Eletrônica Básica

5/9/2018 Eletr nica B sica - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/eletronica-basica-559ca2fb75206 1/32

CEDUP DIOMÍCIO FREITAS

Fevereiro / 2004



ÍNDICE

1 - ELETRÔNICA DO ESTADO SÓLIDO .............................................................................................. 04

1.1 - Breve histórico ............................................................................................................................. 04

2 - SEMICONDUTORES .......................................................................................................................... 06

2.1 - Junção PN .................................................................................................................................... 092.2 - Junção PN polarizada ................................................................................................................... 10

3 - DIODOS ............................................................................................................................................... 11

3.1 - Especificações .............................................................................................................................. 12

4 - RETIFICADORES ............................................................................................................................... 14

4.1 - Descrição básica ........................................................................................................................... 14

4.2 - Retificadores de Meia Onda ......................................................................................................... 14

4.3 - Retificadores de Onda Completa (usando transformador de tap central) .................................... 15

4.4 - Retificadores de Onda Completa (em Ponte) ............................................................................... 16

4.5 - Conclusões ................................................................................................................................... 16

5 - FILTROS .............................................................................................................................................. 17

5.1 - Filtros por Capacitor .................................................................................................................... 17

5.2 - Filtros em "π" Resistivo ............................................................................................................... 18

5.3 - Considerações gerais .................................................................................................................... 18

6 - LIMITADORES E MULTIPLICADORES ......................................................................................... 19

6.1 - Limitadores .................................................................................................................................. 196.1.1 – Limitadores completos ..................................................................................................... 196.1.2 – Limitadores incompletos .................................................................................................. 20

6.2 - Multiplicadores ............................................................................................................................ 20

7 - DIODOS ESPECIAIS .......................................................................................................................... 21

7.1 - Diodo Zener ................................................................................................................................. 217.1.1 - Descrição básica ............................................................................................................... 217.1.2 - O Zener como componente .............................................................................................. 217.1.3 - O Zener como Regulador de Tensão ................................................................................ 227.1.4 - Conclusões ........................................................................................................................ 23



7.2 - Diodos Emissores de Luz - LED .................................................................................................. 23

7.3 - Foto diodos ................................................................................................................................... 24

7.4 - Diodo LASER .............................................................................................................................. 24

7.5 - Diodo Schuttky ............................................................................................................................ 26

8 - TRANSISTORES ................................................................................................................................. 27

8.1 – Introdução .................................................................................................................................... 27

8.2 – Descrição Básica ......................................................................................................................... 27

8.3 – Polarização .................................................................................................................................. 28

8.4 – Tensão e Correntes ...................................................................................................................... 29

8.5 – Funcionamento ............................................................................................................................ 29

8.6 – Considerações Gerais .................................................................................................................. 30

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................... 32



CEDUP Diomício Freitas ELETRÔNICA BÁSICA II 4

1 - ELETRÔNICA DO ESTADO SÓLIDO

1.1 - BREVE HISTÓRICO

O novo e vasto campo da eletrônica do esta-do sólido é representado pelo transistor e pelo di-

odo semicondutor, dispositivos que constituem,sem dúvida, as inovações mais importantes na ele-trônica atual.

O diodo semicondutor é o detector de cristalusado nos receptores de rádio de 1906, porém al-tamente aperfeiçoado. Este novo componente po-de detectar, misturar e retificar correntes alterna-das com excelente eficiência. O transistor foi des-coberto em 1948, como resultado de amplos estu-dos do funcionamento dos diodos semicondutores.Seu nome deriva das palavras "transfer resistor",

que descrevem o fenômeno que possibilita a am- plificação de sinais elétricos por um dispositivototalmente sólido.

Os transistores e os diodos semicondutoresestão substituindo amplamente as válvulas emmuitos tipos de equipamentos e em breve terãogrande aplicação em equipamentos domésticos, detransporte, industriais, científicos e militares que,atualmente, não utilizam a eletrônica. Entretanto,esta não é a única razão da importância destes dis-

positivos; eles deixam antever novos dispositivos

do estado sólido, alguns em pleno desenvolvimen-to. Esses dispositivos resultarão em grandes avan-ços na iluminação doméstica e industrial, na gera-ção de energia elétrica, na conversão de energiaelétrica em movimento mecânico, nas memóriasde computadores, em transmissões de dados ultra-rápidas, na detecção e medição de transformaçõesfísicas e químicas, em ignição eletrônica e em vá-rios outros aspectos que afetam nossa vida domés-tica e industrial.

Muitas pesquisas e experiências foram ne-cessárias para que se pudesse divisar as possibili-dades dos diodos semicondutores e dos transisto-res. Os trabalhos de Volta, Ampere, Gauss, Fara-day e Hertz tiveram de ser completados e compre-

endidos.

As descobertas verificadas no campo da ele-tricidade suscitaram muitos problemas referentes ànatureza da matéria. As investigações astronômi-cas conduzidas por Galileu, Tycho, Kepler e New-ton também levaram a uma grande curiosidadecom relação à natureza da matéria. As pesquisassobre a própria matéria, realizadas por Rumford,Davy, Carnot, Young, Fresnel, Maxwell, Hertz,Zeeman e Lorentzs originaram mais perguntas doque respostas.

O primeiro passo real para o moderno con-ceito de matéria foi a descoberta do elétron por Sir J. J. Thompson, em 1897, ao estudar descargas e-létricas em gases rarefeitos. A descoberta deThompson foi confirmada rapidamente por outros

pesquisadores. Em 1913, Bohr formulou a teoria básica da estrutura atômica que se desenvolveu atéo conceito atual da natureza da matéria.

De acordo com esta teoria, toda a matéria éformada por combinações diversas de aproxima-damente uma centena de tipos diferentes de áto-mos. O átomo é definido como a menor parte emque um elemento pode ser dividido antes de per-der sua identidade física e química. Independen-temente do elemento a que pertencer, qualquer á-tomo é constituído por um núcleo carregado posi-

tivamente, em torno do qual giram um ou mais e-létrons carregados negativamente. Os' elétrons gi-ram em órbitas a distâncias diferentes do núcleo.O número de elétrons nas diversas órbitas caracte-




riza o elemento a que o átomo pertence. Os elé-trons das órbitas mais internas nada têm a ver coma capacidade do átomo de entrar em combinaçãoquímica com outros átomos ou de exibir caracte-rísticas elétricas; isto é determinado apenas pelos

elétrons na órbita mais externa.As características elétricas de um átomo sãodeterminadas pela força com que o núcleo retémos elétrons das órbitas mais externas. Se estes elé-trons puderem ser desalojados facilmente do áto-mo por um campo elétrico de baixa intensidade, omaterial conduzirá uma corrente muito intensa eserá' considerado condutor. Quando é necessárioum campo elétrico muito intenso para retirar oselétrons do átomo, o material é conhecido comoisolante.

O material usado nos diodos semicondutorese nos transistores, e na maioria das aplicações dafísica do estado sólido, é conhecido como materialsemicondutor. O termo é geral e se aplica a todosos materiais cuja resistência elétrica se situa entrea dos condutores e a dos isolantes. As substânciasde maior aplicação nos transistores atuais são ogermânio e o silício, cujas características analisa-remos em linhas gerais.

O interesse pelos semicondutores teve inícioem 1873, quando se descobriu que bastões e fios

de selênio apresentavam uma redução em sua re-sistência elétrica ao serem submetidos à luz solar.Verificou-se que este fenômeno era conseqüênciada presença da luz e não do aquecimento, pois es-te normalmente provoca aumento da resistênciaelétrica. Posteriormente, os pesquisadores obser-varam efeitos semelhantes em outras substâncias,mas a variação de resistência era tão pequena quenão encontrava aplicação prática.

Em 190.6 foi feita outra descoberta impor-tante no campo dos semicondutores. Naquela épo-ca estavam sendo usados diversos semicondutorescristalinos como detectores de sinais de rádio, taiscomo a galena (sulfeto de chumbo), o silício, piri-tas de ferro e carborundo. O detector mais usadoera formado por um pedaço de galena cristalinaem contato com um pequeno pedaço de fio flexí-vel. Este dispositivo, conhecido como "detector decristal", era parte do circuito visto abaixo. O con-

junto em apreço possibilitava a recepção dos si-nais de rádio, porque o cristal aluava como retifi-

cador e só permitia a fácil passagem da correnteem apenas um sentido.O sucesso do detector de cristal teve curta

duração. A invenção da válvula termiônica tornou possível a obtenção de um circuito detector muito

mais eficiente do que o conjunto de cristal. Alémdisso, as válvulas podem amplificar o sinal de saí-da do detector, dando-lhe uma amplitude e nívelde potência suficientemente elevado para excitar um alto-falante.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o radar estava em fase de desenvolvimento. Um dos pro-

blemas mais importantes no radar era o da detec-ção dos sinais de freqüência extremamente eleva-da. Para melhorar a localização de pequenos al-vos, era necessário aumentar a freqüência do ra-dar, e cada aumento de freqüência criava novos

problemas no primeiro detector (misturador) aválvula. Novos tipos de válvulas foram desenvol-vidos para este fim, mas eventualmente era atingi-do um limite de freqüência além do qual os mistu-radores a válvula não funcionavam. Então, foramexperimentados os misturadores a cristal, e o silí-cio foi o tipo de semicondutor que proporcionouos melhores resultados. Atualmente, são ampla-mente usados tipos aperfeiçoados deste misturador em radares de micro-ondas.

Enquanto se procurava aperfeiçoar os mistu-radores a cristal, diversos tipos de semicondutoresforam submetidos a experiências; o silício e o

germânio apresentaram propriedades muito inte-ressantes e, após o término da guerra, foram sub-metidos a amplas e sistemáticas pesquisas.

Um dos primeiros aperfeiçoamentos foi umdiodo detector feito de germânio. Este detector foiusado em rádio, televisão e em várias outras apli-cações eletrônicas, porém a procura deste tipo dedetector era muito limitada.

Quando os detectores de germânio estavamsendo aperfeiçoados, foi feita uma descobertamuito importante. Verificou-se que, quando eram

estabelecidos dois contatos elétricos muito próxi-mos sobre um pedaço de germânio, a corrente a-través de um dos contatos afetava a intensidade dacorrente através do outro contato. Este efeito ésemelhante ao da amplificação de um sinal por




uma válvula, com a diferença de que não são ne-cessários um cátodo aquecido e o vácuo.

Muitas experiências foram realizadas comeste dispositivo nos laboratórios da Bell Telepho-ne. Assim, em 1948, anunciaram a criação do

primeiro dispositivo amplificador do estado sóli-do, o transistor. Esta descoberta reacendeu o inte-resse pelos diodos semicondutores, cujo aperfei-çoamento deu lugar a uma grande variedade denovas e importantes aplicações.




2 - SEMICONDUTORES

O fenômeno de condução elétrica consistena movimentação de cargas presentes em um cor-

po sob a ação de um campo elétrico. Nos materi-ais condutores existe abundância de portadores decarga livres que podem se movimentar. Nos me-tais e na maioria dos sólidos os portadores de car-ga são os elétrons, entretanto, estes não são os ú-nicos portadores existentes. Nos líquidos conduto-res, como por exemplo uma mistura de sal e águaou ácido sulfúrico e água e em tantos outros ele-trólitos, os portadores são íons.

Ao examinar e discutir a teoria dos semi-condutores, vamos considerar a natureza dos cris-tais. A maioria dos sólidos, exceto aqueles que

possuem estrutura biológica tais como folhas deárvores e ossos que possuem estrutura cristalina, é possível que um elemento químico possua mais deuma forma cristalina, a qual difere uma da outra

pelo modo como os átomos que a compõe estãoarranjados. O carbono, por exemplo, possui trêsformas de organização cristalina: carvão, grafite ediamante.

Cada uma destas formas possui proprieda-des físicas diferentes uma da outra. Do mesmomodo, sabemos que a inserção de substâncias con-

taminantes em um material pode afetar sua estru-tura cristalina, conferindo-lhe características quenormalmente não teria se fosse puro, isto é, o queocorre, por exemplo, quando adicionamos uma

pequena quantidade de carbono ao ferro puro pa-ra fazer aço.

Quanto à condutividade elétrica, classifi-cam-se os materiais em três categorias:

a - Materiais isolantes

Os materiais isolantes, que são aqueles em

que não há portadores de carga livres, cada átomoou molécula que compõe a rede cristalina possuiuma ligação forte com os elétrons de valência. Por esta razão é necessário aplicar um campo elétrico

muito intenso para retirá-los de seus orbitais. Oselétrons estariam livres para conduzir apenas setiverem absorvido uma grande quantidade de e-nergia. Como resultado, um isolante submetido aum campo extremamente intenso pode passar aconduzir corrente. Entretanto, os íons formados

pela saída dos elétrons são quase sempre instáveise tendem a mudar de estrutura química rapida-mente, combinando-se entre si ou com o ar a voltae adicionalmente, os elétrons livres tem muita e-nergia absorvida do campo a qual perdem colidin-do-se ocasionalmente com átomos da rede crista-lina.

Macroscopicamente o material superaquece-

rá e pegará fogo destruindo-se.b - Materiais condutores

Os materiais condutores são aqueles em queos elétrons de valência são tão fracamente ligadosao núcleo ou molécula que podem se movimentar livremente.

c - Materiais semicondutores

Os materiais semicondutores são aqueles emque os elétrons estão ligados ao núcleo ou molé-

cula por uma força de intensidade moderada. Nor-malmente todos os elétrons estariam na banda devalência, presos aos átomos da rede e, portanto, omaterial se comportaria tal como isolante. Entre-tanto, a agitação térmica ou radiações podemtransferir energia o suficiente para que alguns elé-trons saiam de suas orbital e entrem na banda decondução, tendo-se dessa forma a formação deum par elétron-íon positivo (lacuna) no ponto deorigem. Sem a ação de um campo externo os elé-trons tenderiam a se recombinar com os íons re-

tornando a estabilidade inicial.O íon positivo formado inicialmente é de-

nominado lacuna , apesar de se constituir em umátomo com um elétron a menos e de este estar fixo




na estrutura, a lacuna também pode ser considera-da uma carga móvel. A figura a seguir mostra omodo como uma lacuna se movimenta.

Na figura pode-se ver que o íon formado pe-la saída do elétron mantém ligações covalentes

com outros três átomos em sua vizinhança. Esteacaba por atrair para si um elétron de um átomovizinho, tornando-o um íon em seu lugar. Se ima-ginarmos a repetição do fenômeno várias vezes alacuna poderá estar em qualquer ponto do materialmuito longe do local onde se originou.

Processo de movimentação de uma lacuna dentro de umcristal semicondutor. A) posição inicial das lacunas; B) po- sição final das lacunas (a rota seguida através do semicon-

dutor foi assinalada com setas).

Sem a atuação de um campo elétrico tantoos elétrons como as lacunas têm pouca movimen-tação, sendo esta denominada de deriva térmica .

Apesar de sob condições normais a forma-ção de portadores ser contínua, sua quantidade émuito pequena para que o material possa ser utili-zado para construir dispositivos eletrônicos.

Um meio de controlar a quantidade de por-tadores e selecionar qual o tipo desejado em maior número, lacunas ou elétrons, adicionam-se impu-rezas no semicondutor, as quais mudam as suascaracterísticas.

O material semicondutor puro é denominadosemicondutor intrínseco, sendo que os materiais

mais usados na industria são os semimetais Silícioe Germânio, e mais recentemente moléculas taiscomo o Arsenêto de Gálio.

Todos eles formam cristais que possuem

quatro ligações covalentes como as mostradas nafigura a seguir. Se substituirmos uma pequena

parte dos átomos do semicondutor (tetravalentes) por outros com cinco elétrons na camada de va-lência (pentavalentes) tais com o Fósforo, Anti-

mônio ou Arsênio, estes formarão todas as qua-tro ligações covalentes possíveis e sobrará um elé-tron que não participa de ligação alguma. Este elé-tron é fracamente ligado ao núcleo do átomo e por isto facilmente se desliga do local original e des-loca-se dentro da estrutura, sendo por isto deno-minado elétron livre.

A quantidade de átomos a serem substituí-dos para criar uma quantidade considerável de elé-trons livres é de apenas alguns entre um milhão deátomos do semicondutor.

O semicondutor dopado com estes átomos pentavalentes tem como característica possuir umnúmero grande de elétrons livres, por isto ele édenominado semicondutor extrínseco tipo N.

Os átomos pentavalentes usados são chama-dos de impureza doadora por que tendem a doar elétrons.

Se ao invés de empregarmos átomos penta-valentes utilizarmos átomos trivalentes para dopar o semicondutor, todos os três elétrons irão partici-

par de ligações covalentes e ao menos um átomo

ao seu redor ficará com um elétron sem participar de ligações.

A) Semicondutor dopado com impureza pentavalente (doa-dora); B) Semicondutor dopado com impureza trivalente (a-

ceitadora)

O efeito é semelhante ao de uma lacuna pois




os átomos tentem a ficar com oito elétrons na ul-tima camada, sendo possível que o elétron do se-micondutor ganhe energia o suficiente para se des-ligar e seja absorvido pelo átomo da impureza,

preenchendo a lacuna original, o que resultado na

falta de um elétron no semicondutor e este tende-ria a absorver outro de um dos átomos circundan-tes o que cria uma lacuna que se desloca dentro daestrutura.

As impurezas trivalentes introduzidas sãochamadas de aceitadoras e o semicondutor dopadocom este tipo de impureza tem portadores de car-ga positivos (lacunas) e por isto são denominadossemicondutores extrínsecos tipo P.

Quase todos os dispositivos semicondutoressão feitos de semicondutores dopados com impu-

rezas, doadoras ou aceitadoras, formando semi-condutores tipo N ou tipo P. O semicondutor dotipo N tem grande quantidade de elétrons livres eseria de se imaginar que nele não haveria mais la-cunas. Isto não é verdade, pois o processo de for-

mação térmica de pares elétrons-lacunas persistee, portanto, haverá portadores positivos em pe-quena quantidade. Por este motivo, em um semi-condutor tipo N, os elétrons são denominados

portadores majoritários, enquanto que as lacunassão chamadas de portadores minoritários, pois e-xistem em um número muito reduzido.

O contrário vale para o semicondutor tipo P,onde os portadores minoritários são os elétrons eas lacunas são os portadores majoritários.

2.1 - JUNÇÃO "PN"

A esmagadora maioria dos dispositivos se-micondutores usa, simultaneamente, diversas ca-madas sobrepostas de semicondutores tipo N e ti-

po P com características de dopagem e geometriatais que obtêm um comportamento controlado.Desta forma é necessário estudar o que ocorrequando colocamos em contato materiais de doistipos diferentes.

Analisando a figura acima, podemos obser-var que ao se colocar os dois materiais em contatoformando uma junção existe uma grande quanti-dade de elétrons livres no material N e lacunas no

material P (figura A). Pela proximidade, a difusãotérmica leva a migração de elétrons dos átomos pentavalentes do lado N para as lacunas trivalen-

tes do lado P (figuras B e C). Uma das conseqüên-cias é a formação de íons positivos do lado N quesão os átomos pentavalentes que perderam 1 elé-tron e íons negativos do lado P que são átomostrivalentes que capturaram um elétron (figura D).

Ë fácil imaginarmos que o processo conti-nuaria até que todos os elétrons livres do lado Nmigrassem para o lado P, se combinando com aslacunas. Entretanto, para cada um que atravessa a

barreira ocorre a formação de um íon e estes vãose acumulando de um lado e de outro da barreira(figuras E e F). Chega-se então a um ponto emque a presença dos íons de mesmo sinal do ladooposto da barreira cria um campo forte o bastante

para repelir os elétrons e as lacunas que se apro-ximam dela (figura G), evitando, deste modo, queeles possam atravessá-la a temperatura ambiente.

O tipo de material determina o ponto de equilibroem que ocorre a interrupção da recombinação decargas.

Na região da junção, devido a presença deíons negativos no lado N e positivos do lado P, e-xiste uma região muito estreita onde não há porta-dores de carga presentes. Esta região da barreira édenominada região de esgotamento. Note que,apesar de existirem íons dentro do cristal semi-condutor, este permanece neutro como um todo

pois sua carga líquida (soma total da carga dos í-

ons positivos e negativos) é nula .




2.2 - JUNÇÃO "PN" POLARIZADA

Vimos até este momento o que ocorre aocolocarmos dois materiais semicondutores emcontato.

Vimos também que se formou uma barreirade potencial devida à existência de íons dos doislados do ponto de contato.

Todas as considerações foram feitas semque houvesse nenhuma tensão externa aplicada à

junção.Se aplicarmos uma tensão através da barrei-

ra com a polaridade indicada na figura a seguir,estaremos polarizando-a diretamente .

Nela a tensão positiva é aplicada ao terminalP (anodo) e a negativa ao terminal N (catodo).

Nesta condição, a tensão tende a extrair elétronsdo lado P, aumentando o número de lacunas pre-sentes, e empurrá-las em direção à barreira. Aomesmo tempo são injetados elétrons do lado N eestes são também empurrados para a barreira.Uma vez ali, as lacunas do lado P se recombinamcom os elétrons do lado N, fechando o circuito.

Para que o processo acima se estabeleça seránecessária uma tensão mínima, pois o campo deveser intenso o suficiente para forçar elétrons atravésda barreira de potencial. Esta tensão mínima é de-nominada tensão de limiar e dependerá do materi-al e da temperatura em que se encontra. Para jun-ções de Silício a tensão é de 0,7V e para o Ger-mânio 0,2V. Nessa situação, o suprimento de elé-trons e lacunas livres é muito grande pois estessão injetados continuamente pela fonte .

A junção deste modo terá uma resistência baixa permitindo a condução e se observará uma parte de tensão devido à tensão de limiar (Vj).

Se polarizarmos a junção conforme a figuraa seguir (reversamente), a tensão tenderá a atrair elétrons da região N e lacunas da região P. Por es-ta razão, para cada elétron e lacuna retirados domaterial, se formam dois novos íons na região deesgotamento, alargando-a até que o campo criado

por eles impeça que novos elétrons e lacunas pos-sam ser retirados da junção. Isto acarreta quemesmo com tenções reversas elevadas a correnteque circula no circuito seja extremamente baixa.

Esta corrente reversa é denominada correntede fuga e se origina de pares elétrons-lacunas cri-ados termicamente ou por radiação .

A junção polarizada reversamente apresen-tará uma resistência elevada. Conforme for au-mentada a tensão reversa, mais íons se acumulamna barreira e mais ela se alargará. O limite máxi-

mo de tensão reversa que a junção pode suportar édeterminado pelo limite de expansão da barreira.Uma vez superado este limite, a fonte de tensãoconsegue vencer a repulsão eletrostática da bar-reira e força a corrente através dela. Caso a cor-rente reversa não for controlada o material semi-condutor usualmente fundirá.




3 - DIODOS

O primeiro dispositivo semicondutor que es-tudaremos será o diodo. A construção mais co-mum para esta família de componentes é uma jun-ção PN com dois terminais externos, cujo compor-tamento foi estudado anteriormente em detalhes.

O diodo semicondutor é muito utilizado co-mo dispositivo retificador, para tanto é exploradasua característica de conduzir corrente apenas nosentido direto.

Montagem interna e simbologia de um diodo

Os diodos são componentes com dois termi-nais, sendo que o terminal ligado a região P é de-nominado de ânodo (A) e o terminal ligado á regi-ão N é denominado cátodo (K).

Para o emprego do diodo como retificador vamos inicialmente idealizar as características queele deveria possuir.

Nosso modelo ideal possui capacidade deconduzir uma quantidade ilimitada de corrente,quando polarizado diretamente, se comportandocomo um curto circuito perfeito. Deve passar doestado de corte (não condução) para condução eda condução para o corte imediatamente e supor-tar uma tensão reversa ilimitada com uma correntede fuga nula.

A figura a seguir representa o tal diodo reti-

ficador ideal, sob o ponto de vista da corrente que por ele circula, uma vez imposto um valor de ten-são entre seus terminais. Note que a corrente atin-ge valor ilimitado tão logo a tensão cruza o eixodo zero.

Diodo retificador ideal

Ao fazermos uso deste componente ideal pa-ra se retificar uma tensão teríamos a possibilidadede recuperar as componentes positivas de qual-quer forma de onda sem distorções.

Na figura a seguir temos dois tipos de tensãode entrada ( ) e suas respectivas curvas

após a passagem pelo diodo (tensões de saída i-guais a .

e2e1 VeV

s2VeV )s1

Tensão retificada por um diodo ideal




O diodo real possui limitações de velocidadede chaveamento entre estados, tensão reversa limi-tada e não conduz corrente até ser atingido um de-terminado valor que depende do material.

Gráfico VxI para um diodo

No gráfico pode-se ver a tensão necessária para iniciar a condução de corrente. Note que acorrente cresce exponencialmente e, com apenasalguns volts de polarização direta, se pode chegar,em hipótese, a centenas de ampères. A corrente defuga e a tensão reversa expressas no gráfico estãofora de escala pois, a corrente de fuga é muitomenor que a direta (da ordem dos microampéres

para o Ge e nanoampéres para o Si), do mesmomodo que a tensão necessária para se atingir avoltagem de ruptura VR é centenas ou milhares devezes maior que a tensão direta de condução.

Fazendo uso do mesmo circuito anterior mas

agora considerando as imperfeições do componen-te real temos a introdução de distorções na ondaretificada. Tais distorções são mostradas na figuraa seguir, notando-se o efeito de ceifamento dastensões abaixo do valor Vj , visíveis nos gráficos

Vs1 e Vs2 em comparação com a os resultados ide-ais Vsi1 e Vsi2.

Tensão retificada por um diodo real

3.1 - Especificações

Para se dimensionar um diodo devemos ter em mente as principais características de funcio-namento e sua aplicação. Diodos projetados pararetificar sinais de potência podem suportar corren-te direta e tensões reversas elevadas mas tem adesvantagem de se tornarem mais lentos ou sejanão passam do estado de condução para o corterápido o suficiente para serem usados em alta fre-qüência. Por este motivo existe no mercado umagama muito grande de diodos otimizados para o-

perar com tensões reversas e correntes mais bai-

xas, mas com freqüência de operação máxima e-levada e estes são denominados diodos de sinal oudiodos de uso geral.

Para diodos retificadores de potência os

principais parâmetros a serem considerados são acorrente direta média que suportam e sua máximatensão reversa. Para aplicações mais críticas deve-se considerar também a resistência de corpo docomponente, que é a sua resistência ôhmica e suacorrente de pico, podendo esta ser dezenas de ve-zes maior que a média, mas sustentável apenas por curtos períodos de tempo.

Para diodos de sinal além da corrente diretae da tensão existe o parâmetro de tempo de recu-

peração que é o tempo necessário para que o dio-

do passe do estado de condução para o corte. Na figura a seguir estão ilustrados diversos

tipos de diodos encontrados no comércio. Pode-sever que é grande a variedade de formas de cons-




trução. Podem ser observados invólucros de cerâ-mica com extremidades metálicas, tubos de vidrocom extremidades metálicas, invólucros totalmen-te de vidro, cápsulas plásticas, cápsulas de metalcom revestimento plástico e invólucros metálicos

com parafuso de montagem.Algumas das formas em apreço represen-

tam, principalmente, as preferências de determi-nados fabricantes. Outras têm uma função especí-fica, como é o caso da montagem por parafuso,que pode ser usada para dissipar o calor geradonos retificadores de potência.

Embora nem sempre seja observado facil-mente, muitas cápsulas de diodos são marcadascom uma seta, que mostra o sentido de conduçãoda corrente. Como alternativa, o ânodo do diodo

pode ser marcado com um ponto vermelho.

As marcações em questão facilitam o examedas ligações pelos técnicos, nos processos demontagem e reparação.

Os diodos podem ser usados para diversosfins dentre estes vamos ver, nos capítulos a seguir,alguns circuitos que os empregam.




4 - RETIFICADORES

É sabido que a corrente alternada (C.A.)muda periodicamente seu sentido de circulação,que, além disso, sua amplitude está constantemen-te variando e que, por outro lado, existem circui-tos que não podem ser alimentados por correnteelétrica com estas características, mas por correntede valor e sentido constantes no tempo, ou seja,corrente contínua (C.C.).

Se, ademais, temos em conta que é muitomais exeqüível a energia elétrica na forma de C.A.do que de C.C., surge a necessidade de utilizar dispositivos capazes de realizar tal conversão. Es-

ses circuitos recebem o nome genérico de fontesde alimentação (f.a.) ou conversores AC/DC.

Uma fonte de alimentação está formada por vários blocos, que basicamente são:

♦

retificador;♦ filtro;♦ estabilizador;♦ sistema de regulação.

Neste capítulo, estudaremos o bloco funda-mental e indispensável em qualquer fonte de ali-mentação: o retificador.

4.1 - Descrição Básica

Os retificadores são uma das aplicaçõesmais importantes dos diodos semicondutores.

Existem três tipos básicos:- meia onda;- onda completa ou dupla onda;- dupla onda em ponte de Graetz ou, simplesmente, ponte retificadora.

Aproveitando o comportamento unidirecio-nal do diodo e mediante a conexão adequada, con-segue-se forçar a circulação de corrente em um só

sentido através da resistência de carga (R L), querepresenta o circuito que necessita ser alimentado

com C.C.Com o retificador de meia onda (M.O.) con-

segue-se um sinal pulsante de meio ciclo de dura-ção durante cada período, enquanto, com os retifi-cadores de onda completa (O.C.), obtêm-se doisciclos unidirecionais num mesmo período.

O sistema para eliminar a tensão alternadade entrada não é outro senão a utilização, comointerruptor, do diodo, pois a troca de polaridade datensão de entrada provoca a sua polarização rever-

sa durante todo o semiciclo.

4.2 - Retificador de Meia Onda

Fixemo-nos no circuito da figura a seguir. Éum circuito série composto por um diodo (D),uma carga (R L) e fonte de tensão alternada V i (V ef = 0,707 V p).

Em qualquer momento, a soma das quedasde tensão no circuito deve ser igual à fornecida pela fonte V i.

Nas formas de onda do gráfico, quando V i des-creve o semiciclo positivo (A positivo em relação a

B), o diodo D está polarizado diretamente, deixando passar a corrente no sentido indicado, provocandouma queda de tensão no diodo de V D = 0,7 V.

E, portanto, a tensão em R L será:

V RL = V i - V D = V i - 0,7 (para V i ≥ 0,7 V)Observe que durante este semiciclo C é po-

sitivo em relação a B. No seguinte semiciclo de V i, o ponto A está




negativo em relação a B e, neste caso, D polariza-se inversamente; se desprezamos a pequena cor-rente reversa, o diodo não deixa circular corrente

pelo circuito (comporta-se como um interruptor aberto), desta forma, V RL = 0 V.

Retificador de meia onda

Conseguimos, assim que circule corrente por R L apenas em um sentido, o que é igual a apli-carmos tensão a R L com uma única polaridade: C

positivo em relação a B.

Diagrama das tensões no retificador de meia onda

4.3 - Retificador de Onda Completa (usando transformador de tap central)

No circuito da figura a seguir, qualquer dasmalhas A - D1 - R L - C ou B - D2 - R L - C consti-tui, por si mesma, um retificador de meia onda.

Retificador de onda completa

A necessidade de dispor de duas tensões deentrada (V i1 e V i2 ) de igual amplitude, mas defa-sadas 180°, geralmente é satisfeita empregandoum transformador com tomada central, tambémconhecido por retificador com "Tape" Central("Center Tape"), como o da figura acima, e fazen-do desta a massa ou ponto de referência.

Por ser de tomada central V AC = V CB e res- peitando a polaridade do sinal num dado instante,faz-se: V AC = - V BC

Mediante isso, conseguimos que sempre umdos dois diodos esteja polarizado diretamente e,

portanto, que circule em todo momento corrente

por R L.Vejamos como ocorre, observando o dia-grama de tensões do gráfico ao lado.

Quando A é positivo em relação a C, B énegativo em relação ao mesmo ponto; portanto D1

conduz e D2 está em corte; desta forma, a correnteque circula por R L (linha tracejada) é devida a vi1,sendo a tensão em R L:

V RL = V i1 - V D1 = V i1 - 0,7 V (para Vi ≥ 0,7 V)

Diagrama de tensões num retificador de onda completa

Quando a polaridade muda, ou seja, quandoB é positivo em relação a C, A é negativo. Com-

parando diretamente V AB com V RL, conseguimosque durante ambos os semiciclos de V AB circulecorrente por R L.

V RL = V i2 - V D2 = V i2 - 0,7 V (para V i ≥ 0,7 V)

Note que em ambos os casos o valor de V RL é significativamente igual e que o sentido da cor-

rente por R L tem sido o mesmo, isto é, D é positi-vo com relação a C.Os valores médios da tensão em R L serão,

portanto, diferentes e maiores que no retificador de M.O.




4.4 - Retificador de Onda Completa (em Ponte)

Esta montagem pretende solucionar o in-conveniente de o retificador de dupla onda ter queutilizar transformador com tomada central ou

qualquer outro dispositivo defasador.A configuração da figura a seguir oferecesempre um caminho para a passagem da corrente

por R L, circulando desde C até D.

Ponte retificadora

Quando A é positivo em relação a B, o ca-minho é D2, R L, D3 (linha tracejada). Quando tro-ca a polaridade de vi, o percurso é D4, R L, D1 (li-nha pontilhada).

Estudemos o diagrama de tensões mostradoao lado.

Quando V i está no semiciclo positivo, D2 eD3 estão polarizados diretamente, circulando cor-rente por R L e provocando duas quedas de tensão,V D2 e V D3 , praticamente iguais e próximas a 0,7V, sendo então a tensão em R L:

V RL = V i - (V D2 + V D3 ) = V i - 1,4 V (para V i

≥ 1,4 V)Ao trocar a polaridade de vi, B toma-se posi-

tivo em relação a A; então D1 e D4 conduzem,

deixando circular de novo corrente por R L, sendoentão a tensão em seus terminais:V RL = V i - (V D1 + V D4 ) = V i - 1,4 V (para V i

≥ 1,4 V)

Diagrama de tensões na Ponte Retificadora

Em ambos os casos a corrente circula nomesmo sentido por R L, sendo C positivo em rela-ção a D. Observe que os resultados são similares

aos do retificador com "tape" central, mas agoraV RL é 1,4 V menor que V i, já que a corrente temque atravessar dois diodos e provoca duas quedasde tensão em lugar de uma.

Pelo exposto, deve-se questionar o empregodeste circuito em montagens com tensões de en-trada de valores consideravelmente baixos.

4.5 - ConclusõesQualquer dos três circuitos estudados con-

segue que a corrente que circula pela resistênciade carga seja unidirecional; agora, ao existir dife-

renças substanciais, cada um oferece vantagens einconvenientes, que resumimos de forma breve.

Tipo de Retificador Vantagens Inconvenientes

Meia Onda (M.O.) Simplicidade, economia Mau aproveitamento da tensão aplicada

Onda

Completa

Trafo deTap Central

Bom aproveitamento da tensão aplicada Necessidade de utilizar transformador detomada central

(O.C.) Ponte Economia, bom aproveitamento da tensãoaplicada

Quedas de tensão importantes para valores baixos de tensão aplicada




5 - FILTROS

No capítulo anterior, depois de vermos a ne-cessidade de converter C.A., em C.C., demos um

primeiro e importante passo neste sentido: retifi-car a corrente, ou seja, conseguir corrente unidire-cional, mas pulsante. Sem dúvida, estamos longede que esta corrente seja capaz de alimentar, em

boas condições, circuitos que requerem C.C., devalores aceitavelmente estáveis.

Necessitamos acrescentar ao retificador al-gum novo bloco que melhore os resultados obti-dos no anterior. Um destes blocos é o chamadofiltro, que é o objetivo deste capítulo.

Os filtros baseiam-se na capacidade de ar-

mazenar energia elétrica dos componentes reati-vos (bobinas e capacitores).

Os capacitores armazenam energia devido asua carga rápida por meio da pequena resistênciadireta do diodo e perdem-na quando são descarre-gados muito lentamente por meio da resistência desaída, conseguindo como resultado manter umatensão praticamente constante nos terminais dela.

Existem quatro tipos básicos de filtros:- por capacitor;- em "PI" ( π ) resistivo;- por auto-indução;- em π indutivo, de pouco interesse para nós.

5.1 - Filtro por capacitor

O filtro por capacitor consiste exclusiva-mente em conectar um capacitor C (Figura 3.1) decapacitância elevada em paralelo com a carga.

Retificador de M.O. com filtro capacitivo

Vejamos seu funcionamento servindo-nosdo diagrama de tensões do gráfico ao lado.

Suponhamos C inicialmente descarregado eo primeiro semiciclo positivo; D conduz e C car-rega-se quase seguindo as variações de V i, devidoà baixa resistência direta (R F) de D (alguns ohms);uma vez alcançado o valor máximo (+V p) no ins-tante t 1, V i começa a diminuir e, portanto, a tensãono anodo de D, mas não no catodo, já que esta se-gue as variações de V C , mais lentas devido ao fatode que C descarrega-se por meio de R L, e, comoR L > >R F então a constante de tempo de descargaé muito maior que a de carga.

Efeito do filtro sobre a tensão em R L

Nestas circunstâncias, D fica cortado e per-manece assim até que, chegado um novo ciclo po-sitivo, a tensão de anodo fica maior que a de cato-do, ou seja, V i > V RL : desde t2 até t3.

Observe que, exceto no primeiro semiciclo,D só conduz no intervalo t2 e t3, tempo em que Ccarrega-se de novo, e durante o resto do tempo t1 -

t2 ou t3 - t4 é C quem fornece tensão a R L, à custade uma descarga mais ou menos rápida, depen-dente dos valores de C e R L.

Fixando-nos na forma de onda de V RL e




comparando-a com a mesma do gráfico, aprecia-mos várias diferenças:

- R L tem permanentemente tensão aplicada;- A tensão varia apenas entre 2 valores mais

ou menos próximos (+V p e Vm) e, no Gráfico 2.1,

varia entre o máximo +V p e 0.O resultado evidente é que conseguimos

uma tensão muito mais parecida com a C.C. cons-tante, todavia com variações.

5.2 - Filtro em π resistivo

Recebe este nome pela disposição dos componentes, assemelhando-se à letra grega π.

Retificador de meia onda com filtro em π

No filtro com um capacitor não falamos delimite algum para o valor de C; não obstante, estecomponente só pode alcançar certos valores, jáque, na suposição de estar descarregado inicial-mente, iria comportar-se como um curto-circuitoe, se no momento da conexão coincidir com um

valor alto de V i, a corrente que atravessaria o reti-ficador poderia chegar a destruí-lo; logicamente,se C é muito alto, o tempo que esta corrente é ele-vada seria maior que no caso de valores menoresde C. Quando se requerem melhores filtros e o va-lor de C não pode aumentar mais, utiliza-se o fil-

tro em π.Seu funcionamento é basicamente igual ao

anterior.A função principal de R 1 é limitar o valor

máximo da corrente de pico que atravessa o diodo.C1 carrega-se por meio da resistência interna

do diodo e descarrega-se por meio de R 1, R L e C2.Por outro lado, C2 carrega-se por meio da mesmaresistência interna do diodo e de R 1; portanto, suacarga é mais lenta que a de C1; a descarga de C2 faz-se por intermédio de R L. Note que as variaçõesda tensão nos extremos de C2 são muito menoresque em C1, já que as variações de sua carga vêm

já afetadas pelo efeito de C1; dessa forma, conse-guimos diminuir as ondulações da tensão aplicadaà carga e melhorar o efeito do filtro por capacitor.

Esta disposição entrega uma tensão para a

carga ligeiramente inferior à entregada pelo filtrocom um capacitor, devido à queda de tensão pro-vocada nos extremos de R 1 pela corrente que ab-sorve a carga IL; portanto, há de se levar em contao valor previsível de IL na hora de calcular o valor de R 1 neste circuito.

5.3 - Considerações Gerais

O valor de C não pode ser excessivamentealto porque a corrente inicial de carga pode ser muito elevada e ultrapassar o valor de Ifmáx indica-do nas características do diodo, e levando a suadestruição.

Por outro lado, tenha em conta que, com omesmo circuito de filtro, num retificador de M.O.obtém-se um tempo de descarga de C maior que

num de O.C., dando portanto lugar a maiores on-dulações na tensão aplicada a R L.

Deve-se ter em conta que a tensão inversa(V r ) que suporta o diodo é a tensão de pico de V i mais a do capacitor C, que é aproximadamenteV pp, devendo escolher um diodo cujo V r seja mai-or que V pp.




6 - LIMITADORES E MULTIPLICADORES

6.1 - Limitadores

Os limitadores são circuitos que tem por fi-nalidade evitar a tensão em um circuito ultrapasse

um determinado valor. Um método para se obter este efeito é empregar a tensão de junção do dio-do para fazê-lo. A seguir vamos analisar algunslimitadores de tensão.

6.1.1 - Limitador completo

A figura a seguir é um limitador completo. Nele a tensão presente em sua entrada (Ve) passa por uma resistência em série com dois diodos emantiparalelo.

Limitador completo

Até a tensão Ve atingir o valor da junção osdiodos não conduzem e a tensão passa integral-mente para a saída Vs, após o valor de Ve ultra-

passar a tensão de junção os diodos passam a con-duzir evitando que a tensão de saída acompanhe a

de entrada, a diferença de tensão fica presente noresistor em série, deste modo se houver uma ten-são de entrada de -100V a saída será limitada á -0,7 V para diodos de Si e a tensão sobre o resistor

será de –99,3V o que serve para evidenciar a ne-cessidade de considerar a dissipação de potência

no resistor. Se quisermos aumentar a tensão nosdiodos, podemos colocar dois ou mais diodos emsérie na configuração antiparalelo, conforme mos-tra a figura a seguir, ou usar diodos especiais (tipoZener), que veremos no próximo capítulo.

6.1.2 - Limitadores incompletos

As figuras a seguir mostram limitadores in-completos, sendo que a primeira é de um limitador negativo e a segunda de um limitador positivo.

Limitador positivo

Limitador negativo

Há situações em que uma tensão precisa ser limitada em valores maiores que Vj. Para fazê-lo

pode-se usar dois artifícios: um é a colocação devários diodos em série como na figura a seguir ouusar diodos especiais chamados diodos Zener, queestudaremos mais adiante.




6.2 - Multiplicadores de tensão

São circuitos que, alimentados com tensãoalternada com um determinado valor, são capazesde convertê-la em uma tensão continua várias ve-

zes maior, sendo uma opção econômica para subs-tituir um transformador. Um exemplo típico é otriplicador de tensão usado em televisores à coresque triplica uma tensão de 12000V vinda de umtransformador chaveado, evitando a montagem deum transformador capaz de suportar 36000V.

Na figura a seguir é mostrado o fluxo decorrente no duplicador de tensão de meia onda.

Nele, durante o semiciclo negativo, ocorre a cargado primeiro capacitor pela corrente indicada em(a). Num segundo momento (b), a tensão atinge o

máximo positivo bombeando a carga do primeirocapacitor para o segundo. O bombeamento de car-ga para após alguns ciclos e a tensão no segundocapacitor atinge aproximadamente 2Vp.

As figuras a seguir representam um triplica-dor (a) e um quadruplicador de tensão (b).

O principio empregado nestes multiplicado-

res pode ser empregado para produzir multiplica-dores de maior ordem apenas por adição de novosestágios. Todos os capacitores, exceto o primeiro,terão entre seus terminais uma tensão de 2Vp e o

primeiro Vp.

O duplicador de tensão pode ser empregado

como medidor de tensão pico a pico, uma vez queo valor final armazenado depende do valor de picoda tensão de entrada e não de seu valor médio.




7 - DIODOS ESPECIAIS

7.1 - Diodo Zener

No Capítulo onde estudamos o diodo semi-condutor, informamos que, ao polarizar um diodo

inversamente, alcançaríamos sua destruição deduas formas: por efeito avalanche ou por efeitozener.

Pois bem, essa limitação (ruptura por efeitozener) é aproveitada no diodo zener, encontrandosuas principais aplicações em reguladores de ten-são e como elementos de referência de tensão paraoutros circuitos. Na presente prática do seu estudonos ocuparemos primeiro como componente iso-lado e, posteriormente, como elemento regulador.

7.1.1 - Descrição BásicaO diodo zener baseia seu funcionamento no

efeito zener, daí seu nome.Recorde que, na polarização inversa e al-

cançada a zona de ruptura, a pequenos aumentosde tensão correspondem grandes aumentos de cor-rente.

Este componente é capaz de trabalhar nessaregião quando as condições de polarização o de-terminam e, uma vez tenham desaparecido, recu-

pera suas propriedades como diodo normal, nãochegando por este fenômeno a sua destruição, anão ser quando a corrente ultrapassa a máximacorrente IZmax indicada pelo fabricante.

Diodo Zener: símbolos esquemáticos e aspecto físico

Logicamente, a geometria de construção édiferente dos outros diodos, evidenciando sua

principal diferença na delgadeza da zona de uniãoentre os materiais tipo P e N, assim como na den-sidade de dopagem dos cristais básicos.

Seus parâmetros principais são:VZ = Tensão nominal do zener. Polarização

reversa em torno da qual seu funcionamento é efe-tivo.

IZmin = Mínima corrente reversa para assegu-rar seu correto funcionamento, também chamadacorrente de manutenção.

IZmax = Máxima corrente reversa que o diodo

suporta com a garantia de não ser destruído.PZ = Potência nominal do componente quenão deve ser ultrapassada.

Existem símbolos distintos para sua repre-sentação esquemática; a figura anterior apresentaos mais usuais e seu aspecto exterior, que não di-fere em nada dos diodos semicondutores normais.Em seu corpo, encontram-se informações referen-tes a seu tipo e a sua tensão nominal de zener.

7.1.2 - O Zener como Componente

Como já exposto, o diodo zener está ideali-zado para trabalhar com polarização inversa. Seufuncionamento em polarização direta é igual aqualquer diodo semicondutor.

A figura a seguir corresponde a sua caracte-rística tensão-corrente, e nela nos apoiaremos paraestudar seu funcionamento.

Quando o zener está polarizado reversamen-te, com pequenos valores de tensão alcança-se acorrente reversa de saturação, praticamente está-

vel e de magnitudes desprezíveis para efeitos prá-ticos.Aumentando a tensão de polarização inver-

sa, alcançamos um determinado valor, denomina-do tensão de cotovelo, ou de ruptura, onde os au-




mentos de corrente são consideráveis frente aosaumentos de tensão (observe o gráfico da Figura4.2, onde está indicada a tensão de ruptura). Ul-trapassada esta zona, a pequenos aumentos da ten-são correspondem aumentos elevados de corrente

IZ.

Característica tensão-corrente do diodo zener

Alcançada a situação anterior, encontramo-nos na região de trabalho efetivo do zener. Deve-mos tecer certas considerações neste momento:

1. É necessário garantir que, na região detrabalho, o diodo conduza uma corrente reversa nomínimo igual a IZmin, indicada pelo fabricante paraexcluir a região de ruptura (cotovelo) do funcio-namento normal.

2. Não se deve ultrapassar em nenhum caso

IZmax para assegurar a durabilidade do componen-te.

3. Estes dois valores de IZ levam associadosum par de valores de tensão VZ; aproximadamen-te, o valor médio deles representa a tensão nomi-nal zener VZnom. E, por isto, expressa-se nas carac-terísticas uma porcentagem de tolerância sobre atensão nominal.

4. A potência dissipada em cada momento,PZ,, virá expressa pelo produto dos valores instan-

tâneos de VZ e IZ.5. Os valores de IZmin e IZmax com seus valo-res de VZ associados representam a região de tra-

balho. Neste momento estamos em condições de

assegurar que, na região de trabalho, o zener é capaz de manter em seus extremos uma tensão con-sideravelmente estável.

7.1.3 - O Zener como Regulador de Tensão

Em muitas circunstâncias, a tensão aplicada

a uma carga pode sofrer variações indesejáveisque alteram o seu funcionamento normal.

Essas variações geralmente são provocadas por:

1. Uma variação da resistência de carga, que provoca uma variação da intensidade de carga;

2. Variações da própria fonte de alimenta-ção;

3. Ambas as causas.

Se escolhemos um diodo zener de tensãonominal igual a que é necessária aplicar na carga esomos capazes de fazê-lo funcionar em sua regiãode trabalho, conseguiremos uma tensão sem varia-ções.

Suponha que queiramos alimentar uma car-ga que absorve uma corrente que pode variar entreILmin e ILmax, para uma tensão VL . Para isso, dis-

pomos de uma fonte de alimentação VA.Devemos observar algumas condições mí-

nimas para elaboração do projeto com êxito. Estas

condições são:1. Projeta-se o circuito para as piores condi-

ções, isto é, ILmax.2. O zener deve estar conduzindo em todo

momento uma corrente IZmin para assegurar seuefeito regulador;

3. A tensão da fonte tem que ser em todomomento maior que a aplicada à carga para asse-gurar IZmin;

4. Devemos dispor de uma resistência limi-tadora em série que absorva a diferença de tensão

entre VA e VL; será R lim.Desta forma, o circuito seria como o repre-

sentado na figura a seguir, no qual o zener assegu-ra a estabilidade da tensão VL.

Diodo Zener como regulador de tensão

O mesmo raciocínio se aplica a um circuitode carga fixa e fonte variável ou a um circuito defonte e carga variável.

Em determinados casos em que não se dis- põe de diodos zener adequados às necessidades docircuito, é possível conectar em paralelo diodos

zener de igual tensão nominal até conseguir que acorrente máxima que se deriva seja menor que asoma das IZmax características dos diodos.

Igualmente, podem-se conectar diodos zener em série até conseguir que a tensão soma das no-




minais seja igual à tensão que é necessário estabi-lizar, sempre que cada um dos zener esteja dentrode suas especificações de corrente e de potênciadissipável.

Associação de diodos zener

7.1.4 - Conclusões

- No diodo zener, uma vez alcançada a ten-são de zener, a pequenos aumentos de tensão cor-

respondem grandes aumentos de corrente.- Em polarização direta, o zener comporta-

se como um diodo semicondutor qualquer.- Ao empregá-lo como regulador, é preciso

assegurar uma corrente mínima IZmin, para excluir

a região de ruptura da zona de trabalho e conse-guir uma boa estabilização.- A corrente IZmax que circula pelo zener tem

que ser limitada por uma resistência (R lim) paranão ultrapassar a IZmax indicada nas característi-cas.

- Pode-se realizar associações série e parale-lo de diodos zener para conseguir os mesmos efei-tos de diodos zener teóricos não disponíveis nomercado, sempre que não forem ultrapassadas asespecificações de cada um deles.

7.2 - Diodos Emissores de luz - LED

Diodos emissores de luz são diodos que temcomo característica a emissão de luz quando po-larizados diretamente.

A luz se origina quando elétrons livres sãorecapturados por lacunas no material semicondu-

tor. Quando isto ocorre, há emissão de energia naforma de um fóton. Normalmente a freqüência daluz emitida é infravermelha e deste modo o invó-lucro do diodo absorve a energia aquecendo-se. Oled tem uma composição tal que a freqüência daluz emitida está no espectro visível.

O diodo Led emite luz pura ou seja de umacor unicamente e o sortimento de cores disponí-veis não é grande, sendo usualmente encontradono mercado diodos vermelhos, verdes e amarelose mais recentemente azuis.

Os Leds tem correntes típicas entre 2 e50mA e queda de tensão variando de 1,6 a 2,1V,conforme a cor, já se fabricando leds com quedade 12V.

Existem diodos Led feitos para emitir radia-ções invisíveis na faixa do infravermelho e estes

são amplamente usados em aplicações tais comocontrole remoto.

Para que o diodo Led emita luz ele deverá

ser polarizado diretamente de forma a que circuleuma corrente entre 2 e 19 mA, em se tratando dediodos de pequeno tamanho. Usualmente a corren-te direta é limitada apor um resistor de valor ade-quado, que pode ser calculado conforme o exem-

plo a seguir.

Exemplo: Calcular o valor do resistor a ser colo-cado em série com um Led que tem uma tensão de

barreira de 1,8 V (VLed) e é alimentado com umatensão de 10V.a - calculo da queda de tensão no resistor (V

R ).

V2,88,110 =−=−= Led R V V V

b - O valor do resistor dependerá da corrente quedecidirmos usar:




Para 5 mA teremos:

W041,0005,01640.

640.1005,0

2,8

22===

Ω===

xi R P

i

V R R

Para 2 mA teremos:

W0164,0002,04100.

100.4002,0

2,8

22===

Ω===

xi R P

i

V R R

7.3 - Foto Diodo

O foto diodo é um dispositivo sensor de luz. Nele, uma janela permite que a luz passe atravésdo invólucro e chegue até a junção. A luz é detec-tada como variação da corrente reversa de fugaquando a junção é iluminada.

Normalmente a corrente de fuga é propor-cional à temperatura do componente e, como foi

visto anteriormente, advém da formação naturalde pares elétron-lacuna devido ao efeito térmico.Entretanto, a luz incidente na junção aumenta emmuito o numero de pares e consequentemente acorrente de fuga.

O foto diodo é usado reversamente polariza-do e a intensidade da luz incidente é medida comovariação de tensão sobre um resistor de grande va-lor ligado em série com o diodo.

Estes componentes têm velocidades de res- posta muito maiores que os fotoresistores e podemser otimizados para serem mais sensíveis à umadeterminada faixa de freqüência de luz tal como aluz visível ou o infravermelho.

Simbologia e circuito de polarização.

7.4 - Diodo LASER

Trata-se de uma categoria especial de diodosLed que emitem luz com características coerentes,ou seja, a radiação apresenta apenas uma freqüên-cia e é emitida sempre em fase. A luz com estascaracterísticas é denominada LASER .

Os diodos LASER são utilizados numagrande quantidade de dispositivos eletrônicos, in-cluindo os Laser Pointers, leitores de códigos de

barras, detectores de objetivo e usados tambémcomo referência de posicionamento de máquinas eem trenas eletrônicas.

LASER significa Light Amplification byStimulated Emission of Radiation ou amplificaçãode luz por emissão estimulada de radiação.

A emissão de luz amplificada é diferencedas fontes de luz como as lâmpadas e leds.

Um exemplo tradicional utiliza um bastãode rubi com duas faces espelhadas internamente(ver figura a seguir). Em torno do bastão de rubi éenrolado um tubo de xenônio, tipo as de flashesfotográficos, porém de maior potência, e que é a-limentada por um circuito de descarga de alta ten-são.

Quando uma descarga de alta tensão é pro-duzida no tubo ele emite uma luz forte que é ab-

sorvida pêlos átomos do bastão de rubi.A população que estão no nível normal deenergia passa a ser menor que a população dos e-létrons que estão excitados ou no nível mais altode energia.

Depois do flashe, os elétrons não podem fi-car indefinidamente nos níveis superiores de ener-gia retendo a energia absorvida. Uma fração desegundos depois de absorvida a energia, os pri-meiros elétrons voltam ao seu nível anterior e,




nesse processo, devolvem a energia que absor-vem.

Conforme a distância entre o nível originalem que os elétrons estavam, temos a quantidadede energia devolvida nos processos, portanto, o

comprimento de onda radiação emitida.Um salto de energia maior significa luz demenor comprimento de onda ou maior freqüência.

O fóton de energia, que pode ser de luz visí-vel ou em outra freqüência do espectro, mas sem-

pre de freqüência única, tem como efeito estimu-lar os outros elétrons do material que estejam nonível mais alto de energia, fazendo com que elestambém tendam a devolver a energia absorvida.

Assim, "batendo" num elétron próximo, ofóton provoca a devolução de um novo fóton e

passamos a ter dois fótons emitidos dentro do ma-terial. Dois fótons podem "bater" em dois novoselétrons obrigando-os a descer de nível de energiae, conseqüentemente, a emissão de mais dois fó-tons. Os quatro fótons produzem oito e tudo issonum processo em cadeia muito rápido.

Os fótons que tendam a escapar do rubi nãoo fazem inicialmente, voltando para o interior domesmo de modo a acelerar o processo, pois as fa-ces do rubi são espelhadas. O efeito é explosivo enuma fração de segundo todos os elétrons são o-

brigados a devolver a energia absorvida de umaforma quase sincronizada emitindo fótons com amesma freqüência. A concentração desta energia étal que os espelhamentos já não conseguem maisreter o feixe de fótons produzidos e ele escapa pe-

lo lado mais fino na forma de um feixe de radia-ção concentrado e monocromático.

O exemplo é um feixe de laser pulsante de-vido à emissão só ser feita com pulsos intervalosdo flash.

No entanto, é possível obter o mesmo efeitode forma contínua. A radiação emitida é luz, e sua

cor depende do comprimento de onda ou da ener-gia dos fótons. No caso do rubi, essa radiaçãoemitida pelo laser está no espectro visível na for-ma de um feixe fino vermelho.

Dependendo do material utilizado o feixe poderá estar em outra faixa como a do ultraviole-ta.

Desse modo, se a quantidade de energia ab-sorvida em um segundo (que seria a duração do

pulso do flash) for de 1W e se o processo de emis-são posterior na forma de LASER durar um mili-

onésimo de segundo, ele corresponderá a uma po-tência instantânea de um milhão de watts. Isso ex-

plica porque um feixe de laser pode furar umachapa de aço.

Um laser comum, como os utilizados emCDs, têm potências muito pequenas de modo quenão tem efeito destrutivo. O funcionamento é se-melhante a um led já que utiliza o mesmo materialcomo o arseneto de gálio. Uma das formas de

provocar a emissão de laser num semicondutor éaplicar uma forte corrente no sentido direto.

Uma diferença com relação aos leds é quenão temos a emissão descontrolada de luz, massim a existência de uma câmara de ressonânciacom espelhamentos que permitem obter o efeitoda inversão da população dos átomos excitados e,depois, a emissão controlada pela volta dos elé-trons aos níveis normais de energia.




7.5 - Diodo SCHOTTKY

Um diodo comum em baixas freqüências pode desligar facilmente quando a polarização va-ria da direta para reversa. À medida que a fre-

qüência aumenta, o diodo chega num ponto ondenão pode se desligar rápido para evitar uma cor-rente considerável no sentido reverso.

Um diodo Schottky, devido ao processo defabricação, possui a característica de comutaçãode velocidade muita rápida.

A queda de tensão no sentido direto é prati-camente nula (microvolt). Nos diodos Schottky de

barreira alta o metal usado na barreira é o nicro-mo, enquanto que no de barreira baixa o materialé o nicromo-platina.

O tipo de geometria usada nesta estrutura éque determina as características desse componen-te. A baixa tensão direta e baixo tempo de recupe-

ração, devem-se ao metal usado no ponto em quese tem a barreira de potencial.A desvantagem com relação a um diodo

comum é que não podem ser fabricados com altastensões reversas e possuem elevada corrente defuga.

Uma das aplicações dos diodos Schottky énos computadores, cuja velocidade depende da ra-

pidez com que seus diodos e transistores conse-guem se ligar e desligar. Esse diodo tornou-se pe-ça fundamental nos circuitos TTL de baixa potên-

cia, um grupo de circuitos digitais amplamenteusados.




8 - O TRANSISTOR

8.1 - Introdução

Da mesma forma que o diodo semicondutor significou um grande avanço frente aos compo-

nentes substituídos funcionalmente, o transistor (dispositivo semicondutor também) não só ampliaos campos de aplicação da eletrônica de sua épocacomo propicia o início de uma evolução vertigi-nosa que, partindo dos anos 50 (momento de suainvenção por Shokiey, Bardeen e Brattain), chegaaos atuais circuitos integrados e microprocessado-res e deixa adivinhar a conversão da ficção cientí-fica em realidade.

Como resumo de suas aplicações, podemosdizer, sem risco apreciável de erro, que ele se en-

contra presente em todos os sistemas eletrônicos

discretos e integrados que realizam qualquer tra-tamento de sinais.

Existem duas grandes famílias de transisto-res, que são:• transistores unipolares;• transistores bipolares.Essa classificação baseia-se no tipo de por-

tadores de carga (elétrons e lacunas) que interfe-rem em seu processo de condução.

O primeiro transistor descoberto foi o bipo-lar e, neste momento, iniciamos seu estudo, tra-tando de descobrir suas peculiaridades e seu fun-cionamento.

8.2 - Descrição Básica

E um dispositivo cuja resistência interna pode variar em função do sinal de entrada. Essavariação de resistência toma possível regular acorrente que circula pelo circuito em que se en-contra conectado.

Desse comportamento como resistência va-riável deriva-se seu nome, do inglês: TRANsfer-reSISTOR.

Um transistor de união bipolar é um cristalsemicondutor em que um material tipo P ou N es-tá entre outros dois N ou P. No primeiro caso, otransistor é do tipo N-P-N e, no segundo, P-N-P.

O conjunto assim formado é fechado her-meticamente em uma cápsula metálica ou de plás-tico. Apresenta para o exterior três terminais deconexão que partem de cada uma das regiões se-micondutoras.

Na figura a seguir são mostrados a estruturae o símbolo esquemático correspondentes a cadatipo.

Observando a mesma figura podemos fazer uma idéia da geometria e natureza do componen-

te.

Estruturas simplificadas e símbolo do Transistor

O emissor está fortemente dopado e suamissão é injetar portadores de carga na base.

A base que está ligeiramente dopada é mui-to fina (alguns mícrons), sendo atravessada pelamaior parte dos portadores que abandonam o e-missor e dirigem-se ao coletor.

O coletor tem uma dopagem média e reco-lhe os portadores liberados pelo emissor que nãosão recolhidos pela base. É maior que as outrasregiões e dissipa mais calor.




Com um pouco de imaginação (dividindo a base em duas) podemos encontrar a figura abaixo.

Equivalência elementar do transistor .

Isso nos serve para apreciar a presença deduas junções PN, existindo, portanto, dois diodos(teoricamente falando): o diodo base-emissor, ousimplesmente diodo emissor, e o diodo base-coletor, ou diodo coletor.

Da mesma forma que existem diodos de si-

lício e de germânio, há transistores de ambos osmateriais. Enquanto não se diga o contrário, fa-remos referência implícita a transistores de silício,que conservam as mesmas vantagens que apresen-tavam os diodos de silício frente aos de germânio.

De igual modo realizaremos o estudo com transis-tores NPN, extensivo a transistores PNP, sabendoque neles os portadores majoritários são as lacu-nas e isto implica na troca de sentido das corren-tes e das polaridades das tensões.

Deve-se abandonar a possível idéia de cons-truir um transistor a partir da conexão de dois di-odos, pois as duas junções apresentam comporta-mento radicalmente distinto, devido sobretudo àdiferente geometria e, mais concretamente, às di-mensões da base e aos diferentes níveis de dopa-

gem em cada região do transistor.

8.3 - Polarização

Na ausência de tensões de polarização, oselétrons livres formam duas camadas de depleção

produzidas por recombinação entre lacunas (da base) e elétrons (do emissor e coletor), com uma

barreira de potencial próxima a 0,7 V (figura aseguir) intransponível para os portadores se nãolhes for fornecida energia suficiente.

Camadas de depleção nas junções do transistor

Isso, aplicado ao transistor, provoca um es-

treitamento da região efetiva da base.

Polarizações do transistor NPN (as setas de corrente indi-cam sentido eletrônico, ou seja, real)

Se conectarmos duas baterias da forma in-dicada na figura (a) acima, os dois diodos ficam

polarizados diretamente e, uma vez superados osvalores da barreira de potencial, circularão corren-

tes elevadas, devidas aos portadores majoritários, pelo emissor I E , pelo coletor I C e pela base, a so-ma de ambas, I B.

Invertendo as polaridades de V 1 e V 2 (figura b) , polarizam-se inversamente ambas as junções eas pequenas correntes que circulam são devidasaos portadores minoritários.

Polarizando diretamente o diodo emissor einversamente o diodo coletor (figura c), previsi-velmente deveria circular uma corrente elevada

pelo emissor e seria praticamente nula a de cole-

tor. Veremos que isso não é assim.Se V1 é suficiente para vencer o potencial

de barreira, os elétrons "emitidos" pelo emissor alcançam em grandes quantidades a região da ba-se, mas nem todos encontram caminho através da

base (recombinação) até o pólo positivo de V1 por duas razões:

1. A existência de poucas lacunas por causada baixa dopagem da base.

2. A pequena largura da base.Desta forma, a base satura-se rapidamente,

dando lugar a uma pequena corrente através deseu terminal.

O excedente de elétrons, a maioria, possuienergia suficiente para difundir-se até a zona de




depleção do coletor e, uma vez nela, é atraído pe-lo campo elétrico proporcionado por V2 (|V2||V1|).

Como visto anteriormente, podemos dizer que a maioria dos elétrons que abandonam o e-

missor (mais de 95% na maioria dos transistores)alcançam o coletor e circulam pelo circuito exter-no dele. O resto recombina-se com as lacunas da

base e circula por seu terminal externo.A figura a seguir esclarece essas idéias. Fluxos de corrente eletrônica no transistor NPN.

8.4 - Tensões e Correntes

No transistor da figura a seguir podemos a- preciar as tensões e diferenças de potenciais exis-tentes.

Tensões e correntes num transistor NPN.

Daqui para frente, seguiremos as seguin-tes convenções:

• As setas de corrente indicam o sentidoconvencional (do positivo para o negativo).• As letras de tensões e correntes e seus su-

bíndices em maiúsculas referem-se a c.c. e, em

minúsculas, a c.a.• Os símbolos V EB , V CB e V CE são, respecti-

vamente, tensão entre emissor e base, coletor e

base e, finalmente, coletor e emissor.• O mesmo subíndice duas vezes representa

a tensão da fonte que alimenta esse terminal.• Um terceiro subíndice O indica que o ter-

minal cuja inicial não está presente está desconec-tado do circuito (aberto).

• No caso de dois subíndices, toma-se o primeiro como positivo.

• Um único subíndice no símbolo de tensãorepresenta a diferença de tensão entre o terminalindicado e o ponto tomado como referência (terra,massa).

8.5 – Funcionamento

Dispondo de um circuito de polarização detransistor e fazendo variar de maneira controladacertos parâmetros, veremos a evolução do resto.

No circuito da figura a seguir é possível ver

que V BB e V CC podem variar a tensão na carga; is-to implica que todas as tensões e correntes sãosuscetíveis de variação. RC e R B limitam as cor-rentes máximas que podem circular pelo transis-tor.

Circuito para obter as curvas características de coletor.

Variando V BB , podemos ajustar valores de I B, mantendo esta corrente constante num deter-minado valor, e, ajustando V CC , variamos por suavez V CE .

Com estes dados, construiremos um gráficode I C em função de V CE , com I B constante.

Família de curvas características de coletor.




Se ajustarmos novos valores de I B e repe-tirmos o processo, obteremos novas curvas. De-nomina-se curvas características de coletor, ousimplesmente curvas de coletor , à família de cur-vas obtidas. Vamos nos servir delas para ver o

comportamento do transistor.Para I B = 0, V CE = 0, temos I C = 0, mas se atensão coletor-emissor é aumentada, mantendoVBB = 0, vemos que a corrente de coletor estabili-za-se rapidamente, ainda que num valor muito

baixo, alguns nA ou µA, dependendo do tipo detransistor. Isso é devido à corrente de fuga do di-odo coletor que se encontra reversamente polari-zado, sendo denominada I CBO. Ainda, se prosse-guirmos com o aumento da tensão coletor-emissor, alcançaremos a região de ruptura por a-

valanche, onde o transistor destrói-se irremedia-velmente; este valor de tensão é denominado BV-

CEO; os fabricantes indicam um valor de V CEOmax que não pode ser ultrapassado sob nenhuma cir-cunstância, para evitar o possível deterioramentodo componente.

Para um valor superior de I B ( I B1), na ori-gem, V CE = 0, a corrente de coletor é nula; para

pequenos aumentos da tensão coletor-emissor, I C cresce rapidamente e, a partir de alguns décimosde volts, fica praticamente constante, ou, mais e-

xatamente, os incrementos são muito pequenos edevem-se ao alargamento da região de depleçãodo diodo base-coletor, o que permite que este re-colha alguns elétrons a mais da base. Incremen-tando de novo V CE , alcança-se novamente a tensãode ruptura, ainda que neste caso a um valor infe-rior que para I B = 0.

Repetindo o processo para novos valores dacorrente de base ( I B2 , I B3 , ...) os feitos repetem-se:

I C faz-se praticamente constante a valores maiselevados e cada vez mais o valor da tensão deruptura é menor.

A medida que a corrente de base aumenta, ainclinação da curva aumenta entre a origem e os

pontos de ruptura. Isso implica nos aumentos de I C provocados pelos incrementos da tensão cole-tor-emissor, já que β não é constante, pois, se as-sim fosse, em qualquer ponto de cada curva a re-lação I C / I B seria a mesma, o que é fácil compro-

var que não é verdade.As folhas de dados dos fabricantes ofere-

cem dois valores extremos de β (H FE ). Veja, comoexemplo, o transistor BD137: 40 < β < 250.

A vista da família de curvas do Gráfico 7.1

distinguem-se três zonas que coincidem com astrês possíveis condições de trabalho.

a - Saturação E a zona compreendida entre a origem de

coordenadas e o "joelho" das curvas. Nela o diodocoletor está polarizado diretamente e o transistor comporta-se como uma pequena resistência. Nes-ta zona, um aumento adicional da corrente de ba-se não provoca um aumento de I C , pois ela depen-de da tensão entre coletor e emissor exclusiva-mente. Nestas condições, o transistor assemelha-se, em seu circuito coletor-emissor, a um interrup-tor fechado (saturado) e a corrente que circula pe-lo circuito de coletor deve ser limitada pelocircuito externo.

b -Ativa ou linear Para valores de V CE compreendidos entre

um volt aproximadamente e valores próximos deV CEmax encontra-se a zona ativa. Neste intervalo, otransistor comporta-se como uma fonte de corren-te, determinada pela corrente de base. A pequenos

aumentos de I B correspondem grandes aumentosde I C , de forma quase independente de V CE .

Para fazer o transistor trabalhar nesta zona,as polarizações devem ser: diodo emissor, direta-mente, e diodo coletor, reversamente.

c - Corte O fato de fazer a corrente de base igual a

zero é equivalente, como já exposto, a manter estecircuito aberto. Nestas circunstâncias, a correntede coletor é tão pequena que, se a desprezarmos,

podemos comparar o transistor, seu circuito cole-tor-emissor, com um interruptor aberto, e dizer que o transistor está "em corte" ou simplesmente"cortado".

As polarizações devem ser: diodo coletor,reversamente, e diodo emissor, reversamente ousem polarização.

8.6 - Considerações Gerais

a - Especificações Máximas Como qualquer outro componente, o tran-

sistor, como elemento físico real, possui algumas

limitações em suas condições de trabalho, que nãodevem ser ultrapassadas, para assegurar a vida docomponente. Informação acerca destas limitações




encontra-se nas folhas de dados; em continuaçãoenumeramos algumas das mais importantes:

V CEO = Máxima tensão coletor-emissor V CBO = Máxima tensão coletor-baseV EBO = Máxima tensão emissor-base

V CE(Sat) = Máxima tensão coletor-emissor em saturação I Cmáx = Máxima corrente de coletor em re-

gime contínuo I CMmáx = Máxima corrente de pico de coletor I BMmàx = Máxima corrente de pico de base P tot = Máxima potência dissipável. Segundo

esta característica, dividem-se em:transistores "de pequeno sinal" (P tot < 500mW) e "de potência" para potên-cias superiores.

É conveniente limitar os valores reais emregime de trabalho, ao menos a 1/2 dos valores

máximos especificados, com o fim de assegurar um fator de segurança, como mínimo de 2. Essefator expressa a relação entre os valores máximosadmissíveis e os reais de trabalho.

Recorde que valores elevados de tensões

ocasionam ruptura por avalanche e que valoreselevados de corrente geram um excesso de calor que influi nas correntes de fuga, modificando por completo as condições de trabalho e chegando,em situações extremas, à destruição do compo-nente.

A potência total é a soma das dissipadas nocircuito de base e no circuito de coletor. Como acorrente de base é muito baixa frente à do coletor,

pode-se desprezá-la e considerar, por aproxima-ção, a potência total como:

P tot = V CE .I C




REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

OTERO, Carlos Angulo Del.; ROBLES, Aurélio Muñoz, GARCIA, Jesus Pareja, Teoria e Práticade Eletrônica, Editora McGraw-Hill Ltda., 1993.

Eletrônica Básica

Documents

Transcript of Eletrônica Básica