagem que confere ao cristal uma polaridade positiva ou

negativa. Estes cristais polarizados tm relevante interesse para a eletrnica,

pois formam a base de todos os dispositivos eletrnicos. Nas prximas aulas

estudaremos diversos dispositivos eletrnicos e alguns de seus circuitos de

aplicao.

Atividades de aprendizagem 1. Quais so as partculas eletricamente carregadas de um tomo?

2. O que caracteriza um material condutor?

3. O que caracteriza um material no condutor?

4. O que caracteriza um material semicondutor?

5. O que uma estrutura cristalina?

6. O que o processo de dopagem de semicondutores?

7. Como se obtm um cristal semicondutor tipo N?

8. Como se obtm um cristal semicondutor tipo P?


e-Tec Brasil

Aula 3 O diodo semicondutor

Objetivos

Compreender a estrutura bsica do diodo semicondutor de juno.

Reconhecer as curvas caractersticas de operao do diodo semi-

condutor de juno.

Empregar os termos tcnicos adequados e os dados necessrios a

especificao do diodo semicondutor.

O diodo de juno semicondutor o componente mais simples da eletr-

nica. formado pela unio de dois cristais eletricamente polarizados. Nesta

aula vamos estudar este importante componente. Vamos compreender tam-

bm a sua operao em um circuito eltrico, em que capaz de controlar de

forma direcional o fluxo de corrente eltrica.

3.1 O diodo semicondutor de juno Com a unio de um cristal tipo P e um cristal tipo N, obtm-se uma juno

PN, que um dispositivo de estado slido simples: o diodo semicondutor de

juno (Figura 3.1).

Figura 3.1: Estrutura bsica de um diodo semicondutor de junoFonte: CTISM

e-Tec Brasil27Aula 3 - O diodo semicondutor

Devido repulso mtua entre os eltrons livres do lado N, os eltrons espa-lham-se em todas as direes. Alguns atravessam a juno e se combinam

com as lacunas (Figura 3.2). Cada vez que um eltron atravessa a juno, cria

um par de ons, a lacuna desaparece, e o tomo associado torna-se carre-

gado negativamente (um on negativo), enquanto o tomo do cristal N que

perdeu o eltron, torna-se um on positivo.

Figura 3.2: Combinaes de eltrons livres e lacunasFonte: CTISM

Os ons esto fixos na estrutura do cristal por causa da ligao covalente.

medida que o nmero de ons aumenta, a regio prxima juno fica sem

eltrons livres e sem lacunas. Chamamos essa regio de zona de depleo

(Figura 3.3).

Figura 3.3: Zona de depleoFonte: CTISM

Materiais isolantes podem conduzir eletricidade?Alm de certo ponto, a zona de depleo age como uma barreira, impe-

dindo a continuao da difuso dos eltrons livres. A intensidade da zona


de depleo aumenta com cada eltron que atravessa a juno, at que se

atinja um equilbrio. A diferena de potencial atravs da zona de depleo

chamada de barreira de potencial. Na temperatura de 25C, esta barreira

de 0,7V para o silcio e 0,3V para o germnio. O smbolo mais usual para o

diodo mostrado na Figura 3.4.

Figura 3.4: Smbolo do diodoFonte: CTISM

3.2 Polarizao do diodo Polarizar um diodo significa aplicar uma diferena de potencial s suas extre-

midades. Se conectarmos uma bateria aos terminais do diodo, haver uma

polarizao direta, caso o polo positivo da bateria for colocado em contato

com o material tipo P, e o polo negativo em contato com o material tipo N.

3.2.1 Polarizao diretaNo material tipo N os eltrons so repelidos pelo polo negativo da bateria

e empurrados para a juno. No material tipo P, as lacunas tambm so re-

pelidas pelo terminal positivo e tendem a penetrar na juno. Isso diminui a

zona de depleo. Para haver fluxo livre de eltrons, a tenso da bateria tem

de sobrepujar o efeito da zona de depleo. ento estabelecido um fluxo

de corrente eltrica atravs do dispositivo.

3.2.2 Polarizao reversaInvertendo-se as conexes entre a bateria e a juno PN, isto , ligando o polo

positivo da bateria no material tipo N e o polo negativo no material tipo P, a

juno fica polarizada inversamente. No material tipo N os eltrons so atra-

dos para o terminal positivo, afastando-se da juno. Fato anlogo ocorre

com as lacunas do material do tipo P. Podemos dizer que, nesta condio, o

potencial eltrico da bateria aumenta a zona de depleo, tornando pratica-

mente impossvel o deslocamento de eltrons de um cristal para o outro.

e-Tec BrasilAula 3 - O diodo semicondutor 29

3.3 Curva caracterstica de um diodo A curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor

da tenso aplicada com a respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo

(Figura 3.5).

Figura 3.5: Curva caracterstica do diodo semicondutorFonte: CTISM

3.3.1 Curva na polarizao diretaA curva de operao do diodo no uma reta como no caso de um resistor,

portanto o diodo um componente no linear (Figura 3.6).

Figura 3.6: Polarizao direta do diodoFonte: CTISM

a) Tenso de joelho aplicando-se a polarizao direta, o diodo no con-duz intensamente at que se ultrapasse a barreira de potencial. medida

que a tenso aplicada no diodo aproxima-se do potencial da barreira, os

eltrons livres e as lacunas comeam a atravessar a juno em grandes

quantidades. A tenso para a qual a corrente comea a aumentar rapida-

mente chamada de tenso joelho (no silcio aproximadamente 0,7 V).

http://pt.wikipedia.org/wiki/ Dopagem_eletr%C3%B4nica


3.3.2 Curva na polarizao reversa do diodo O diodo polarizado reversamente conduz uma corrente eltrica extrema-

mente pequena (corrente de fuga). Aumentando-se a tenso reversa apli-

cada sobre o diodo, em um determinado momento, atinge-se a tenso de

ruptura a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente, causando a des-

truio do diodo semicondutor (Figura 3.7).

Figura 3.7: Polarizao reversa do diodo Fonte: CTISM

3.4 Especificaes de um diodo Para a correta especificao de um diodo so fundamentais dois parmetros:

IFAV Corrente mdia mxima em conduo direta (A).

URRM Mxima tenso reversa repetitiva de pico (V).

A no observncia destes parmetros nos circuitos eletrnicos causa a des-

truio do componente. Veja na Figura 3.8 um exemplo de especificao de

um diodo.

e-Tec BrasilAula 3 - O diodo semicondutor 31

Figura 3.8: Diodo de baixa potnciaFonte: commons.wikimedia.org

ResumoNessa aula estudamos o diodo semicondutor de juno. Foi possvel obser-

var que se trata do dispositivo mais simples da Eletrnica, pois formado

pela juno de apenas dois cristais com polaridades opostas. Apesar de sua

simplicidade, amplamente utilizado, j que tem como caracterstica con-

trolar o fluxo de corrente eltrica atravs de sua juno, permitindo assim

a circulao de corrente eltrica apenas no sentido de nodo para ctodo.

Na aula seguinte estudaremos os circuitos retificadores que so as principais

aplicaes dos diodos semicondutores de juno.

Atividades de aprendizagem1. O que um diodo semicondutor de juno?

2. Como chamado o terminal positivo do diodo?

3. Como chamado o terminal negativo do diodo?

4. O que zona de depleo?

5. O que a polarizao de um diodo?

6. Qual o comportamento do diodo quando diretamente polarizado?

7. Qual o comportamento do diodo quando reversamente polarizado?

8. Quais os principais parmetros na especificao de um diodo?


e-Tec Brasil

Aula 4 Circuitos retificadores

Objetivos

Compreender o processo de transformao da corrente alternada

em corrente contnua pela aplicao dos diodos semicondutores.

Reconhecer os tipos de processos de retificao e suas respectivas

caractersticas.

Empregar corretamente as equaes matemticas que descrevem

os processos de retificao.

comum em circuitos eletrnicos o uso de baterias como forma de prover

energia eltrica. Entretanto, a utilizao da energia eltrica em corrente al-

ternada nas residncias e indstrias uma alternativa econmica mais vivel.

Para a utilizao dessa forma de energia, torna-se necessrio um circuito

que converta a tenso alternada em tenso contnua, de forma compatvel

com os circuitos eletrnicos. O diodo um componente fundamental nessa

transformao.

4.1 Onda senoidal A onda senoidal um sinal eltrico produzido em todos os geradores de

energia eltrica em corrente alternada. a mesma tenso disponvel em

qualquer tomada de energia residencial ou industrial (Figura 4.1).

e-Tec Brasil33Aula 4 - Circuitos retificadores

Figura 4.1: Onda senoidalFonte: CTISM

Frequncia angular a taxa de variao temporal de algum ngulo = 2..f

A equao 4.1 representa a onda senoidal.

Onde:

u(t) = tenso instantnea (V)

UP = tenso de pico (V)

= velocidade angular (rad/s)

= ngulo de defasagem (rad)

f = frequncia (Hz)

Algumas maneiras de se referir aos valores da onda:

Valor de pico UP Valor mximo que a onda atinge em um perodo;

Valor de pico a pico (UPP) Diferena entre o mximo e mnimo que a onda atinge UPP = UP - (- UP) = 2 UP

Valor eficaz (Urms) (Root Mean Square) Valor indicado pelo voltmetro quando na escala de corrente alternada (CA).


A relao entre tenso de pico e tenso eficaz representada pela equao 4.2.

Valor mdio a quantidade indicada em um voltmetro quando na es-

cala de corrente contnua (CC). O valor mdio utilizado para grandezas

expressas em CC.

4.2 Circuito retificador de meia onda O circuito retificador de meia onda converte a tenso de entrada CA numa

tenso contnua pulsante. Esse processo de converso de CA para CC co-

nhecido como retificao (Figura 4.2).

Figura 4.2: Circuito retificador de meia ondaFonte: CTISM

Durante o semiciclo positivo, o diodo est ligado no sentido direto e age

como uma chave fechada. Pela lei das malhas, toda a tenso da fonte in-

cide sobre a carga. Durante o semiciclo negativo, o diodo est polarizado

reversamente e no h corrente circulando no circuito. Sem corrente eltrica

circulando, no h tenso sobre o resistor, e toda a tenso da fonte apli-

cada sobre o diodo. Este circuito conhecido como retificador de meio ciclo

porque somente o semiciclo positivo estar presente na carga (Figura 4.3).

e-Tec BrasilAula 4 - Circuitos retificadores 35

Figura 4.3: Tenso retificada na cargaFonte: CTISM

O resistor R indicado no circuito representa a carga hmica acoplada ao re-

tificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo

e, normalmente chamado de resistor de carga, ou simplesmente de carga.

a) Valor CC ou valor mdio a tenso mdia de um retificador de meia onda medida por um voltmetro, calculada pela equao 4.3:

4.3 Circuito retificador de onda completa A Figura 4.4 mostra um circuito retificador de onda completa com duas

fontes CA. Observe a tomada central entre as duas fontes. Por causa dessa

tomada, o circuito equivalente a dois retificadores de meia onda. O re-

tificador superior retifica o semiciclo positivo da tenso da fonte superior,

enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo positivo da fonte inferior.


Figura 4.4: Circuito retificador de onda completaFonte: CTISM

As duas tenses denominadas de U1 e U2 na Figura 4.4 so idnticas em

amplitude e fase. Quando a fonte superior positiva, D1 est diretamente

polarizado e conduz, mas D2 est reversamente polarizado. Analogamente,

quando a fonte inferior positiva, D2 conduz e D1 est reversamente polari-

zado. Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tenso sobre o

resistor de carga (Figura 4.5).

Figura 4.5: Tenso retificada na carga Fonte: CTISM

a) CC ou valor mdio a tenso mdia de um retificador de onda comple-ta equivale ao dobro da tenso de sada de um retificador de meia onda,

pois agora o circuito opera com um ciclo completo da tenso alternada.


b) Frequncia de sada a frequncia de sada no circuito de onda com-pleta o dobro da frequncia de entrada. Supondo que a tenso de

entrada tenha uma frequncia de 60Hz, a onda retificada ter uma fre-

quncia de 120Hz o que corresponde a um perodo de 8,33ms.

4.4 Circuito retificador de onda completa em ponte Na Figura 4.6 mostra-se um retificador de onda completa em ponte. Utili-

zando-se quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso de duas fontes.

Durante o semiciclo positivo da tenso U, o diodo D3 recebe um potencial

positivo em seu nodo, e o D2 um potencial negativo no ctodo. Dessa for-

ma, D2 e D3 conduzem enquanto os diodos D1 e D4 ficam reversamente po-

larizados. O resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tenso U.

Durante o semiciclo negativo da tenso U, o diodo D4 recebe um potencial

positivo em seu nodo, e o diodo D1 um potencial negativo no terminal c-

todo, devido inverso da polaridade de U. Os diodos D1 e D4 conduzem, e

os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizados.

A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido, carac-

terizando, portanto, uma tenso Ucc contnua.

Figura 4.6: Circuito retificador em ponteFonte: CTISM

O valor de Ucc obtido conforme equao 4.4.


ResumoNessa aula, estudamos os circuitos retificadores, os quais so as principais

aplicaes dos diodos semicondutores de juno. Os circuitos retificadores

realizam a converso da energia eltrica de forma alternada, produzida pelas

mquinas das usinas geradoras, para a forma contnua, utilizada nos circui-

tos eletrnicos em geral. Na aula seguinte, conheceremos outros tipos de

diodos com suas respectivas aplicaes.

Atividades de aprendizagem1. Qual a principal aplicao do diodo semicondutor?

2. O que significa valor de pico de uma onda senoidal?

3. Explique o comportamento do diodo em um circuito retificador de meia onda.

4. Explique o funcionamento do circuito retificador de onda completa com duas fontes senoidais de energia.

5. Explique o funcionamento do circuito retificador de onda completa em ponte.


e-Tec Brasil

Aula 5 Tipos especiais de diodos

Objetivos

Conhecer novos componentes eletrnicos baseados no diodo se-

micondutor de juno.

Compreender as suas aplicaes prticas.

Aplicar corretamente as equaes matemticas pertinentes ao di-

mensionamento e operao destes componentes.

Nesta aula sero estudados trs tipos especiais de diodos com ampla apli-

cao prtica nos equipamentos eletrnicos. O primeiro componente a ser

estudado o LED, utilizado para sinalizar ou converter eletricidade em luz.

Posteriormente ser estudado o FOTODIODO, que realiza a operao inversa

do LED, ou seja, transforma sinais luminosos em eletricidade. Por ltimo, o

DIODO ZENER com ampla aplicao em circuitos estabilizadores de tenso.

5.1 Diodo emissor de luz O diodo emissor de luz (LED) o que polarizado diretamente emite luz visvel

(amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha (invisvel).

Ao contrrio dos diodos comuns no feito de silcio, que um material

opaco, e sim, de elementos como glio, arsnico e fsforo, veja a Figura

5.2. amplamente utilizado como elemento sinalizador em equipamentos

devido a sua longa vida til, baixa tenso de acionamento e alta eficincia. A

polarizao do LED similar ao diodo comum, porm sempre em srie com

um resistor limitador de corrente, conforme a Figura 5.1. O LED simboliza-

do com setas apontando para fora como smbolo de luz irradiada.

Para a maioria dos LEDs disponveis no mercado, a queda de tenso tpica

(ULED) de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA (IL).

http://saber.sapo.cv/wiki/Diodo#Tipos_de_diodos_ semicondutores

e-Tec Brasil41Aula 5 - Tipos especiais de diodos

Figura 5.1: Circuito de polarizao do LEDFonte: CTISM

Figura 5.2: Vista interna do LEDFonte: CTISM

5.2 Fotodiodo um diodo com uma janela transparente que torna sua pastilha semicondu-

tora sensvel luz (Figura 5.3). O fotodiodo opera reversamente polarizado.

Quando uma energia luminosa incide numa juno PN, injeta mais energia


nos eltrons de valncia e, com isso, gera mais eltrons livres. Quanto mais

intensa for a luz na juno, maior ser a corrente reversa no fotodiodo.

O fotodiodo tem grande aplicao nos sistemas de comunicao de dados

por meio luminoso, por se tratar de um excelente conversor de luz em sinal

eltrico.

Figura 5.3: FotodiodoFonte: CTISM

5.3 Diodo zener O diodo zener construdo especialmente para trabalhar na regio da ten-

so de ruptura. A Figura 5.4 mostra a curva caracterstica do diodo zener. A

sua representao grfica est indicada na Figura 5.5.

Figura 5.4: Curva caracterstica do diodo zenerFonte: CTISM

Tabela do diodo zener:http://www.esquemas.org/Zeners.htm

e-Tec BrasilAula 5 - Tipos especiais de diodos 43

Figura 5.5: Smbolo do diodo zenerFonte: CTISM

O diodo zener comporta-se como um diodo comum quando polarizado di-

retamente. Nas suas aplicaes prticas o zener deve ser polarizado rever-

samente e conectado em srie com um resistor limitador de corrente, veja a

Figura 5.6.

Figura 5.6: Circuito de operao do diodo zenerFonte: CTISM

Figura 5.7: Reta de carga do diodo zenerFonte: CTISM


a) Diodo zener ideal o diodo zener ideal comporta-se como uma chave fechada para tenses positivas ou tenses negativas menores que UZ. Ele

se comportar como uma chave aberta para tenses negativas entre zero

e UZ , conforme representado na sua curva caracterstica da Figura 5.7.

b) Corrente mxima no zener a corrente mxima que o diodo zener suporta depende da potncia e da tenso do diodo.

ResumoNessa aula, estudamos o diodo LED que tem como finalidade emitir luz onde

for necessrio sinalizar ou produzir um sinal luminoso, o FOTODIODO, dis-

positivo capaz de converter informaes luminosas em sinais eltricos e, por

ltimo, estudamos as caractersticas do DIODO ZENER, dispositivo que se

aplica aos diversos sistemas de regulao de tenso e, em especial, s fontes

de alimentao que sero estudadas na aula a seguir.

Atividades de aprendizagem1. O que um LED?

2. Quais as principais aplicaes do LED?

3. O que um fotodiodo?

4. Quais as principais aplicaes do fotodiodo?

5. O que um diodo zener?

6. Quais as aplicaes do diodo zener?

e-Tec BrasilAula 5 - Tipos especiais de diodos 45

e-Tec Brasil

Aula 6 Fontes de alimentao

Objetivos

Compreender a operao e os principais componentes das fontes

de alimentao.

Aplicar corretamente as equaes matemticas que descrevem a

operao dos circuitos eletrnicos.

Compreender e aplicar corretamente as leis fundamentais da ele-

tricidade, do magnetismo e do eletromagnetismo.

Conforme estudado at este momento, os componentes eletrnicos neces-

sitam de um suprimento de energia eltrica para o seu correto funcionamen-

to. Esse suprimento de energia pode ser proveniente de baterias ou pilhas.

Entretanto, muitos equipamentos destinam-se a aplicaes residenciais ou

industriais cuja principal fonte de energia a rede eltrica de corrente alter-

nada. Nesta aula estudaremos a forma de converter a energia das redes el-

tricas em energia adequada operao de um circuito eletrnico. Essa fonte

de energia composta por diversos componentes: transformador, circuito

retificador, capacitor de filtragem e circuito regulador de tenso. Cada com-

ponente ser estudado separadamente a seguir e, ao final da aula, teremos

a integrao de todas as partes.

6.1 O transformadorAs fontes de tenses utilizadas em sistemas eletrnicos em geral so meno-

res que 50 UCC, enquanto a tenso de entrada de energia eltrica costuma

ser de 127 Urms ou 220 Urms. Logo, a primeira etapa de processamento da

energia o rebaixamento do nvel de tenso. O componente utilizado para

essa tarefa o transformador que opera segundo os princpios do eletro-

magnetismo. O transformador constitudo por duas bobinas (chamadas

de enrolamentos) unidas magneticamente por um ncleo. A energia flui de

uma bobina para outra pelo fluxo magntico.

e-Tec Brasil47Aula 6 - Fontes de alimentao


Na Figura 6.1 observa-se um exemplo de transformador utilizado em fontes

de energia de baixa potncia.

Figura 6.1: Transformador monofsico de baixa potnciaFonte: CTISM

Na Figura 6.2 a tenso de entrada U1 est conectada ao que se chama de

enrolamento primrio e a tenso de sada, ao enrolamento secundrio.

Figura 6.2: Representao grfica de um transformador e transformador com vrias tensesFonte: CTISM

e-Tec BrasilAula 6 - Fontes de alimentao 49

No transformador ideal:

onde:

U1 tenso no primrio;

U2 tenso no secundrio;

N1 nmero de espiras no enrolamento primrio;

N2 nmero de espiras no enrolamento secundrio.

A corrente eltrica no transformador ideal :

6.2 Circuitos retificadores So circuitos que utilizam diodos semicondutores os quais convertem a ener-

gia eltrica alternada em corrente contnua. Observe na Figura 6.3, o circuito

retificador meia onda, na Figura 6.4, o circuito retificador onda completa e,

na Figura 6.5, o circuito retificador onda completa em ponte.

Figura 6.3: Transformador e circuito retificador meia ondaFonte: CTISM


Figura 6.4: Transformador de tap central e circuito retificador onda completaFonte: CTISM

Figura 6.5: Transformador e circuito retificador onda completa em ponteFonte: CTISM

6.3 O capacitor de filtragem Componente eletrnico, constitudo por duas placas condutoras, separadas

por um material isolante, chamado dieltrico (ver Figura 6.6).

Figura 6.6: Capacitor eletrolticoFonte: CTISM


Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haver uma distri-

buio de cargas e, aps certo tempo, as tenses na bateria e no capacitor

sero as mesmas, deixando de circular corrente eltrica em direo ao capa-

citor (ver Figura 6.7).

Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas eltricas acumuladas

permanecem no capacitor, sendo, portanto, mantida a diferena de poten-

cial no capacitor.

Os capacitores apresentam as seguintes caractersticas:

Armazena grandes cargas eltricas em suas placas;

Ope-se a variaes de tenso eltrica;

A capacidade de armazenar cargas depende da sua capacitncia;

Capacitncia medida em Farads (F) e seus submltiplos, F, nF, pF.

a) Carga e descarga do capacitorSuponha que o capacitor esteja descarregado e, em t = 0 s, a chave do cir-

cuito da Figura 6.7 fechada. Inicia-se o processo de carga, e a tenso nos

terminais do capacitor cresce at atingir a tenso da fonte de energia.

Figura 6.7: Processo de carga do capacitorFonte: CTISM

Na descarga do capacitor, ele est carregado e a chave fechada. A corrente

atravs do resistor decrescer conforme a Figura 6.8.


Figura 6.8: Processo de descarga do capacitorFonte: CTISM

6.3.1 A operao do capacitor de filtragem A tenso de sada de um retificador sobre um resistor de carga pulsante.

Durante um ciclo completo na sada, a tenso no resistor aumenta a partir

de zero at o valor de pico e, depois, diminui retornando a zero. No entan-

to, a tenso de uma fonte de alimentao deve ser estvel. Para obter esse

tipo de tenso retificada na carga, torna-se necessrio o uso de filtro. O tipo

mais comum de filtro para circuitos retificadores o filtro com capacitor. O

capacitor colocado em paralelo ao resistor de carga. Para entendermos o

funcionamento do filtro, supe-se o diodo como ideal e que, antes de ligar

o circuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quar-

to de ciclo da tenso no secundrio, o diodo est diretamente polarizado.

Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta

o enrolamento secundrio ao capacitor, ele carrega at o valor da tenso de

pico UP. Veja as Figuras 6.9, 6.10a e 6.10b.

Figura 6.9: Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivoFonte: CTISM


Figura 6.10a: Circuito retificador de onda completa com filtro capacitivoFonte: CTISM

Figura 6.10b: Circuito retificador de onda completa com filtro capacitivoFonte: CTISM

Logo aps o pico positivo o diodo para de conduzir, o que significa uma

chave aberta. Isso devido ao fato de o capacitor ter uma tenso de pico UP.

Como a tenso no secundrio ligeiramente menor que UP, o diodo fica

reversamente polarizado e no conduz. Com o diodo aberto, o capacitor

se descarrega por meio do resistor de carga. A idia do filtro a de que o

tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o perodo da tenso

de entrada. Com isso, o capacitor perder somente uma pequena parte de

sua carga durante o tempo que o diodo estiver em aberto. O diodo s vol-

tar a conduzir no momento em que a tenso no secundrio for maior que

a tenso no capacitor. Ele conduzir desse ponto at a tenso no secundrio

atingir o valor de pico UP.

A Figura 6.11 mostra a tenso retificada e filtrada sobre a carga. A tenso

na carga uma tenso contnua mais estvel. A diferena para uma tenso

contnua pura uma pequena ondulao (Ripple), causada pela carga e des-


carga do capacitor. Quanto menor a ondulao, maior ser o valor mdio da

tenso na carga. Uma forma de reduzir a ondulao optar pelo uso de um

retificador de onda completa, no qual a frequncia de ondulao o dobro.

Figura 6.11: Tenso retificada e filtradaFonte: CTISM

Pode-se relacionar a tenso de ondulao nas equaes 6.3 e 6.4, onde:

URipple = tenso de ondulao pico a pico (V);

ICC = corrente CC mdia na carga (A);

UCC = tenso CC mdia na carga (V);

UP = tenso de pico (V);

f = frequncia de ondulao (Hz);

C = capacitncia (F).

A escolha de um capacitor de filtro depende, ento, do valor da tenso de

ondulao. Como regra prtica, estipula-se a tenso de ondulao em 10%

da tenso de pico da onda senoidal.


6.4 Regulador de tenso com diodo zener O circuito regulador de tenso com o diodo zener proporciona para carga

uma tenso constante mesmo com variaes de tenso na entrada (Us). Esse

um requisito essencial para as cargas Eletrnicas que no suportam gran-

des variaes de tenso para o seu correto funcionamento. O circuito regu-

lador de tenso deve ser projetado para a condio mais severa de operao,

tendo como principal componente a ser projetado o resistor srie (RS). Veja

a Figura 6.12.

Figura 6.12: Regulador de tenso zenerFonte: CTISM

US Tenso de entrada;

IZ Corrente no zener;

RS Resistncia srie;

UZ Tenso zener e tenso na carga.

a) Clculo do resistor RS para o correto projeto do resistor srie (RS), devem-se observar duas condies extremas de operao:

1. Condio em que a fonte US est em seu valor mximo e a carga com uma corrente mnima. Nessa condio a corrente sobre o zener ser limi-

tada a um mximo de 90%, e ser definido o valor mnimo de RS.

2. Condio em que a fonte US est em seu valor mnimo e a carga com uma corrente mxima. Nessa condio a corrente sobre o zener ser limi-

tada a um mnimo de 10%, e ser definido o valor mximo de RS.


O valor de resistor srie a ser selecionado deve estar compreendido entre o

valor mnimo e o mximo. Se, por ventura, o valor mnimo for maior que o

mximo, deve-se adotar um diodo zener de maior potncia, recalculando o

resistor srie RS. Veja a Figura 6.13.

Figura 6.13: Fonte de alimentao com circuito estabilizador de tensoFonte: CTISM

ResumoNessa aula, estudamos o transformador, responsvel pelo rebaixamento da

tenso alternada da rede eltrica para os nveis exigidos dos equipamentos

eletrnicos; os circuitos retificadores com diodos que convertem a energia al-

ternada em energia na forma contnua; o circuito de filtragem com capacitor

que reduz as ondulaes e proporciona uma tenso mais estvel; e por fim,

o circuito estabilizador de tenso com diodo zener, capaz de produzir uma

tenso estvel para os sensveis circuitos dos equipamentos eletrnicos. As

operaes conjuntas dessas etapas de processamento de energia constituem

as fontes de alimentao para os circuitos eletrnicos.

Atividades de aprendizagem1. O que uma fonte de alimentao? Qual o equipamento utilizado para

rebaixar tenses em corrente alternada?

2. Qual a finalidade dos circuitos retificadores?

3. Qual a vantagem da retificao em onda completa comparada retifica-o em meia onda?

4. Qual a finalidade do capacitor de filtro?

5. O que ocorre com o nvel da tenso retificada quando adicionamos o capacitor de filtro?

6. Qual a finalidade do regulador de tenso com diodo zener?

e-Tec Brasil

Aula 7 O transistor bipolar

Objetivos

Conhecer o transistor de juno bipolar, componente que revolu-

cionou a tecnologia.

Compreender o funcionamento e a operao do transistor em di-

versas aplicaes prticas.

Aplicar corretamente as leis e as equaes que descrevem a opera-

o do transistor nos circuitos eletrnicos.

Existe uma infinidade de sinais eltricos cujos nveis de intensidade so ex-

tremamente baixos. Como exemplo, podem-se citar as correntes eltricas

que circulam no corpo humano, o sinal de sada de uma cabea de grava-

o, elementos sensores, etc. Para transform-los em sinais teis, torna-se

necessrio amplific-los. Antes da dcada de 50, a vlvula era o elemento

principal nessa tarefa. Em 1947, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvi-

do a partir da tecnologia utilizada no diodo de juno, como uma alternativa

em relao s vlvulas, para realizar as funes de amplificao, deteco,

oscilao, comutao, etc. A partir desse marco, o desenvolvimento da ele-

trnica foi imenso (Figura 7.1).

Dentre todos os transistores, o bipolar o mais comum, o qual semelhante

ao diodo estudado anteriormente. A principal diferena que o transistor

formado por duas junes PN, enquanto o diodo por apenas uma.

e-Tec Brasil57Aula 7 - O transistor bipolar

Figura 7.1: Os inventores John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley e o primeiro transistorFonte: www.porticus.org

7.1 Funcionamento do transistor bipolar O transistor bipolar constitudo por trs materiais semicondutores dopa-

dos. Dois cristais tipo N e um tipo P ou dois cristais tipo P e um tipo N. O pri-

meiro chamado de transistor NPN e o segundo, de PNP. Veja a Figura 7.2.

Figura 7.2: Estrutura do transistor bipolar NPN e PNPFonte: CTISM

Cada um dos trs cristais que compem o transistor bipolar recebe o nome

relativo sua funo. O cristal do centro chamado de base, pois comum

aos outros dois cristais, levemente dopado e muito fino. O cristal da extre-

midade esquerda recebe o nome de emissor, por emitir portadores de carga,

fortemente dopado e, finalmente, o ltimo cristal tem o nome de coletor

por receber os portadores de carga, possui uma dopagem mdia. Apesar de

a Figura 7.2 no distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre si

no tamanho e dopagem. O transistor tem duas junes, uma entre o emis-


sor e a base e outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor

se assemelha a dois diodos. O diodo da esquerda comumente designado

diodo emissor base e o da direita de coletor base. Nessa aula estudaremos o

funcionamento do transistor NPN. A anlise do transistor PNP similar do

NPN, bastando levar em conta que os portadores majoritrios do emissor so

lacunas em vez dos eltrons livres. Na prtica isso significa tenses e corren-

tes invertidas se comparadas com o NPN.

7.2 Transistor no polarizado A difuso dos eltrons livres atravs da juno produz duas zonas de de-

pleo. Cada zona tem aproximadamente uma barreira potencial de 0,7 V

(silcio) em 25C. Com os diferentes nveis de dopagem de cada cristal, as

zonas de depleo tm larguras diferentes. Quanto maior a largura, menor

a dopagem. Ela penetra pouco na regio do emissor, bastante na base e

medianamente na regio do coletor.

7.3 Polarizao do transistor NPN As junes do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamen-

te, conforme a polaridade da tenso aplicada em seus terminais.

7.3.1 Polarizao direta Na Figura 7.3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo base-emissor, e a ba-

teria B2 polariza diretamente o diodo base-coletor. Os eltrons livres entram

no emissor e no coletor, juntam-se na base e retornam para as baterias. O

fluxo de corrente eltrica intenso nas duas junes.

Figura 7.3: Polarizao direta das duas junesFonte: CTISM

e-Tec BrasilAula 7 - O transistor bipolar 59

7.3.2 Polarizao reversa Na Figura 7.4 os diodos base-emissor e base-coletor ficam reversamente po-

larizados. A corrente eltrica que circula pelas duas junes muito pequena

(corrente de fuga).

Figura 7.4: Polarizao reversa das duas junesFonte: CTISM

7.3.3 Polarizao direta reversa Na Figura 7.5 o diodo base-coletor est reversamente polarizado e diodo

base-emissor diretamente polarizado. Espera-se uma corrente de fuga no

diodo base-coletor e uma intensa corrente no diodo base-emissor. No entan-

to, isso no acontece, nos dois diodos as correntes so elevadas.

Figura 7.5: Polarizao direta e reversa das funesFonte: CTISM

No instante em que a polarizao direta aplicada ao diodo base-emissor,

os eltrons do emissor ainda no penetraram na regio da base. Se a tenso

entre base e emissor (Ube) for maior que 0,7V, muitos eltrons do emissor

penetram na regio da base. Esses eltrons na base podem retornar ao polo

negativo da bateria B1, ou atravessar a juno base-coletor, atingindo a re-

gio do coletor. Os eltrons que a partir da base retornam a bateria B1 so

chamados de corrente de recombinao. Ela pequena, porque a base

pouco dopada. Como a base muito fina, grande parte dos eltrons da base


atravessam a juno base-coletor. Essa juno, polarizada reversamente, di-

ficulta a passagem dos portadores majoritrios do cristal de base (lacunas)

para o coletor, mas no dos eltrons livres. Esses atravessam sem dificuldade

a zona de depleo e penetram na regio de coletor. L os eltrons livres so

fortemente atrados para o polo positivo da bateria B2.

Em suma, com a polarizao direta do diodo base-emissor, injetada uma

alta corrente em direo base. Na base uma pequena parcela da corrente,

por recombinao, retorna ao polo negativo da bateria B1 e o restante da

corrente flui para o coletor e da para o polo positivo da bateria B2.

Obs.: Considerar a tenso coletor-base (Ucb) bem maior que a tenso emis-

sor-base (Ube). Veja a Figura 7.6.

Figura 7.6: Fluxo de eltronsFonte: CTISM

7.4 Polarizao do transistor PNP No transistor PNP as regies dopadas so contrrias s do transistor NPN.

Isso significa que as lacunas so portadoras majoritrias no emissor em vez

dos eltrons livres. O funcionamento descrito a seguir: O emissor injeta

lacunas na base. A maior parte dessas lacunas circula em direo ao coletor.

Por essa razo, a corrente de coletor quase igual do emissor. A corrente

de base muito menor que essas duas correntes.

Qualquer circuito com transistor NPN pode ser convertido para uso de tran-

sistor PNP. Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de ali-

mentao dos diodos e capacitores polarizados. O funcionamento do circuito

ser idntico ao modelo com transistor NPN. Considerando esta similaridade,

neste curso os circuitos analisados sero sempre com transistores NPN.


Figura 7.7: Correntes nos transistores NPN e PNP respectivamenteFonte: CTISM

A Figura 7.7 mostra os smbolos que representam os transistores NPN e PNP,

respectivamente. A diferenciao entre os tipos de transistores na represen-

tao grfica feita pela seta no pino do emissor. A direo da seta mostra

o fluxo de corrente convencional e tambm o sentido das correntes conven-

cionais Ib, Ic e Ie.

A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes que

chegam a um n igual soma de todas as correntes que partem desse

mesmo n. Considerando o transistor como um nico n, e aplicando-se a

lei de correntes de Kirchhoff, obtm-se a equao 7.1.

A relao entre a corrente contnua de coletor e a corrente contnua de base

chamada de ganho de corrente, designado pelo parmetro CC:

Em geral, mais de 95% dos eltrons livres atingem o coletor, ou seja, a cor-

rente de emissor praticamente igual corrente de coletor.

7.5 Montagem bsica com transistor Na Figura 7.8 o lado negativo de cada fonte de tenso est conectado ao

emissor. Nesse caso, denomina-se o circuito como emissor comum. Alm da

montagem em emissor comum, existe a montagem em coletor e em base

comuns. O circuito constitudo por duas malhas. A malha da esquerda que

contm a tenso Ube e a malha da direita, com a tenso Uce. Aplicando-se a

lei das malhas de tenso de Kirchhoff, obtm-se as equaes 7.3 e 7.4.


Figura 7.8: Polarizao do transistor em emissor comumFonte: CTISM

Na juno base-emissor, temos um diodo diretamente polarizado. Isso nos

leva a uma relao entre Ib e Ube, ou seja, para cada Ib existe uma tenso Ube

correspondente. Naturalmente, essa curva semelhante curva do diodo de

juno diretamente polarizado. Veja Figura 7.9.

Figura 7.9: Relao entre Ib e UbeFonte: CTISM


Na Figura 7.10 pode-se visualizar a relao entre a corrente de base IB, a

corrente de coletor IC e a tenso entre os terminais de coletor e emissor UCE.

Essa Figura 7.10 fundamental na determinao do ponto de operao do

transistor que pode se encontrar em trs regies distintas:

a) Regio de corte nessa regio, a corrente de base e de coletor so praticamente nulas e a tenso entre os terminais de coletor e emissor

praticamente igual a da fonte de alimentao do circuito;

b) Regio ativa ou linear nessa regio, a corrente de base apresenta um valor determinado, conforme as diferentes curvas do grfico. A corrente

de coletor determinada no eixo das ordenadas e o valor de tenso entre

os terminais de coletor e emissor, no eixo das abcissas;

c) Regio de saturao essa regio definida pelo contorno esquer-da do grfico, onde a corrente de coletor apresenta valores elevados,

enquanto a tenso entre o coletor e o emissor relativamente pequena.

Figura 7.10: Ponto de operao do transistorFonte: CTISM

7.6 O modelo de Ebers-Moll Na anlise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em

trabalhar com o transistor em nvel de malhas. Uma opo utilizar um cir-

cuito equivalente para o transistor, usando componentes mais simples como

fontes e resistores.


O modelo de Ebers-Moll um circuito equivalente ao transistor, vlido ape-

nas para a operao na regio ativa, ou seja, o diodo base-emissor polariza-

do diretamente; o diodo base-coletor polarizado reversamente e a tenso do

diodo base-coletor menor que a tenso de ruptura do dispositivo. Observe a

Figura 7.5. O modelo faz algumas simplificaes:

Ube = 0,7 V

Despreza a diferena de potencial produzida pela corrente de base ao atra-

vessar a resistncia de espalhamento da base.

Figura 7.11: Modelo Ebers-MollFonte: CTISM

7.7 Polarizao em corrente contnua de transistores Um circuito transistorizado pode ter uma infinidade de aplicaes e os tran-

sistores para cada funo tm um ponto de funcionamento correto. Estuda-

remos, a seguir, a forma de estabelecer o ponto de operao ou quiescente

de um transistor, isto , como polariz-lo.

a) Reta de carga a Figura 7.12 mostra um circuito com polarizao de emissor comum. O desafio consiste em saber os valores de correntes e

tenses nos diversos componentes. Uma forma de soluo o uso da

reta de carga.


Figura 7.12: Polarizao do transistor em emissor comumFonte: CTISM

Usa-se a reta de carga em transistores para obter as correntes Ic e Uce, consi-

derando a existncia de um resistor de coletor Rc. A anlise da malha forma-

da pela fonte de tenso Ucc, Rc e Uce (ver equao 7.6) leva-nos a determina-

o da corrente Ic:

Nessa equao, existem duas incgnitas Ic e Uce. A soluo desse impasse

utilizar o grfico Ic x Uce. Com o grfico em mos (Figura 7.13), podemos

calcular os extremos da reta de carga:

Fazendo: UCE = 0 IC = UCC / RC, determinamos o ponto sobre o eixo das

ordenadas;

Fazendo: IC = 0 UCE = UCC, determinamos o ponto sobre o eixo das abcissas.

A partir da definio desses dois pontos, temos a reta de carga para este

circuito.

Definida uma corrente de base Ib, obtemos os valores de Ic e Uce sobre a reta

de carga.


ExemploVamos definir a reta de carga para o circuito da Figura 7.12 e determinar os

valores de IC e UCE de operao do transistor.

Os dois pontos necessrios para definir a reta de carga so:

UCE = 0 IC = UCC / RC = 15/1500 = 10mA ponto no eixo das ordenadas.

IC = 0 UCE = UCC = 15V ponto sobre o eixo das abcissas.

A corrente de base a mesma que atravessa o resistor RB e definida por:

Ib = (15-0,7) / 500.000 = 30A.

Figura 7.13: Reta de carga na curva do transistorFonte: CTISM

Aps traar a reta de carga na curva do transistor, chega-se aos valores de Ic

= 6mA e Uce = 5,5V. Este o ponto de operao do circuito (ponto Q - ponto

quiescente). O ponto Q varia conforme o valor de Ib. Um aumento na corren-

te de base Ib aproxima o transistor da regio de saturao, e uma diminuio

de Ib leva o transistor regio de corte (ver a figura 7.13).

O ponto onde a reta de carga intercepta a curva Ib = 0 conhecido como

corte. Nesse ponto a corrente de base zero e a corrente do coletor muito

pequena (Iceo). A interseo da reta de carga e a curva Ib = Ib (SAT) so chama-

das saturao. Nesse ponto a corrente de coletor mxima. Ver Figura 7.14.


Figura 7.14: Regio de operao do transistorFonte: CTISM

7.8 O transistor operando como chave Uma das operaes mais comuns para o transistor bipolar operar como

uma chave controlada, isto , um dispositivo capaz de permitir ou no a con-

duo da corrente eltrica. Se o transistor for levado a uma operao na re-

gio de saturao ir se comportar como uma chave fechada do coletor para

o emissor. Permitir assim, a passagem de corrente entre estes terminais. Por

outro lado, quando o transistor est na regio de corte, como uma chave

aberta. Todo esse processo depende, exclusivamente, da intensidade de cor-

rente na base do transistor.

a) Corrente de base a corrente de base controla a posio da chave. Se Ib for zero, a corrente de coletor prxima de zero e o transistor est em

corte (chave aberta). Se Ib for Ib (SAT) ou maior, a corrente de coletor

mxima e o transistor satura. Saturao fraca significa que o transistor

est levemente saturado, isto , a corrente de base apenas suficiente

para operar o transistor na extremidade superior da reta de carga. Satu-

rao significa dispor de corrente na base suficiente para saturar o tran-

sistor para todas as variaes de valores de cc. No pior caso de tempera-

tura e corrente, a maioria dos transistores de silcio de pequeno sinal tem

um cc maior do que 10. Portanto, uma boa orientao de projeto para

a saturao forte de considerar um cc (SAT) = 0,1.CC, ou seja, dispor

de uma corrente de base que seja de aproximadamente um dcimo do

valor saturado da corrente de coletor.


7.9 O transistor operando como fonte de correnteA Figura 7.15 mostra um transistor operando como fonte de corrente. Ele

tem um resistor de emissor Re entre o emissor e o ponto comum. A corrente

de emissor circula por esse resistor, produzindo uma queda de tenso de Ie.Re.

Figura 7.15: Transistor operando como fonte de correnteFonte: CTISM

A soma das tenses da malha de entrada :

Logo:

Como Ube, Ubb, e Re so aproximadamente constantes, a corrente no emissor

constante, independentemente de cc, Rc ou da corrente de base.

7.10 O transistor operando como amplificador Antes de o transistor amplificar pequenos sinais ele deve estar devidamente

polarizado na regio ativa de operao. O circuito mais usado em amplifi-



cadores chamado de polarizao por divisor de tenso conforme a Figura

7.16. A principal vantagem desse circuito a independncia da sua opera-

o em relao a variaes do ganho do transistor (cc). Nesse circuito fixa-se

uma tenso na base do transistor, via os resistores R1 e R2. Deve-se ter aten-

o para que o valor da corrente (I) em R1 seja bem maior que a corrente de

base (Ib).

Dessa forma, a corrente Ib no influenciar na tenso sobre R2. Como regra

prtica considera-se a corrente I, 20 vezes maior que Ib. Para a anlise da tenso

em UR2, observar que R1 e R2 formam um divisor de tenso. Supondo I >> Ib:

Figura 7.16: Polarizao por divisor de tensoFonte: CTISM

Aps obter o valor de UR2 torna-se simples o clculo de Ie. Deve-se utilizar a

equao das tenses da malha formada pela base e emissor do transistor:

UR2 = URe + Ube

Como URe = Ie .Re

http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador


Analisando as tenses da malha de sada formada pelo coletor e emissor do

transistor:

UCC = Rc.Ic + Uce + Re.Ic

E considerando Ie = Ic

Tem-se: UCC = Ic (Rc + Re)+ Uce

Notar que o ganho do transistor cc no aparece na frmula da corrente

de coletor. Isso quer dizer que o circuito imune a variaes em cc, o que

implica um ponto de operao estvel. Por isso, a polarizao por divisor de

tenso amplamente utilizada.

a) Dicas de projeto considerar: Uce = 0,5.UCC

URe = 0,1.UCC

R2 0,1cc.Re

b) Amplificadores de sinal emissor comum pode-se, ento, conside-rar os transistores devidamente polarizados com seu ponto de operao

prximo ao meio da reta de carga para uma mxima excurso do sinal

de entrada sem distoro. Ao injetar um pequeno sinal CA base do

transistor, ele se somar s tenses contnuas de polarizao e induzir

flutuaes na corrente de coletor de mesma forma e frequncia. Ele ser

chamado de amplificador linear (ou de alta-fidelidade Hi-Fi) se no mu-

dar a forma do sinal na sada. Desde que a amplitude do sinal de entrada

seja pequena, o transistor usar somente uma pequena parte da reta de

carga, e a operao ser linear. Caso o sinal de entrada apresente elevada

amplitude, as flutuaes ao longo da reta de carga levaro o transistor a

condies de saturao. Um circuito amplificador mostrado na Figura

7.17. A polarizao por divisor de tenso. A entrada do sinal acoplada

base do transistor via o capacitor C1, e a sada do sinal acoplada carga RL atravs do capacitor C2. O capacitor funciona como uma chave


aberta para corrente contnua e como chave fechada para a corrente al-

ternada. Essa ao permite obter um sinal CA de um estgio para outro,

sem perturbar a polarizao CC de cada estgio.

Figura 7.17: Amplificador de sinal emissor comumFonte: CTISM

Esta etapa amplificadora de pequenos sinais apresenta as seguintes carac-

tersticas:

Elevado ganho de tenso para pequenos sinais;

Independncia com relao s variaes de ganho do transistor;

Inverso da fase do sinal de sada.

Resumo Nessa aula conhecemos um dos maiores inventos da atualidade, o transistor

bipolar, que um componente que proporcionou uma verdadeira revolu-

o tecnolgica. de fundamental importncia a compreenso por parte

do tcnico industrial do funcionamento e da operao do transistor, pois se

trata do elemento bsico tanto em um pequeno rdio porttil como no pro-

cessador de um moderno computador. Nessa aula aprendemos a forma de

operao do transistor em diversas situaes: operando como chave estti-

ca, como fonte de corrente e como amplificador de pequenos sinais. Na aula

seguinte, estudaremos dispositivos eletrnicos que possuem mais de trs


camadas semicondutoras em sua estrutura, e que desempenham funes

importantes no acionamento de equipamentos eltricos.

Atividades de aprendizagem 1. O que um transistor de juno bipolar?

2. Quais as caractersticas fsicas do cristal da base?

3. Quais as caractersticas fsicas do cristal do coletor?

4. Quais as caractersticas fsicas do cristal do emissor?

5. Como se determina a corrente de emissor em um transistor devidamente polarizado?

6. O que ganho de corrente de um transistor?

7. Quais as caractersticas da regio de corte?

8. Quais as caractersticas da regio de saturao?

9. Quais as caractersticas da regio de operao ativa?

10. Qual a finalidade do modelo de Ebers-Moll?

11. Explique a operao do transistor como chave.

12. Quais as caractersticas de uma etapa amplificadora tipo emissor comum?

e-Tec Brasil

Aula 8 Tiristores

Objetivos

Conhecer os tiristores, que so dispositivos eletrnicos formados

por quatro camadas semicondutoras.

Compreender o processo de conduo e disparo dos tiristores.

Conhecer as principais aplicaes desses componentes, relaciona-

das automao industrial.

Os tiristores so componentes eletrnicos com estrutura cristalina de quatro

camadas. So os componentes bsicos da Eletrnica Industrial, utilizados

para acionar cargas como: motores, eletroms, aquecedores e conversores

de corrente alternada em corrente contnua. Nesta aula sero estudados os

componentes denominados SCR e TRIAC.

8.1 A estrutura PNPN Tiristor um componente eletrnico de silcio cuja estrutura apresenta qua-

tro camadas dopadas na seguinte sequncia PNPN. Este componente apre-

senta trs terminais:

a) Terminal do material tipo P externo que denominado de nodo (A);

b) Terminal do material tipo N externo que denominado ctodo (K);

c) Terminal da camada tipo P, interna, denominado gatilho (G).

Aplicando-se uma tenso positiva no nodo em relao ao ctodo, pola-

rizam-se diretamente as duas junes extremas do componente. Nesta si-

tuao no ocorre conduo de corrente eltrica atravs do componente,

at que a camada interna tipo P (gatilho) receba uma tenso positiva. Essa

e-Tec Brasil75Aula 8 - Tiristores


tenso positiva no terminal de gatilho desencadeia a conduo de corrente

por todas as camadas do dispositivo. Ver Figura 8.1.

Figura 8.1: A estrutura de quatro camadas - PNPNFigura: CTISM

8.2 SCRO SCR (Sillicon Controlled Rectificier) um diodo retificador controlado. Ele

possui trs terminais A (nodo), K (ctodo) e o terminal de controle G (gate). Para a entrada em conduo do SCR necessrio que seus terminais A e K

estejam diretamente polarizados e que seja aplicado um pulso de tenso

positiva no terminal G. Satisfeita essa condio, estabelecida uma corrente

atravs do dispositivo (entre os terminais A e K). Essa corrente deve apre-

sentar um valor mnimo chamado corrente de manuteno (valor informado

nas folhas de dados dos componentes). Uma vez estabelecido esse processo,

mesmo sem tenso positiva no terminal de controle G, o dispositivo perma-

nece conduzindo. A extino desse processo ocorre quando o dispositivo

passar a ser polarizado reversamente e a corrente atravs do dispositivo for

menor que a corrente de manuteno.

Na Figura 8.2 observa-se a curva caracterstica de operao do SCR e seu

respectivo smbolo, utilizado nos esquemas eletrnicos.

e-Tec BrasilAula 8 - Tiristores 77

Figura 8.2: Curva de operao do SCRFonte: CTISM

Na Figura 8.3 observa-se uma aplicao prtica do SCR em que realizado

o controle do ngulo de disparo do componente. Pode-se variar a potncia

entregue carga resistiva variando-se o valor da resistncia R ligada ao ter-

minal de gatilho do SCR.


Figura 8.3: Circuito de controle de fase com SCRFigura: CTISM

8.3 TRIAC O TRIAC um tiristor de estrutura mais complexa contendo diversas regies

PNPN que atuam como dois SCRs interligados em antiparalelo. Essa estrutu-

ra permite que o TRIAC opere no controle de cargas em corrente alternada.

Na Figura 8.4 observa-se o smbolo grfico do TRIAC e seu circuito equiva-

lente a partir de dois SCRs.

Figura 8.4: TRIAC Fonte: CTISM

e-Tec BrasilAula 8 - Tiristores 79

Na Figura 8.5 est representado o diagrama esquemtico de um circuito de

controle do ngulo de fase que permite controlar toda a faixa de potncia

desenvolvida na carga. Esse circuito muito utilizado no controle do brilho

produzido por lmpadas incandescentes, ou no controle da velocidade de

rotao de motores universais.

Figura 8.5: Circuito de aplicao do TRIACFonte: CTISM

8.4 Acionando o gatilho dos tiristores Os tiristores podem ser acionados ou disparados em seu terminal de gatilho

de dois modos: pela aplicao de corrente contnua ou pelos pulsos de tenso.

O disparo por aplicao de corrente contnua usado no acionamento de

cargas por longos perodos como lmpadas, calefatores, eletroms, moto-

res, em sistemas de controle tipo liga-desliga e cclicos. Nesses casos man-

tm-se continuamente a alimentao de gatilho. Apesar do consumo de

energia alm do necessrio e o consequente aquecimento da juno, isso

simplifica o circuito de acionamento.

O disparo por pulsos de tenso aplicado em controles de ngulo de fase,

podendo controlar a potncia de cargas como lmpadas ou a velocidade

de motores universais (ver Figura 8.5). Nesses, a cada ciclo da tenso CA

de alimentao, gerada uma tenso defasada por uma ou duas redes de

atraso, formadas por resistores e capacitores. Quando a tenso o nvel de


tenso necessrio ao disparo do TRIAC, num dado ngulo de fase, o tiristor

acionado, energizando a carga. O processo se repete a cada ciclo. Variando o

valor do resistor, varia-se a poro do ciclo em que alimentada a carga (n-

gulo de conduo do tiristor), variando a tenso eficaz, e a potncia na carga.

Resumo Nessa aula estudamos os dois principais componentes que apresentam qua-

tro camadas de semicondutores. O SCR um diodo retificador, controla-

do atravs de um terminal de gatilho e o TRIAC corresponde a uma chave

esttica, controlada para o acionamento de cargas em corrente alternada.

Esses componentes tero grande importncia em sua formao por serem

amplamente utilizados nos modernos conversores estticos e controles de

mquinas eltricas.

Atividades de aprendizagem

1. O que um tiristor?

2. Qual a finalidade do terminal de gatilho nos tiristores?

3. O que um SCR?

4. O que um TRIAC?

5. Quais os mtodos de disparo dos tiristores?

e-Tec Brasil

Aula 9 Introduo aos circuitos integrados

Objetivos

Conhecer os circuitos integrados ou microchips e as suas vanta-

gens quando utilizados em equipamentos mais complexos.

Conhecer a classificao dos microchips quanto aplicao, grau

de integrao e forma de encapsulamento.

Os circuitos integrados, tambm chamados de microchips, so circuitos

eletrnicos funcionais, constitudos por um conjunto de transistores, diodos,

resistncias e capacitores, fabricados sobre uma nica pastilha semicondutora

de silcio. Foram desenvolvidos a partir da dcada de 60 em importantes

laboratrios americanos e rapidamente difundidos no uso militar, espacial e

domstico. Atualmente pode-se encontrar um microchip em cartes pessoais,

relgios eletrnicos ou modernos computadores pessoais.

Figura 9.1: Vista interna superior de um circuito integrado (CI)Fonte: CTISM

O circuito integrado (CI) propriamente dito chama-se pastilha (chip, em ingls) e muito pequeno, observe a Figura 9.1. O tamanho externo do circuito in-

tegrado deve-se ao seu invlucro e s ligaes do chip aos terminais externos.

http://www.youtube.com/watch?v=DUjLjGCZV4M

http://www.lsi.usp.br/~chip/index.html

e-Tec Brasil81Aula 9 - Introduo aos circuitos integrados


Vantagens dos CIs em relao aos circuitos com componentes discretos:

Reduo de custos, peso e tamanho;

Aumento da confiabilidade;

Maior velocidade de trabalho;

Menor consumo de energia;

Facilidade de manuteno;

Simplicidade na produo industrial.

9.1 Classificao dos circuitos integrados Os circuitos integrados podem ser classificados de diversas formas, consi-

derando sua aplicao prtica, nmero de componentes integrados na sua

pastilha de silcio, tipo de encapsulamento, ou seja, a sua proteo externa.

Vejamos a seguir estas classificaes.

9.1.1 Quanto sua aplicao Os circuitos integrados lineares ou analgicos produzem sinais contnuos em

funo dos sinais que lhe so aplicados nas suas entradas. As funes dos

CIs analgicos so a amplificao, gerao ou manipulao de pequenos

sinais eltricos. Destacam-se, nesse grupo de circuitos integrados, os ampli-

ficadores operacionais.

Os circuitos integrados digitais operam segundo a lgebra booleana, reali-

zando operaes lgicas. Nessas operaes lgicas so manipulados valores

discretos de tenso que representam os dgitos 0 (zero) e 1 (um).

a) Sinal analgico sinal que tem uma variao contnua ao longo do tempo (Figura 9.2).

e-Tec BrasilAula 9 - Introduo aos circuitos integrados 83

Figura 9.2: Sinal analgicoFonte: CTISM

b) Sinal digital sinal que tem uma variao por saltos de uma forma des-contnua (Figura 9.3).

Figura 9.3: Sinal digitalFonte: CTISM

9.1.2 Quanto ao seu grau de integrao O grau de integrao refere-se ao nmero de componentes que o circuito

integrado (CI) contm em sua pastilha semicondutora:

a) SSI (Small Scale Integration) integrao em pequena escala so os CIs com menos componentes. Podem dispor de at 30 dispositivos por

pastilha (chip).


b) MSI (Medium Scale Integration) integrao em mdia escala corresponde aos CIS com 30 a 1.000 dispositivos por pas

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