3 Diodos e Transistores Bipolares: Teoria e Prticas de Laboratrio Fabiola Fernandes Andrade Francisco Jos Alves de Aquino 4 Fabiola Fernandes Andrade Francisco Jos Alves de Aquino Diodos eTransistores Bipolares: Teoria e Prticas de Laboratrio IFCE Fortaleza, 2010 5 Sumrio CAPTULO 1 SEMICONDUTORES................................................................................................................... 7 Introduo............................................................................................................................................................. 7 1.1 Materiais semicondutores............................................................................................................................... 7 1.1.1 O tomo de silcio.................................................................................................................................... 8 1.1.2 O tomo de germnio .............................................................................................................................. 9 Exerccios ........................................................................................................................................................... 10 1.1.3 Semicondutores do tipo P e N............................................................................................................... 11 1.1.4 O diodo.................................................................................................................................................. 12 1.2 Polarizao do diodo .................................................................................................................................... 13 1.2.1 Polarizao direta .................................................................................................................................. 14 1.2.2 Polarizao reversa................................................................................................................................ 14 Exerccios ........................................................................................................................................................... 15 1.3 Informaes Prticas .................................................................................................................................... 16 Exerccios ........................................................................................................................................................... 18 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 19 CAPTULO 2 TEORIA DOS DIODOS.............................................................................................................. 21 Introduo........................................................................................................................................................... 21 2.1 Curva caracterstica do diodo ....................................................................................................................... 21 2.2 Polarizao Direta ........................................................................................................................................ 22 2.3Polarizao Reversa ................................................................................................................................. 22 2.4 Modelos Do Diodo ....................................................................................................................................... 22 2.4.1 Diodo Ideal ............................................................................................................................................ 22 2.4.3 Modelo linearizado................................................................................................................................ 24 Exerccios ........................................................................................................................................................... 24 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 25 CAPTULO 3 CIRCUITOS COM DIODOS ...................................................................................................... 29 Introduo........................................................................................................................................................... 29 3.1 Tenso Senoidal............................................................................................................................................ 29 3.2 Transformador .............................................................................................................................................. 30 3.3 Circuito Retificador de Meia-Onda .............................................................................................................. 31 3.4 Circuito Retificador de Onda Completa ....................................................................................................... 35 3.5 Retificador Em Ponte ................................................................................................................................... 40 3.6 Comparao Entre As Frequncias Dos Circuitos Retificadores.................................................................. 43 Exerccios ........................................................................................................................................................... 44 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 47 Capacitor varivel............................................................................................................................................... 49 CAPTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO........................................................................ 50 Introduo........................................................................................................................................................... 50 4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo .......................................................................... 50 4.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivao Central e Filtro Capacitivo................................... 53 4.3 Retificador em Ponte com Filtro................................................................................................................... 56 Exerccios ........................................................................................................................................................... 59 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 62 CAPTULO 5 OUTRAS APLICAES PARA O DIODO............................................................................... 66 Introduo........................................................................................................................................................... 66 5.1 Rdio elementar............................................................................................................................................ 66 5.2 Diodo nos circuitos de proteo ................................................................................................................... 66 5.3 Circuito Tanque............................................................................................................................................ 67 5.3.1 Propriedades do indutor............................................................................................................................. 67 6 5.4 Circuito ressonante ....................................................................................................................................... 68 5.5 Circuito tanque na gerao de sinais de rdio............................................................................................... 70 Exerccios ........................................................................................................................................................... 71 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 71 CAPTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES (CEIFADORES) E GRAMPEADORES.................................... 74 Introduo........................................................................................................................................................... 74 6.1 Circuitos Limitadores ................................................................................................................................... 74 6.2 Circuitos Grampeadores ............................................................................................................................... 80 Exerccios ........................................................................................................................................................... 84 Experincia no Laboratrio ................................................................................................................................ 85 CAPTULO 7 DIODOS ESPECIAIS.................................................................................................................. 88 Introduo........................................................................................................................................................... 88 7.1 Diodo Zener.................................................................................................................................................. 88 7.2 Diodo Emissor De Luz (LED) ...................................................................................................................... 92 7.3 Diodo Tnel.................................................................................................................................................. 94 7.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC)............................................................................................................... 96 Reviso............................................................................................................................................................... 97 Experincia no Laboratrio .............................................................................................................................. 100 CAPTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR .......................................................................................................... 105 Introduo......................................................................................................................................................... 105 8.1 Constituio de um transistor bipolar ......................................................................................................... 105 8.2 Polarizao do Transistor ........................................................................................................................... 106 8.3 Configuraes Bsicas do Transistor.......................................................................................................... 109 8.3.1 Configurao Emissor comum............................................................................................................ 109 8.3.2 Configurao Base comum.................................................................................................................. 112 8.4 Transistor como Chave............................................................................................................................... 125 8.5 Transistor como Fonte de Corrente ............................................................................................................ 126 Exerccios ......................................................................................................................................................... 131 Experincia no Laboratrio .............................................................................................................................. 138 Alarme para porta com transistor ..................................................................................................................... 140 Alarme de passagem......................................................................................................................................... 141 CAPTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRNICOS.......................................................................... 143 Introduo......................................................................................................................................................... 143 9.1 Transistor de Unijuno (TUJ) ................................................................................................................... 143 9.1.1 Funcionamento .................................................................................................................................... 143 9.1.2 Aplicao tpica: oscilador de relaxao ............................................................................................. 144 9.2 DIODO DE QUATRO CAMADAS .......................................................................................................... 145 9.2.1 Funcionamento .................................................................................................................................... 145 9.3 Diodo controlado de silcio (SCR) ............................................................................................................. 147 9.3.1 Estrutura e funcionamento do SCR..................................................................................................... 147 9.3.2 Aplicaes em CC tpicas para o SCR ................................................................................................ 148 9.4 Diac ............................................................................................................................................................ 149 9.5 Triac ........................................................................................................................................................... 150 9.4.2 Aplicaes tpicas para o TRIAC........................................................................................................ 151 Exerccios ......................................................................................................................................................... 154 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA...................................................................................................................... 155 7 CAPTULO 1 SEMICONDUTORES Introduo Antesdeiniciaroestudosobremateriaissemicondutores,vamoscompreenderasua importncia e exemplos de aplicaes dos componentes que ser abordado neste livro. O homem contemporneo utiliza no seu dia a dia muitos equipamentos eletrnicos, tais comocelular,computador,televisoevriosoutrosdispositivos.Todosestesequipamentos, no qual o homem faz uso constituda a base de materiais semicondutores. Como ocorreu a descoberta destes materiais? Nadcadade1940,umgrupodepesquisadoresquetrabalhamnolaboratrioBell Telephone, nos Estados Unidos, estudava um dispositivo eletrnico para substituir os rels que eramutilizadosnosistematelefnico.OgrupoeraformadopelofsicoWilliamSchockey,o engenheiro eletricista Jonh Bardeen e o fsico Walter Brattain. Este grupo observou que alguns materiaisnosecomportavamnemcomocondutoresnemcomoisolantes,ouseja,ora conduziacorrenteeltricaoraabloqueava.Apsadescobertadosmateriaissemicondutores, foi possvel a implementao de diodos, transistores, CIs, etc.Os pases que investiram emmateriais semicondutores tiveram umgrande avano em sua economia, uma vez que, constitui em um dos setores mais ativo da indstria.Comexemplo,podemoscitarTaiwan,noqual,antesdadcadade1970erauma economiaagrcola,produziaarroz,cana-deacareabacaxi.Apartirdadcadade1970 investiuemtecnologia,especialmenteemsemicondutores.Asuaestratgicaparao desenvolvimentodeumapolticaindustrialetecnolgicafoibaseadanaexperinciade parques tecnolgicos (vale do silcio). Na dcada de 2000, a China inspirou-se no modelo de Taiwam e tambm investiu em semicondutorescomoobjetivodetornaraChinaoldermundialemsemicondutoresem 2010. Compreender aestrutura qumica dos materiais semicondutores de total importncia para que possamos entender o funcionamento dos principais componentes da eletrnica como o diodo e o transistor que ser abordado com detalhes neste livro. 1.1 Materiais semicondutores Paraoperfeitoentendimentosobreosmateriaissemicondutores,iniciamosfazendo uma reviso sobre a estrutura atmica. Umtomoformadoporeltronsquegiramaoredordeumncleocompostopor prtons e nutrons. ManteralideranadosEUAemmicoreletrnica criticamenteimportanteparaaeconomiaea segurana nacional dos EUA ChinasEmergingSemiconductorIndustry,Documentoda Semiconductor Industry Association, outubro de 2003. 8 Os eltrons giram em rbitas ou nveis bem-definidos, conhecidos com K, L, M, N, O, P e Q, que representa o modelo atmico de Bohr, como mostra a Figura 1.1. Figura 1.1 - Estrutura do tomo Altimarbitadeumtomodefineasuavalncia,ouseja,aquantidadedeeltrons desta rbita que pode se libertar do tomo atravs do bombardeio de energia externa (calor, luz ououtrotipoderadiao)ouseligaraoutrotomoatravsdeligaescovalentes (compartilhamento dos eltrons da camada de valncia com os eltrons da camada de valncia de outro tomo). Osmateriaissemicondutoresapresentam4eltronsnasuacamadadevalncia (tetravalentes). No sendo classificados como bons isolantes, nem como bons condutores.Os semicondutores mais utilizados so o silcio e o germnio. 1.1.1 O tomo de silcio Otomodesilciocontm14prtonse14eltronsdistribudoscomoindicadona Figura 1.2. Figura 1.2 tomo de silcio ncleo K L M N O P Q rbitas Quantomaiora energiadoeltron, maior o seu raio. 1 rbita 2 eltrons 2 rbita 8 eltrons 3 rbita 4 eltrons +14 9 1.1.2 O tomo de germnio O tomo de germnio contm 32 prtons e 32 eltrons assim distribudos: Figura1.3- tomo de gemnio Devido os tomos de silcio e de germnio serem tetravalentes, ou seja, possuir quatro eltrons naltima camada, para conseguir a configuraodegs nobre necessitam demais 4 eltrons para a sua estabilidade. Quandosetemvriostomosdesilcio,cadatomocompartilha4eltronscomseus tomos vizinhos atravs da ligao covalenteformando uma estrutura molecular forte. Figura 1.4 - Ligao dos tomos de silcio +32 1 rbita 2 eltrons 2 rbita 8 eltrons 3 rbita 18 eltrons 4 rbita 4 eltrons Forma-se ento uma estrutura cristalina. 10Uma estrutura cristalina caracterizada quando os tomos ficam bem organizados, ou seja,emumaformabemdefinida.Seaformafossedesorganizadaseriachamadaestrutura amorfa. Quando o cristal de silcio colocado em uma temperatura superior ao zero absoluto (-273 C), alguns eltrons da camada de valncia se tornam eltrons livres, ou seja, passam para acamadadeconduo(bandadeconduo),sendocapazesdesemovimentarpelomaterial. So estes eltrons livres que, sob a ao de um campo eltrico, formam a corrente eltrica. O eltron ao se tornar livre deixa no lugar um buraco (lacuna). Natemperaturaambienteumcristalpuro,ouseja,formadoapenasporumtipode tomo, ocorre a formao de eltrons livres e lacunas, porm a quantidade de eltrons livres igualaonmerodelacunas,porisso,aneutralidadedestecristalsemantm.(Onmerode cargas positivas igual ao nmero de cargas negativas). Em um cristal formado por germnio na temperatura ambiente a quantidade de eltrons livres e lacunas so maiores do que no cristal de silcio. Vale ressaltar que a formao de eltrons livres chamada de GERAO, e quando se temum cristalpuro, ele chamado de semicondutor INTRNSECO. Em um semicondutor intrnseco, como existem eltrons livres e lacunas formadas pela energiatrmica,oseltronslivressemovemrandomicamenteatravsdocristal,que ocasionalmente ocupa uma lacuna (sendo atrado pela lacuna). Quando isto ocorre temos o que chamado de RECOMBINAO. A recombinao o fenmeno que ocorre quando eltrons livres ocupam a lacuna, neste caso, o desaparecimento da carga negativa acompanhado pelo desaparecimento da carga positiva. A neutralidade do cristal, deste modo mantida. O tempo entre a gerao e a recombinao chamado deTEMPO DE VIDA. Emumsemicondutorcomoaumentodatemperaturatemosumadiminuiodesua resistividade,dizemosqueestesmateriaispossuemcoeficientenegativodetemperatura,ou seja,qualqueraumentodetemperaturacorrespondeaumadiminuiodesuaresistncia. Sendo, portanto, diferente do comportamento eltrico dos metais comuns, uma vez que com o aumentodatemperaturaacorrentetermaiordificuldadedepassar,jqueonmerode eltrons livres bastante elevado e qualquer aumento da temperatura no causar a libertao demuitoseltronsamais,mascontribuirdemodoacentuadoparaumaumentodaagitao trmica dos tomos. Nosmetaiscomoaumentodatemperaturaaresistnciaaumenta.Osmetaistm, portanto, coeficiente positivo de temperatura. Exerccios 1.Complete a)Ossemicondutoresmaisutilizadosemaiscomunssoo______________eo _____________. b)O tomo de slicio contm ______________eltrons. Com _______eltrons nacamada de valncia. c)Otomodegermniocontm_____________eltrons.Com________eltronsnacamada de valncia. 11d)Ostomosdesilcioedegermnioporserem_____________,necessitamde mais________ eltrons para conseguir a configurao de gs nobre. e)Cadatomocompartilha______eltronscomseustomosvizinhosatravsdaligao ___________________. f)Natemperaturaambiente,algunseltronsdacamadadevalnciasetornam ____________________________. g)A formao de eltrons livres chamada ________________________. h)A ocupao de um eltron livre na lacuna chamada __________________________. i)O tempo entre a gerao e recombinao chamado ______________________. 1.1.3 Semicondutores do tipo P e N Emumsemicondutorpodem-seacrescentarimpurezasparaseobterexcessode eltrons livres ou excesso de lacunas. Osilcioeogermniosotetravalentes,istopossuem4eltronsnacamadade valncia. Quantosubstnciaspentavalentes(possuem5eltronsnacamadadevalncia),so adicionadasaocristalpuro,aconfiguraodegsnobrenoobtida,comoseobservana Figura 1.5. Figura 1.5 Estrutura de silcio dopada com antimnio (Sb). A cada tomo pentavalente que adicionado, sobra um eltron, pois apenas 4 eltrons se ligam aos tomo de silcio, pois o silcio possui 4 eltrons e s necessita de mais 4 eltrons para conseguir a configurao de gs nobre. Sb Si Si Si Si Eltron livre 12Nesse semicondutor temos o chamado material tipo N, pois em toda a sua estrutura, a quantidade de eltrons livres superior quantidade de lacunas, como indica a Figura 1.6. Figura 1.6 Material tipo N. Comoaquantidadedeeltronslivresmaiordoqueaquantidadedelacunas,os eltrons livres so chamados portadores majoritrios e as lacunas portadores minoritrios. Se,noentanto,acrescentarmosimpurezastrivalentes,paraqueocorraaestabilidade, ir faltar um eltron, ou seja, sobra uma lacuna, como mostra a Figura 1.7. Temos a formao deummaterialtipoP,ondeaslacunassoosportadoresmajoritrioseoseltronslivres portadores minoritrios. Figura 1.7 (a) Estrutura de silcio dopada com boro (B), (b) material tipo P correspondente. 1.1.4 O diodo AounirumsemicondutortipoPcomumsemicondutortipoN,temosaformaodo componente eletrnico chamado diodo, como mostra a Figura 1.8. Componente este que ser degrandeimportncia paraaconstruo de fontes dealimentaoemuitas outrasaplicaes posteriormente discutidas. B Si Si Si Si Lacuna P N 13 Figura 1.8 Diodo formado pela juno dos materiais tipo N e tipo P. Na juno PN os eltrons livres do material tipo N atrado pelas lacunas do material tipoP.EntoalgunseltronspassadomaterialtipoNparaomaterialtipoP,ostomoque perdeoeltronficaionizadopositivamente(ctions)eosquerecebemficamionizado negativamente(nions).Najunocria-seumcampoeltricoimpedindoqueoutroseltrons passem do material tipo N para o material tipo P. Observe que no material tipo N, embora tenham eltrons livres em excesso quem perde eltrons so os tomos, e como no tomo o nmero de lacunas ficar maior que o nmero de eltrons, ficar ionizado positivamente. NajunoPN,temosoquechamadodecamadadedepleo,ouseja,acamadade depleo definida como a juno PN onde se encontra os ctions e nions. Devido camada de depleo, ocorre a barreira de potencial, diferena de potencial na juno. Abarreiradepotencialnatemperaturade25Cdeaproximadamente0,7Vparaos diodos de silcio e 0,3V para os diodos de germnio. Simbologia do diodo mostrada na Figura 1.9. Figura 1.9 Smbolo do diodo de juno PN. 1.2 Polarizao do diodo Paraoseufuncionamento,odiodoprecisaserpolarizado.Diferentementedoque ocorrecomumresistor,naoperaododiodoessencialsaberapolaridadedafontede tenso. _ _ _ + + + Juno PN anodo catodo Anodo- material tipo P Catodo material tipo N 141.2.1 Polarizao direta Na polarizao direta, o potencial positivo da fonte ligado ao anodo (material tipo P) e o potencial negativo da fonte ligado ao catodo (material tipo N), como mostra a Figura 1.10. O potencial negativo repele os eltrons do material tipo N, onde se a tenso da fonte de alimentao for maior do que a barreira de potencial os eltrons atravessam a juno PN, passa pelo material tipo P e atrado pelo potencial positivo da fonte. Aopolarizardiretamenteumdiodoidealelesecomportacomoumachavefechada, isto , ir circular uma corrente eltrica pelo dispositivo. Figura 1.10 Diodo polarizado diretamente. 1.2.2 Polarizao reversa Napolarizaoreversaopotencialpositivodafonteligadoaocatodo(materialtipo N) e o potencial negativo da fonte ligadoao anodo (material tipo P),como mostra aFigura 1.11. Napolarizaoreversaumdiodoidealsecomportacomoumachaveaberta.No entanto,naprtica,temosduaspequenascorrentesquecirculamnodiodo.Acorrentede saturao e a corrente de fuga de superfcie. A corrente de saturao existe devido energia trmica uma vez que so gerados pares deeltronslivreselacunas.Osportadoresminoritriospodemdentrodacamadadepleo, atravessar a juno ocasionando uma pequena corrente. A corrente de fuga de superfcie ocorre na camada mais externa do diodo. Os tomos nasuperfcienopossuemvizinhosparafazeraligaocovalente,estaquebraformana superfcie lacunas se comportando como um material tipo P. Por isso, os eltrons podem entrar nomaterialNatravessartodaasuperfciedodiodopassadopelomaterialtipoPindoparaa polaridade positiva da fonte. _ _ _ + + + NP 15 Figura 1.11 Diodo polarizado inversamente. Exerccios 1.Dado os circuitos, indique qual das lmpadas ir acender. a) b) _ _ _ + + + NP 161.3 Informaes Prticas -Diodo de germnio Este tipo de diodo utilizado com correntes muito fracas, mas pode operar em velocidades muitoaltas,assimeleutilizadoprincipalmentenadetecodesinaisdealtasfrequncias (rdio). Tipos conhecidos desta famlia so o 1N34, 1N60, OA79 etc. Estesdiodossoespecificadossegundoumacodificao:paraosdiodosdeorigem americana temos a sigla 1N, enquanto que para os diodos de origem europia temos a sigla AO ou ainda BA. -Diodo de silcio de uso geral So diodos de silcio fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade, da ordem de nomximo 200mA e tenses inversas que no vo alm dos 100 V. So utilizados em circuitos lgicos, circuitos de proteo de transistores, polarizao etc. O 1N4148 um dos tipos mais populares deste grupo de silcio de uso geral. -Diodos retificadores de silcio Estessodestinadosconduodecorrentesintensasetambmoperamcomtenses relativamenteelevadasquepodemchegara1000Vou1200V,quandopolarizando reversamente. Uma srie muito importante destes diodos a formada pelo 1N4000e que comea com o 1N4001.Todososdiodosdasriepodemconduzirumacorrentediretadeat1A,masa tensoreversavaiaumentandomedidaqueonmerodocomponentetambmaumenta.A Tabela1indicaessavariao.AFigura1.12mostraapginadeumdatasheetdofabricante Fairchild para esta srie de diodos. Tabela 1. Diodos Retificadores. TipoPIV 1N400150V 1N4002100V 1N4003200V 1N4004400V 1N4005600V 1N4006800V 1N40071000V 17 Figura 1.12. Caractersticas eltricas dos diodos da srie 1N4000. 18Exerccios 1.Complete a)Quandotomospentavalentessoadicionadosaocristalpuro,temosaformaodeum semicondutor do tipo __________. b)Quandotomostrivalentessoadicionadosaocristalpuro,temosaformaodeum semicondutor do tipo ___________. c)No material do tipo P as lacunas so portadores________________________. d)No material do tipo Nas lacunas so portadores_______________________. e)Na juno PN temos a camada de ___________________. f) Na camada de depleo origina a barreira de _________________________. g)Se o diodo for de silcio a barreira de potencial de_______________V. h)Se o diodo dor de germnio a barreira de potencial de___________V. j)Na polarizao direta o diodo ideal se comporta como uma_____________________. k)Na polarizao reversa o diodo ideal se comporta como ________________________. l)Napolarizaoreversa,naprticatemosduascorrentesacorrentede ____________________________ e a corrente _________________________. 2.(CHESF2002)Dispositivoseltricoseeletrnicossoconstrudoscomosmaisvariados tiposdemateriaiseltricosemagnticos.Osdiodoseostransistores,sejamosbipolaresde junoouosdeefeitodecampo,utilizammateriaissemicondutoresemsuaestrutura.A respeitodemateriaissemicondutoresededispositivoseletrnicos,julgueositens subseqentes. IAolongodahistriadaeletrnica,ogermnioeosilciopodemsercitadoscomo importantes materiais semicondutores. II Cristal semicondutor do tipo n tem as lacunas como principais portadores mveis de carga. III Cristal semicondutor extrnseco aquele dopado com elementos denominados impurezas. IV Um transistor bipolar de juno basicamente caracteriza-se por possuir trs junes pn. V O diodo semicondutor apresenta uma juno pn. Esto certos apenas os itens A I, II e IV. C I, III e V. E III, IV e V. B I, II e V. D II, III e IV. 2. (ELETRONORTE 2006) Considerando que os diodos D1, D2 e D3 do circuito abaixo so ideais, possvel afirmar que: 19a.D1, D2 e D3 esto cortados; b.D1, D2 e D3 esto conduzindo; c.D1 e D2 esto conduzindo e D3 est cortado; d.D1 est cortado e D2 e D3 esto conduzindo; e.D1 est conduzindo e D2 e D3 esto cortados. Experincia no Laboratrio Experincia 1 Compreendendo a polarizao em um diodo Nestecircuito,devem-seidentificarosterminaisanodoecatodoemumdiodocomo auxliodeummultmetrodigital.Posteriormente,deve-semontarumcircuitosimplespara compreender a polarizao em um diodo. Material necessrio: - 1 diodo 1N4001 (ou equivalente); - 1 led; - 1 resistor de 470; w - 1 Fonte de alimentao de 6V; - 1 multmetro digital. Procedimento 1: Identificao dos terminais anodo e catodo 1.Coloque a chave seletora do multmetro na indicao do diodo. 2.Segure uma ponta de prova do multmetro em perna do diodo. 3.Observe que: Seovalorqueaparecernodisplayforde600mV,significaquevocestpolarizando diodo diretamente, logo, onde est ponta de prova vermelha refere-se ao anodo e a ponta de prova preta ao catodo. Se o valor que aparece no display se refere o infinito, significa que voc est polarizando diodo reversamente, logo, onde est ponta deprova vermelha refere-se ao catodo ea ponta de prova preta ao anodo. Procedimento 2: Compreendendo a polarizao direta e reversa em um diodo 1.Monte o circuito da figura 1.12 20 Figura 1.12 Polarizao reversa 2.Inverta o diodo, veja a figura 1.13. Figura 1.13 Polarizao direta 21 CAPTULO 2 TEORIA DOS DIODOS Introduo Atensoquechegaanossasresidnciasumatensoalternadade220V(regio nordestedoBrasil).Noentanto,amaioriadosequipamentoseletrnicosnecessitadeuma tenso contnua para funcionar. O que fazer?A tenso para alimentar a grande maioria dos equipamentos deve passar por uma fonte de alimentao. Estafontetransforma o sinal que alternadoem uma tenso contnua, como mostra a Figura 2.1. Figura 2.1 Fonte de alimentao DC Umadasprincipaisaplicaesdodiodo,noqual,iremosestudarservirparaa montagem de uma fonte de alimentao. 2.1 Curva caracterstica do diodo Acurvacaractersticadodiodoumgrfico(figura2.2),noqual,relacionaatenso que aplicada com a corrente que circula pelo diodo. Figura 2.2 Curva caracterstica do diodo V I Joelho (0,7V) para diodode silcio ruptura Polarizao direta Polarizao reversa 222.2 Polarizao Direta Na polarizao direta, ser aplicada uma fonte de tenso contnua no diodo, no qual, o plopositivodafonteserligadoaoanodododiodoeoplonegativodafonteaocatodo, como mostra a figura 2.3. Figura 2.3Polarizao direta Observeno grfico(figura 2.2), do lado direito,a polarizao direta. Quando a tenso formaiordoqueabarreiradepotencial(0,7Vparaodiododesilcio),acorrentecircula livremente. 2.3 Polarizao Reversa Na polarizao reversa, ser aplicada uma fonte de tenso contnua no diodo, no qual, o plo positivo da fonte ser ligado ao catodo do diodo e o plo negativo da fonte ao anodo como mostra a figura 2.4. Figura 2.4 Polarizao reversa Napolarizaoreversa,odiodofuncionabasicamentecomoumachaveaberta, existindoapenasduaspequenascorrentes,comojfoivistonocaptulo1,acorrentede saturaoeacorrentedefugadasuperfcie.Secontinuarmosaumentandoatensodafonte, irchegaruminstanteemqueodiodonosuportaeterminaqueimando(ruptura)entoa correntepassaacircularlivremente.Estatensomximaemqueodiodosuporta denominada tenso de pico inversa (PIV). 2.4 Modelos Do Diodo 2.4.1 Diodo Ideal Um diodoideal, na polarizao direta, abarreira de potencial ea resistncia decorpo no so considerados. Na polarizao reversa, a corrente de fuga de superfcie e a corrente de saturao so desprezados.23Napolarizaodiretaumdiodoidealsecomportacomoumachavefechadaena polarizao reversa como uma chave aberta, como mostra a figura 2.5b e2.6b. POLARIZAO DIRETA Nafigura2.5(a),temosocircuitoemqueodiodoestpolarizadodiretamente,na figura 2.5(b), o circuito equivalente com o diodo polarizado diretamente. Figura 2.5(a) Polarizao direta, (b)Circuito equivalente do diodo na polarizao direta POLARIZAO REVERSA Figura 2.6(a) Polarizao reversa, (b)Circuito equivalente do diodo na polarizao reversa 2.4.2 Modelo Simplificado Considera-se a barreira de potencial. Para o silcio a barreira de potencial de 0,7V e para o germnio a barreira de potencial de 0,3V. POLARIZAO DIRETA Nafigura2.7(a),temosocircuitoemqueodiodoestpolarizadodiretamenteeafigura 2.7(b), o circuito equivalente para a polarizao direta,no qual foi considerado a barreira de potencial de 0,7V para o diodo de silcio. 24 Figura2.7(a)Polarizaodireta(b)Circuitopolarizaodiretaparaosegundomodelodo diodo POLARIZAO REVERSA Na figura 2.8(a), temos o circuito em que o diodo est polarizado reversamente e a figura 2.8(b), o circuito equivalente para a polarizao reversa. Figura2.8(a)Polarizaoreversa(b)Circuitopolarizaoreversaparaosegundomodelododiodo 2.4.3 Modelo linearizado Considera-se a barreira de potencial e a resistncia de corpo. Como a resistncia de corpo so valores muito baixos, podendo variar de 0,1 a 10 dependendo da dopagem. No iremos usar este modelo neste livro. Exerccios 1.Considereosegundomodeloparaodiodo,calculeacorrentequepassano ampermetro (Figura 2.9). 2. 3. 4. Figura 2.9 0.7V 3,9K 5,6K 5V 252.Considerandoosegundomodeloparaodiodo,calculeatensoqueovoltmetrodeve indicar (Figura 2.10). Figura 2.10 3.Considere o diodo ideal, calcule a tenso no resistor de 1k (Figura 2.11). Figura 2.11 Experincia no Laboratrio Experincia 1- A curva do Diodo Nesta experincia, vamos montar o circuito bsico com o diodo e polarizar diretamente e reversamente para que possamos medir a tenso e a corrente e, consequentemente desenhar a curva caracterstica do diodo. Material necessrio: - 1 Fonte de alimentao cc varivel de 0 a 10V; - 1 diodo 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 10K, 0,25W; - 1 multmetro (analgico ou digital); 26Procedimento: 1-Monte o circuito abaixo (Figura 2.12): Figura 2.12 2-Preencha a tabela abaixo: VFAV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 27Monte o circuito abaixo: Figura 2.13 4- Preencha a tabela abaixo: VFAV 1 2 3 4 5 DIVERTINDO-SE COM A ELETRNICA Sequncia de Leds Neste circuito, voc ir observar atravs de leds a influncia da barreira de potencial em cada diodo. Matrial necessrio: -1 bateria de 12 V; - 1 capacitor de 2200F, 16V;- 1 resistor de 1,2K; 1/4W; - 4 leds; - 4 diodo 1N4001. O circuito apresentado na Figura 2.14. 28 Figura 2.14 Nestecircuito,quandoachaveestivernaposio1ocapacitordevecarregar instantaneamente.Ao colocara chave na posio 2os quatros leds devemacender,amedida que o capacitor ir de descarregar os led iro apagar na sequncia 4,3,2 e 1. 29 CAPTULO 3 CIRCUITOS COM DIODOS Introduo Neste captulo, vamosestudar os circuitos retificadores que serviro para a montagem de uma fonte de alimentao. 3.1 Tenso Senoidal Uma tenso senoidal pode ser representada graficamente de duas formas: nos domnios temporal e angular como mostram as Figuras 3.1 e 3.2, respectivamente. Figura 3.1 Domnio temporal Figura 3.2 Domnio Angular Onde: Vptensodepico(amplitudemximapositivaounegativa,queatensosenoidal pode atingir). VppTensodepicoapico(amplitudetotal,entreosvaloresmximospositivoe negativo). 2 Wt = (rd) Vp -Vp T/2 T T(s) Vp -Vp 30Matematicamente,osgrficosdatensosenoidalnosdomniostemporaleangular podemser representados, respectivamente, por: V(T) = Vpsen wteV() = Vp sent Onde: V(t) = V() = valor da tenso no instante t ou para o ngulo (em V) 3.2 Transformador Otransformadorumdispositivoquepermitemodificaraamplitudedeumatenso alternada, aumentando ou diminuindo-a. Pode-se tambm utilizar para isolar o circuito do lado do primrio, do circuito do lado do secundrio, neste caso, a amplitude no ser alterada. Eleconsisteemduasbobinasisoladaseletricamente,montadasemummesmoncleo de ferro (usado para concentrar as linhas de campo). Figura 3.3 transformador Nafigura3.3,observamosqueabobinanoqualrecebeatensoasertransformada (Vp)denomina-seprimrio,esegundabobina,noqualfoicriadoatensoinduzida(Vs) denomina-se secundrio. Funcionamento. Elefuncionaapartirdofenmenodainduomtua.Quandoumacorrentealternada ou pulsante passa no enrolamento primrio o fluxo magntico varivel que ele cria envolve as espirasdoenrolamentosecundrio,causandooaparecimentodeumaf.e.minduzidanos terminais do secundrio. Emumtransformadorideal(quenopossuiperdas),apotnciaentregueao primrio(Pp) igual potncia que o secundrio (Ps) entrega carga, ou seja: VsVp Voc sabe o que flybacks? Osflybacksso transformadoresdealta tensopresentesnos televisorescomunsdetodos ostiposetambmnos monitoresdevdeode computadores. 31 Ps = Pp Pp = Vp.Ip Logo: Vp.Ip = Vs.Is Vp/Vs = Np/NseIs/Ip = Np/Ns Valor eficaz Para sinais senoidais, existe um conceito muito importante denominado valor eficaz ou rms. OvaloreficazVefouVrmsdeumatensoalternadaatensoqueequivaleauma tenso contnua, de tal forma que, ao aplicar uma tenso contnua a uma resistncia faria com que ela dissipasse a mesma potncia mdia caso fosse aplicado essa tenso alternada. Vp = 3.3 Circuito Retificador de Meia-Onda O circuito retificador de meia-onda constitudo por um transformador, um diodo e a carga, como mostra a Figura 3.4. Figura 3.4 Circuito retificador de mei-onda Funcionamento Nosemiciclopositivo,odiodoconduz(polarizaodireta)eatensonoresistora mesma do secundrio do transformador. Observe as Figuras 3.5(a) e3.5(b). 2Veficaz 32 Figura3.5(a)Circuitoretificadordemeia-onda,(b)Formadeondanoresistornosemiciclo positivo. No semiciclo negativo o diodo estar reversamente polarizado, portanto funcionando como uma chave aberta, logo a corrente no passar no resistor e a tenso na carga ser zero, como mostra as Figura 3.6(a) e 3.6(b). Figura 3.6 (a)Circuito retificador de meia-onda, (b) Forma de onda no resistor. Observe que a onda na qual era alternada no secundrio do transformar ao passar pelo diodo fica contnua, mais precisamente contnua pulsante. Afinalidadedestecircuitotransformaratensoqueeraalternada(primriodo transformador) em contnua( sinal na carga). Qual valor o multmetro indicar ao ler a tenso no resistor, j que a tenso pulsante.? O multmetro indicar o valor mdio, calculado da seguinte forma: ( )=Tmeddt t fTV01 33onde f(t) = Vp senno intervalo de 0 a e o perodo de 2 Logo: =2021Vpsenwtdt Vdc Wt = dtddtdwt =logo: wddt= = 021d VpsenwVdc

Tw 2= , eT = 2, logo w = 1 IVpVdc0cos2 = [ [ ] ] = 0 cos cos2VpVdc Vdc = Vp Exemplo: 1) Em um circuito retificador demeia-onda, a tenso no secundriodo transformador 12V. Calcule a tenso no resistor. Soluo: Vst refere-se atenso no secundrio do transformador Vp =Vst Vp =. 12 = 16,97V Vdc = VpVdc = 16,97Vdc = 5,4V 2 2 34 ESPECIFICAES DO DIODO Qual diodo poder ser colocado neste circuito? Odiododeversuportaratensomximaqueficarnelequandoreversamente polarizado e a corrente mdia quando diretamente polarizado. Logo temos duas especificaes: PIV Tenso de pico inversa Io Quantidade de corrente que o diodo deve suportar PIVOdiodoquandoreversamentepolarizado(semiciclonegativo),funcionarcomouma chave aberta, com mostra a Figura 3.7. Figura 3.7 Circuito equivalente no diodo para o semiciclo negativo PIV = Vpst (Tenso de pico do secundrio do transformador) Determinao do Io Io - a corrente mdia, quando o diodo est diretamente polarizado, logo a corrente que passa por ele igual acorrente que passa no resistor. No semiciclo positivo o diodo conduz.Tem corrente passando no diodo e tem corrente no resistor. Nosemiciclonegativoodiodonoconduz.Notemcorrentepassandonodiodoe tambm no tem correnteno resistor.Todaatensodosecundriodo transformadordeveestarno diodo. 35 Logo: Io = Idc Aquantidadedecorrentequepassanodiodoigualaquantidadedecorrenteque passa no resistor.Logo: Idc = Vdc/R Exemplo: 1)Emumcircuitoretificadordemeia-ondaatensonosecundriodotransformador9V. Calcule as especificaes do diodo. Dado: R= 3.9K Soluo: Vp =Vst Vp =. 9 = 12,72V Vdc = VpVdc = 12,72Vdc = 4,05V PIV = 12,72V Io = Idc = Vdc Io = 4,05 = 1,03mA 3.4 Circuito Retificador de Onda Completa Nocircuitoretificadordeondacompletacomderivaocentral(Figura3.8),deve-se utilizar um transformador com derivao central, dois diodos e a carga. Figura 3.8 Circuito retificador de onda-completa com derivao central 2 2 R3,9K Rl 36Namontagemdocircuito,utiliza-sedeumtransformadorcomderivaocentral, conhecido tambm como tomada central ou, em ingls central tap( Figura 3.9). Nestes transformadores, o enrolamento secundrio apresenta uma derivao no centro. Estaderivaofarcomqueatensofiquedivididaigualmentedametadeparaumadas estremidades. Ex: Figura 3.9 Transformador com derivao central Funcionamento do circuito No semiciclo positivo D1 conduz e D2 abre, como mostram as Figura 3.8(a) e 3.8(b). Figura3.10(a)Circuitoretificadordeondacompletacomderivaocentral,(b)Formadeondano resistor no semiciclo positivo. A tenso no resistor ser a metade da tenso total do transformador. No semiciclo negativo D1 abre e D2 conduz, como mostra as Figuras 3.11(a) e 3.11(b). 9V 9V 18V + - Vst + Vdc T T 37 Figura3.11(a)Circuitoretificadordeondacompletacomderivaocentral,(b)Formadeondano resistor no semiciclo negativo Observe que a polaridade no resistor permanece a mesma e a freqnciaem relao a tenso no secundrio do transformador o dobro pois o perodo a metade. A tenso Vdc ser: ( )=Tdcdt t fTV01 onde: f(t) = Vp sen para o intervalo de 0 a e Vp sen para o intervalo de a 2 Devemos integrar o sinal at 2, logo W = 2 f = 1 ((

+ = 0221Vpsen Vpsen Vdc [ ] 2 22+ =VpVdclogo:VpVdc 2 = + - Vst + Vdc T - T 38 OBS: Como apenas a metade da tenso no secundrio ir para o resistor temos que: Vp =

Exemplo; 1) Em um circuito retificador de onda completa com derivao central a tenso no secundrio do transformador 16V. Calcule a tenso no resistor de 5,6K. Soluo: Vp == Vp = 11,31V Vdc = 2.(11,31)/= 7,2V ESPECIFICAES DO DIODO PIV Quando D1 est aberto D2 est conduzindo e a tenso que fica em D1 a tenso total do secundrio do transformador. Figura3.12Circuitoequivalentedocircuitoretificadordeondacompletacomderivaocentralno semiciclo positivo 2. Vst 2 2. Vst 22 2 . 16 + - 39 PIV = Vpst Io No semiciclo positivo D1 conduz e tem corrente no resistor, no semiciclo negativo D1 estar aberto mais D2 conduz e existir corrente no resistor logo: Aquantidade de corrente que passa no diodo a metadeda quantidade de corrente que passa do resistor. Io = Idc Exemplo: 1) Em um circuito retificador de onda completa com derivao central , a tenso no secundrio do transformador 12V . Calcule as especificaes do diodo para um resistor de 2,7 K. Soluo: Vp == Vp = 8,48V Vdc = 2.(8,48)/= 5,4V PIV = . 12 = 16,97V Io = IdcIdc = 5,4/2,7K = 2mA Io = 2m/2 = 1mA 2 2. Vst 22 2 . 12 2 2 403.5 Retificador Em Ponte Nocircuitoretificadoremponte(Figura3.13),serutilizadoquatrodiodospara aproveitar os dois semiciclos(positivo e negativo) do sinal alterado. Outrosim, toda a tenso do secundrio do transformador chegue na carga. Figura 3.13 Circuito retificador em ponte Durante o semiciclo positivo D2 e D3 conduzem e D1 e D4 funcionaro como uma chave aberta, como mostram as Figuras 3.14(a) e 3.14(b). Figura 3.14 (a)Circuito retificador em ponte, (b) Forma de onda no semiciclo positivo DuranteosemiciclonegativoD1eD4conduzem,D2eD3funcionarocomouma chave aberta, como mostram as Figura 3.15(a) e 3.15(b). Rl D2 D4 D1 D3 41 Figura 3.15 (a) Circuito retificador em ponte, (b) Forma de onda no semiciclo negativo Como a forma de onda igual a do circuito retificador de onda completa com derivao central, o clculo da tenso Vdc igual. Vdc =2Vp A vantagem do circuito retificador em ponte em relao ao circuito retificador de onda completacomderivaocentralquenonecessitadeumtransformadorcomderivao central e a tenso total do transformador aproveitada. Exemplo: 1)Emumcircuitoretificadoremponteatensonosecundriodotransformadorde12V. Calcule a tenso na carga. Soluo: Vdc = 2VP/ Vp = . 12 = 16,97V Vdc = 2.16,97/ = 10,8V 2 42 ESPECIFICAES DO DIODO So duas as especificaes do diodo: Tenso mxima de pico que fica no diodo quando o mesmo est inversamente polarizado, denominado PIV(Tenso de pico inversa) e o valor mdio a corrente no diodo quando o mesmo est diretamente polarizado, denominado Io. PIV- No semiciclo positivo D1 est funcionando como uma chave aberta e D3 est conduzindo, observena Figura 3.12, que a tenso em D1 igual a tenso total do secundrio do transformador. PIV = Vpst Io Durante o semiciclo positivo a corrente no passa sobre D1, mas tem corrente no resistor. No semiciclo negativo tem corrente no diodo e tambm tem corrente no resistor, logo: Io = Idc Exemplo 1)Em um circuito retificador em ponte, a tenso no secundrio do transformador 9V. Calcule as especificaes do diodo sabendo que o resistor de 2,7K. Soluo: Vdc = 2VP/ Vp = . 9 = 12,72V Vdc = 2.12,72/ = 8,1V PIV = 12,72V Io = Idc/2Idc = Vdc/R = 8,1/2,7K = 3mA Io = 3m/2 = 1,5mA 2 2 433.6 Comparao Entre As Frequncias Dos Circuitos Retificadores Para compreender a freqncia do sinal na carga, vamos analisar o perodo entre o sinal no secundrio do transformador e o sinal na carga. Na comparao entre o perodo do sinal no secundrio do transformador e o perodo do sinal na carga em um circuito retificador de meia-onda, observando a Figura 3.16, verificamos queoperododosinalnosecundriodotransformadorteromesmoperododosinalno resistor em um circuito retificador de meia-onda. Figura 3.16 Comparao entre o perodo da onda no secundrio do transformador e na carga no circuito retificador de meia onda. NaFigura3.16,verificamosqueaocompararoperododosinaldalinhacomado circuitoretificadordemeia-onda,operodopermaneceomesmo,ouseja2.Logo,a frequncia,amesma.Seafrequnciadalinhaforde60Hz,emumcircuitoretificadorde meia-onda,a frequncia tambm ser de 60Hz. Na comparao entre o perodo do sinal no secundrio do transformador e o perodo do sinal na carga em um circuito retificador de onda completa, (Figura 3.17) iremos fazer a seguinte anlise: + Vdc T - Vst FORMA DE ONDA DA LINHA FORMADEONDANORESISTORPARA O CIRCUITO RETIFICADOR DE MEIA-ONDA 2 2 44 Figura 3.17 Comparao entre o perodo da onda no secundrio do transformador e na carga no circuito retificador de onda-completa. Operododalinha2,porm,noscircuitosretificadoresdeondacompleta,no resistor, o perodo , logo, a frequncia no circuito retificador de onda completa o dobro da frequnciadalinha.Exemplificando,senalinhaafrequnciaforde60Hz,emumcircuito retificador de onda completa a freqncia na carga ser de 120Hz. Exerccios 1.Preencha os espaos em branco. A . Em um circuito retificador de meia-onda a tenso no resistor ser calculado pela seguinte equao: Vdc =___________ B . Em um circuito retificador de meia-ondaPIV = _____________ e Io = __________ C.Emumcircuitoretificadordeondacompletacomderivaocentralatensonoresistor ser calculado pela seguinte equao: Vdc =__________, onde Vp = _________ da tenso no secundrio do transformador. D.Emumcircuitoretificadordeondacompletacomderivaocentraltemos:PIV= ___________ e Io = ______________. E.Emumcircuitoretificadoremponteatensonoresistorsercalculadopelaseguinte equao: Vdc = ______________ F . Em um circuito retificador em ponte temos: PIV = ___________ e Io = ___________ G . Se a frequencia da linha for de 50Hz, em um circuito retificador de meia-onda a frequncia serde_____________nocircuitoretificadordeondacompletacomderivaocentrala frequnciaserde_________enocircuitoretificadoremponteafrequnciaserde ___________. Vst + Vdc T - T FORMA DE ONDA DA LINHA. FORMADEONDANOCIRCUITO RETIFICADORDEONDA COMPLETACOMTAPCENTRALE RETIFICADOR EM PONTE. 2 2 452.Emumcircuitoretificadordemeia-ondaatensonosecundriodotransformadorde 18V, sabendo que Rl = 6,8K. Calcule as especificaes do diodo. 3.Em um circuito retificador de onda-completa com derivao central a tenso no secundrio do transformador de 25V. Sabendo que Rl = 5,6K. Calcule as especificaes do diodo. 4.Emumcircuitoretificadoremponteatensonosecundriodotransformadorde16V, sabendo que Rl = 8,2K. Calcule as especificaes do diodo. 5.UmalunomontouemlaboratrioocircuitodaFigura3.18,noqualverificouaformade onda no resistor com o osciloscpio, como mostra a figura. Se o aluno utilizasse o multmetro para medir a tenso no resistor, qual tenso ele iria ler? Figura 3.18 6. Dado o circuito(Figura 3.19) determine a tenso V1. Dado: Vst = 25V, R1 = 10k, R2 = 15k e R3 = 22K. Figura 3.19 7. Dado o circuito (Figura 3.20), determine a tenso V1 e as especificaes do diodo. Dado: Vst = 26V, R1 = 1K, R2 = 3,3K e R3 = 5,7K 46 Figura 3.20 8- Dado o circuito (Figura 3.21),determine a forma de onda no diodo D1. Figura 3.21 9. Um aluno montou em laboratrio o circuito (Figura 3.22), no qual observou a forma de onda com o osciloscpio no resistor, como mostra a figura. Determine a tenso que ele ir ler ao medir a tenso no resistor com o multmetro. Figura 3.22 V1 47Experincia no Laboratrio Experincia 2 Circuito retificador de meia-onda Nestecircuito,deve-semontarumcircuitoretificadordemeia-onda,paraobservaro sinal do resistor com o uso do osciloscpio e medir a tenso Vdc. Material necessrio: - 1 transformador, 110V/220V 9V, 500mA - 1 diodo 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 10K, 0,25W; - 1 multmetro (analgico ou digital); - 1 Osciloscpio. Procedimento: 1-Monte o circuito da Figura 3.23: Figura 3.23 2-Com o uso do osciloscpio, observe a forma de onda no resistor. 3-Utilize as expresses matemticas e calcule a tenso Vdc. 4-Com o multmetro mea a tenso no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado. 5-Inverta o diodo e observe a forma de onda no resistor. Experincia 3 Circuito retificador de onda completa com derivao central Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivao central, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscpio e medir a tenso Vdc. Material necessrio: 48- 1 transformador com derivao central, 110V/220V 12V+12V, 500mA - 2 diodos 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 10K, 0,25W; - 1 multmetro (analgico ou digital); - 1 Osciloscpio. Procedimento: 1.Monte o circuito da Figura 3.24: Figura 3.24 2.Com o uso do osciloscpio, observe a forma de onda no resistor. 3.Utilize as expresses matemticas e calcule a tenso Vdc. 4.Com o multmetro mea a tenso no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado. 5.Inverta os diodos e observe a forma de onda no resistor. Experincia 4 Circuito retificador em Ponte Neste circuito, deve-se montar um circuito retificador de onda completa com derivao central, para observar o sinal do resistor com o uso do osciloscpio e medir a tenso Vdc. Material necessrio: - 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA - 4 diodos 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 10K, 0,25W; - 1 multmetro (analgico ou digital); - 1 Osciloscpio. Rl 49Procedimento: 1.Monte o circuitoda Figura 3.25: Figura 3.25 2.Com o uso do osciloscpio, observe a forma de onda no resistor. 3.Utilize as expresses matemticas e calcule a tenso Vdc. 4.Com o multmetro mea a tenso no resistor (Vdc) e compare com o valor calculado. 5.Inverta os diodos e observe a forma de onda no resistor. DIVERTINDO-SE COM A ELETRNICA Capacitor varivel Neste circuito ser construdo um capacitor varivel de estado slido, servindo para substituir capacitores variveis comuns em circuito de sintonia. Material necessrio: 2 baterias de 12V; 1 resistor de 8,2K 1/4W; 1 resistor de 1M; 1 potencimetro de 1M; 1 diodo varicap ( qualquer um serve); 1 capacitor 10nF Circuito da Figura 3.26: Figura 3.26 Rl D2 D4 D1 D3 50 CAPTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO Introduo Noscircuitosretificadoresvistoatagora,verificamosqueatensojcontnua,no entanto,osinalcontinuapulsando.Oprximopassoparaconstruirmosumafontede alimentaoaplicarumfiltrocapacitivo,paraqueosinalfiqueomaisprximodeuma tenso contnua constante. 4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo No circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo, foi introduzido um capacitor em paralelo a carga como mostra a Figura 4.1 Figura 4.1 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo Nosemiciclopositivododiodoconduzeocapacitorcomeaacarregaratatingira tenso de pico no secundrio do transformador. Quando a tenso do secundrio do transformador diminuir (sendo menor do que Vp) o diodoabre,poisatensonocapacitorsermaiordoqueatensonosecundriodo transformador(odiodoestarpolarizadoreversamente).Entoocapacitorcomeaa descarregar pelo resistor, para este circuito utilizado-se valores relativamente altos para C, de talformaque=RC,sermaiordoqueoperododaondanosecundriodotransformador (T= 1/60 s). Duranteosemiciclonegativoodiodoestpolarizadoreversamenteeocapacitor continua descarregando pelo resistor. Novamentenosemiciclopositivo,quandoVst>Vc(tensonosecundriodo transformador maior do que a tenso no capacitor) , o diodo conduz e o capacitor carrega at atingir a tenso de pico do secundrio do transformador, como mostra a Figura 4.2. 51 Figura 4.2 Forma de onda no resistor Vdc = Vp -Vond Vond = I Onde: I = Corrente no resistor, no entanto iremos aproximar a Vp/R F = frequncia da forma de onda no resistor C = Capacitncia Obs: Quanto maior = RC, menor ser a tenso de ondulao, logo maior ser a tenso Vdc e mais contnua ser a forma de onda no resistor. Vst Vdc T T 2 FC De: I = C dV dt dV = Vond 52 ESPECIFICAES DO DIODO So duas as especificaes do diodo: Tenso mxima de pico que fica no diodo quando o mesmo est inversamente polarizado, denominado PIV(Tenso de pico inversa) e o valor mdio a corrente no diodo quando o mesmo est diretamente polarizado, denominado Io. PIV Atensonodiodoteromaiorvalor,quandoemumcircuitoocapacitortiverum valormuitoelevadonotendotempoparadescarregareatensonosecundriodo transformador estiver no semiciclo negativo como mostra Figura 4.3. Figura 4.3 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo no semiciclo negativo Ao fechar a malha, a tenso mxima que chegar ao diodo ser: PIV= 2Vps Io Aquantidadedecorrentequepassanodiodoseramaiorpossvelquandoemum circuito o valor daresistncia e o valor do capacitorforremmuito baixo, de tal forma que o capacitor de descarrega quase que totalmente, ficando a forma de onda muito parecida com a do circuito retificador de meia-onda. Exemplo: 1)Dadoocircuito,calculeatensoVdceasespecificaesdodiodo.Dado:Vst=12Ve Flinha = 60Hz Io = Idc 53 Figura 4.4 Circuito retificador de meia onda com filtro capacitivo Soluo: Vdc = Vp -Vond onde : Vond = I Paraocircuitoretificadordemeia-ondaafrequnciadaondanoresistoriguala frequncia da linha logo: F= 60Hz Vp = . 12 = 16,97V I Vp/R = 16,97/5,6K = 3mA Vond =3 = 0,5V Vdc = 16,97 0,5/2 = 16,7V PIV = 2(16,97) = 33,94V Io = Idc = 16,7/5,6K = 2,98mA 4.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivao Central e Filtro Capacitivo No circuito retificador de onda completa com derivao central e filtro capacitivo, foi introduzido um capacitor em paralelo com a carga como mostra Figura 4.5. 2FC 2 60.100 54 Figura 4.5 Circuito retificador de onda completa com derivao central efiltro capacitivo Durante o primeiro semiciclo positivo, D1 conduz e o capacitor comea a carregar at atingir a tenso no secundrio do transformador. Quando Vst diminui D1 abre e o capacitor comea a descarregar pelo resistor. No semiciclo negativo, quando Vst > Vc , D2 conduz e o capacitor carrega at atingir Vpst.QuandoVstformenordoqueVpst,D2abreeocapacitornovamentecomeaa descarregar pelo resistor. NosemiciclopositivoquandoVst>Vc,D1conduzeocapacitorcarregaatatingir Vpst.NovamentequandoVst Vc,D2e D3 conduzeme o capacitorcarrega at atingirVpst,quandoVst> R Na Figura 6.2(a), temos um outro limitador positivo, no qual foi inserida uma fonte de tenso em serie com o diodo. A limitao da tenso ser para tenses acima de V como mostra a Figura 6.2(b). Figura 6.2 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga Anlise do Circuito limitador positivo polarizado No semiciclo positivo, quando vent > V o diodo conduz , logo: Vsada = V No semiciclo como o diodo est sempre aberto, pois V e Vent polarizam reversamente o diodo temos: Vsada = Vent - Outros circuitos limitadores NasFiguras6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,7.8,6.9e6.10temosexemplosdeoutroscircuitos limitadoreseassuasrespectivasformasdeondanacarga.,noqualofuncionamento semelhante aos circuitos j analisados. R Rl VsadaVent V Vp Vsada T V T -Vp -Vp Vent 76 Figura 6.3 (a) Circuito limitador negativo, (b) Forma de onda na carga Figura 6.4 (a) Circuito limitador positivo, (b) Forma de onda na carga VsadaVent Rl Vent Vsada T T Vp -Vp VsadaVent Rl Vent Vsada T T +Vp -Vp 77 Figura 6.5 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga Figura 6.6 (a) Circuito limitador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga VsadaVent Rl V Vent Vsada T T +Vp -Vp -V+Vp -V VsadaVentRl Vent T T -V -V - Vp -V +Vp -Vp V 78 Figura 6.7 (a) Circuito limitador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga Figura 6.8 (a) Circuito limitador negativo, (b) Forma de onda na carga VsadaVent Rl V Vent Vsada T T +Vp -Vp +V-Vp R Rl VsadaVent Vent Vsada T T +Vp -Vp +Vp 79 Figura 6.9 (a) Circuito limitador polarizado, (b) Forma de onda na carga Figura 6.10 (a) Associao de limitadores, (b) Forma de onda na carga R Rl VsadaVent V Vent Vsada T T +Vp -Vp +Vp V R Vent V1 Rl V2 Vsada Vent Vsada T T +Vp -Vp V2 V1 80 6.2 Circuitos Grampeadores Algumasvezes,umprojetodecircuitorequeracombinaodeumatensoCAcom uma tenso CC. Em vez de mudar o aspecto da forma de onda, a operao modifica o nvel da tenso de referncia CC. Chamamos esse processo de grampeamento ou restaurao CC. Em todas as anlises iremos admitir que a carga de um capacitor atinja o valor final em cinco constantes e tempo. Na Figura 6.11(a), temos um circuito grampeador positivo, no qual no sinal CA(Vent) adicionado uma tenso CC, com a polarizao do capacitor. O sinal deslocado para acima do eixo como mostra a Figura 6.11(b). Figura 6.11 (a) Circuito grampeador positivo, (b) Forma de onda na carga OcapacitorsecarreganosemiciclonegativocomVp,posteriormentenose descarregamais, uma vez que odiodo ir permanecer sempre aberto e aconstante de tempo RC>>Tentrada, no havendo condies de descarregar por Rl. O circuito se resumecomo mostra a Figura 6.12. Rl Vent C Vsada Vent Vsada T T +Vp -Vp +2Vp 81 Figura 6.12 Circuito grampeador positivo Anlise do circuito grampeador positivo No semiciclo positivo: Vsada = Vc + Vent Quando Vent = 0Vsada = Vc = Vp Quando Vent aumenta a tenso de sada tambm aumenta. Quando Vent = Vp. Vsada = 2Vp Quando Vent diminui , Vsada diminui at Vp No semiciclo negativo: Vsada = Vc Vent Quando Vent diminui, Vsada diminui Quando Vent = - Vp , Vsada = 0 Quando Vent aumenta, Vsada tambm aumenta. Outros Circuitos grampeadores NasFiguras6.13,6.14,6.15,6.16e6.17,temosmaisexemplosdecircuitos grampeadoreseassuasrespectivasformasdeondanacarga.Aanlisesemelhanteas anlises j realizadas. Rl Vent Vp Vsada +- 82 Figura 6.13 (a) Circuito grampeador negativo, (b) Forma de onda na carga Figura 6.14 (a) Circuito grampeador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga Vent R Vent C Vsada Vent Vsada T T +Vp -Vp -2Vp R Vent V C Vsada Vsada T T +Vp V -2Vp+V -Vp 83Obs: O capacitor se carrega com - ( Vp V ) Figura 6.15 (a) Circuito grampeador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga Figura 6.16 (a) Circuito grampeador negativo polarizado, (b) Forma de onda na carga R Vent V C Vsada Vent Vsada T T +Vp -Vp V +2Vp+V R Vent V C Vsada Vent Vsada T T +Vp -Vp -V -V-2Vp 84 Figura 6.17 (a) Circuito grampeador positivo polarizado, (b) Forma de onda na carga Exerccios 1- Dado o circuito determine a forma de onda na sada. Figura 6.18 2- Dado da Figura 6.19, determine a forma de onda na sada. 7V R Vent V C Vsada Vent Vsada T T Vp + 2Vp -V -V R Rl VsadaVent 4V 30V Vsada T T -30V Vent 85 Figura 6.19 Experincia no Laboratrio Experincia 9 Circuito Grampeador Nestecircuito,deve-semontarumcircuitogrampeador,comoobjetivodeanalisareobservar o sinal do resistor com o uso do osciloscpio. Material necessrio: - 1 gerador de udio - 1 diodo 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 1M, 0,25W; - 1 capacitor 470F; - 1 multmetro (analgico ou digital); - 1 Osciloscpio. Procedimento: 1. Monte o circuito daFigura 6.20, no qual ventcorresponde o sinaldo gerador de udio em 1KHz e amplitude de 5V. 86 Figura 6.20 2. Com o uso do osciloscpio observe a forma de onda do resistor e analise o que acontece com o sinal se o valor do capacitor ou do resistor diminuir. DIVERTINDO-SE COM A ELETRNICA Fonte de alimentao paraCIs da famlia TTL Neste circuito, voc ir montar uma fonte de alimentao para alimentar CIs da famlia TTL.Os CIs da famlia TTL necessitam de uma fonte de 5V. Material necessrio - 1 transformador -110V/220V ,12V, 500mA; - 4 diodos 1N4001 (ou equivalente); - 1 capacitor de 220F; - 1 capacitor 0,01F; - 1 CI 7805. Circuito da Figura 6.21. R Vent C Vsada 87 Figura 6.21 88CAPTULO 7 DIODOS ESPECIAIS Introduo O diodo zener um diodo especial, no qual, a sua principal aplicao regular a tenso na carga, ou seja, mantm a tenso constante na carga. Constitui o ltimo componente em uma fonte de alimentao. 7.1 Diodo Zener Odiodozenerumdispositivosemicondutor,fabricadoespecialmenteparatrabalhar na regio de ruptura o que no ocorre nos diodos retificadores e de pequeno sinal. Figura 7.1- Smbolo do diodo zener. Na figura 7.2, temos ogrfico querelaciona a correnteea tenso para odiodo zener, ou seja, este grfica representa o funcionamento do diodo zener. Figura 7.2- Curva caracterstica de um diodo zener. anodo catodo v I Ruptura ou Vz Polarizao direta Polarizao reversa Iz(mn) Iz(mx) 89 Quandosepolarizadiretamenteodiodozener,elesecomportadamesmaformaque umdiodoretificador,ouseja,conduzapartirdomomentoemquevenceabarreirade potencial. Na polarizao reversa, enquanto a tenso que est sendo aplicada for menor do que a tenso de zener , ele funciona como uma chave aberta. Quando a tenso que est sendo aplicado ao diodo zener for maior do que a tenso de zener,elepassaaconduzir,observandoqueatensonelepermaneceamesmaaumentando apenasacorrentequepassaporele,eexisteacorrentemximaqueodiodozenersuporta, maior do que esta corrente o diodo zenerser danificado. CIRCUITO BSICO O menor circuito para a montagem com o diodo zener apresentado na Figura 7.3, constituindo de uma fonte de alimentao e um resistor Figura 7.3 Exemplo: Se montssemos o circuito da Figura 7.4, e medssemos a tenso no diodo zener e a corrente que passa por ele ao aplicar a tenso V, montaramos a tabela 7.1. Esta tabela importante para que possamos compreender o funcionamento do diodo zener. Tabela 7.1 Figura 7.4 Ve Rs Vz Ve = RsIs +Vz Ve 1K 5V6 Quando Ve = 1V Vz = 1V e Is =0 Quando Ve = 2V Vz = 2V e Is =0 Quando Ve = 3V Vz = 3V e Is =0 Quando Ve = 4VVz = 4V e Is = 0 Quando Ve = 5VVz = 5V e Is = 0 Quando Ve = 6VVz = 5,6V e Is = 0,4m A Quando Ve = 7VVz = 5,6V e Is = 1,4mA Quando Ve = 8VVz = 5,6V e Is = 2,4mA Quando Ve = 9VVz = 5,6V e Is = 3,4mA Quando Ve = 10VVz = 5,6V e Is = 4,4mA Vz 90 Is = Ve- Vz Especificao do diodo zener Pz(mx) = Vz .Iz(mx) CIRCUITO REGULADOR DE TENSO AFigura7.4,mostaocircuitoreguladordetenso,paraquepossamosfazer uma anlise matemtica e poder calcular as corrente que circulam no circuito. Figura 7.5 Circuito regulador de tenso Clculo da tenso de Thevenin Vamoscalcularatensoquechegaaodiodozener,fazendooequivalentede Thevenim. ( retira o diodo zener do circuito e calcula a tenso visto a apartir do diodo zener ou seja para este circuito ser a tenso no resistor Rl ) Vth = R1.Ve Se Vth > Vz(significaque o diodo zener estoperando) Rs Rl + Rs Ve Rs VzRl Is Iz IlVl 91 Logo: Is = Il + Iz Onde: Il = Vl Vl = Vz e Is =Ve - Vz Ex: Dado o circuito (Figura 7.6), calcule Is, Iz e Il Figura 7.6 Soluo: Vth = R1.VeVth = 5,6K . 15 Vth = 10V Vth > Vzlogo: O diodo zener est regulando. Il = 3,2/5,6K = 0,57mA Is =15 3,2 Is = 4,3mA Is = Il + IzIz = Is Il= 4,3m 0,57m= 3,73 mA RlRs Rl + RsRl + Rs5,6K+2,7K 15V 2,7K 3V25,6K Is Iz Il 2,7K 92Aplicao do Diodo Zener Uma das principais aplicaes do diodo zener na construo de fonte de alimentao pelo qual servir para manter a tenso na carga constante. A Figura 7.7, mostra uma fonte de alimentao. Figura 7.7 Fonte de alimentao Exemplo: 1)Seatensonocapacitorosciladade5,6V6,3Veodiodozenerde3,2V,considerando que a queda em Rs seja de 0,8V ou seja a tenso que chega no diodo zener 4,8 5,5V, ento a tenso depois quepassa pelo diodo zenerser constante em 3,2V. 7.2 Diodo Emissor De Luz (LED) OsdiodosemissoresdeluzsofabricadosapartirdoGaAs(arsenietodeglio) acrescidos de fsforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luzes vermelha, laranja, amarela, verde ou azul, so muitos utilizados como sinalizadores em instrumentos eletrnicos ou na fabricao de displays.Enquantoqueemumdiodocomumnapassagemdecorrente,ocorrealiberaode energia em forma de calor, em um LED a liberao de energia na forma de luz visvel.A simbologia para o led apresentado na Figura 7.8. SIMBOLOGIA Figura 7.8 anodo catodo D2 D4 D1 D3 C Rs VzRl 93 Na Figura 7.9, temos a curva caracterstica para o led. Figura 7.9 OsLEDsapresentamasmesmascaractersticasdosdiodoscomuns,ousejas conduzemquandopolarizadosdiretamenteaplicandoumatensomaiordoqueabarreirade potencial, no entanto a barreira de potencial varia de 1,5V a 2,5V dependendo da cor. Comercialmente, o led trabalha normalmente com corrente na faixa de 10mA a 50mA. CIRCUITO BSICO: OmenorcircuitoquepodemosconstruircomumledapresentadonaFigura 7.9.Nosedeveligarumledemparalelocomumafontedealimentao,poisdanifica facilemnte,umavezquearesistnciadafontedesprezveleacorrentequepassarnoled ter valor elevado. v I Polarizao direta Polarizao reversa 1,5 a2,5V Para se polarizar um LED, deve-se utilizar um resistor limitadordecorrenteparaqueomesmonose danifique. 94 Figura 7.9 OBS: como Vled varia de 1,5 a 2,5V vamos adotar 2V Exemplo: 1)DetermineRsparaqueoLEDdocircuito(Figura7.10),fiquepolarizadonoseuponto quiescente (Vled = 2V e Id = 20mA) Figura 7.10 Soluo: Rs = 200 7.3 Diodo Tnel Estedispositivopossuiumacaractersticanoencontradaemnenhumoutrodesua famlia, que a regio negativa. Estefatoimplicaque,seestecomponenteestiverpolarizadoemumadeterminada regiodesuacurvacaracterstica,seaumentarmosatensoentreseusterminais,acorrente que atravessa diminuir. Ve Rs Is Is = Ve - Vled Rs 6V Is = Ve Vled Rs Is Rs= 6 2 20m 95ElefoidesenvolvidopeloDr.LeoEsakiem1958e,asvezeschamadodediodo Esaki, em homenagem ao seu descobridor. SIMBOLOGIAS 7.11 Simbologia para diodo tnel A Figura 7.12, mostra a curva caracterstica para o diodo tnel. Figura 7.12 Por ser um diodomuitodopado, ao sepolarizardiretamenteconduz imediatamente,a correnteproduzumvalormximoIp.UmaumentodetensomaiordoqueVpproduzuma diminuionacorrenteearegioentreospontosdepicoedovalechamadoregiode resistncia negativa. Na polarizao reversa a ruptura ocorre prximo de 0V. APLICAES Ascaractersticasderesistncianegativaostornamteisemcircuitosdemicroondas, amplificadores, conversores, osciladores e circuitos de chaveamentos. Ofatodeste dispositivoser mais veloz doque todos os outrosdispositivos ativos, faz comqueelesejaencontradotambmemcircuitosdealtafrequnciaealtavelocidade, especialmenteemcomputadores,ondeostemposdecomutaosodaordemdenanoou picossegundos. So tambm encontrados em circuitos capazes de converter potncia cc em ca. V I Ip Iv VPVv 967.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC) EstediodoaproveitaalmdosefeitosnajunoPNutilizadosnosdiodoscomuns,o fatodacapacitnciaexistentenajunoserfunodatensodepolarizao.AFigura7.14 mostra a simbologia para o diodo varicap. Figura 7.14 Simbologia A Figura 7.15, temos a curva caracterstica para o diodo varicap. Figura 7.15 Napolarizaoreversaemcircuitodealtafrequncia,comoodiodofunciona basicamente como um capacitor (as regies P e N so como placas do capacitor e a camada de depleo se compara ao dieltrico) ao aumentar a tenso reversa a capacitnciair diminuir. APLICAES O Varactor muito til em diversas aplicaes como em circuitos LC com sintonia por tenso,circuitosponteautobalanceadoseamplificadoresparamtricos,dispositivosde controle de frequncia automticos, filtros de banda passante ajustveis etc. V C 97Reviso 1.Dado o circuito da Figura 7.16, calcule as correntes Is, Iz e Il. Figura 7.16 2.Explique o que voc entende por LED. 3.Cite algumas aplicaes do diodo tnel. 4.Cite algumas aplicaes do Varactor. 5.No circuito da Figura 7.18, V1 = 15V e no LED D1, Imin = 1mA, Imx = 25mA e Vled = 2V. Figura 7.18 Considerando a possibilidade de R1 assumir os valores de 110, 1400 e 690K, correto, que o LEd: a)acende normalmente nos 3 casos. b)Acende normalmente para 110 e 1400, mas no ir acender quando R1 for de 690K. c)Acende normalmente para 1400, mas com 690K no ir acender e quando R1 for de 110 pode queimar. d)No acende normalmente quando R1 vale 690K e pode queimar quando R1 for de 110 ou de 1400. e)No acende normalmente quando R1 for de 1400 ou de 690 e pode queimar quando R1 vale 110. 20V 3,9K 5V610K Is Iz Il 986.A Figura 7.19, ilustra um circuito alimentado por uma fonte de tenso senoidal da forma Ve(t) = 20sen(wt), onde Z1 um diodo zener de 15V e D1 um diodo ideal. O sinal de sada Vs(t) dever ser, aproximadamente, da forma: Figura 7.19 7. A Figura 7.120, ilustra um circuito alimentado por uma fonte de tenso senoidal, cujo valor de pico superior tenso de diodo zener Z1, que pode ser considerado ideal. O sinal de tenso Vs(t) dever ter, aproximadamente, a forma: 99 Figura 7.20 8. (ELETRONORTE 2006) Na fonte da Figura 7.21, a tenso de entrada N V no regulada, evariade15a20V;odiodozenertemtensonominalZVde10V,erequernomnimo5 mA de corrente para garantir a regulao; a carga L R variante no tempo, e consome de 0 a 5 mA. Figura 7.21 Em condies normais de funcionamento: (A) Rl < 2 k ; (B) R > 500 ; (C) se R = 500 , a corrente mxima no diodo zener de 10 mA; (D) se R = 500 , a potncia mxima exigida da fonte no regulada de 400mW; (E) se R = 500 , pode ser um resistor de 1/8 W.

100Experincia no Laboratrio Experincia 10 O diodo Zener Neste circuito, deve-se montar um circuito bsico com o diodo zener para compreender o seu funcionamento. Material necessrio: - 1 Fonte de alimentao varivel (0-15V) - 1 diodo zener 5V6, 0,5W; - 1 resistor de 1K, 0,25W; - 1 multmetro (analgico ou digital); Procedimento: 1.Monte o circuito da Figura 7.22. Figura 7.22 3.Preencha a tabela abaixo: VfAVz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1014. Qual o valor datenso que se manteve constante?_________ Experincia 11 Fonte de alimentao (eliminador de pilhas) Neste circuito, vamos montar uma fonte de alimentao. Material necessrio: - 1 transformador -110V/220V ,9V, 500mA - 4 diodos 1N4001 (ou equivalente); - 1 resistor de 10K, 3,3K e 470 (0,25W); - 1 capacitor de 220F, 64V - 1 diodo zener 5,6V, 0,5W; - 1 multmetro (analgico ou digital). Procedimento: 1.Monte o circuito da Figura 7.23. Figura 7.23 2. Mea a tenso no resistor de 10K. 3. Substitua o resistor de 10K pelo resistor de 470 e um led, como mostra a Figura 7.24. Figura 7.24 102 DIVERTINDO-SE COM A ELETRNICA Alarme de subtenso Descreveremosdoiscircuitosparaumalarmedesubtenso.Noprimeiro,quandoa tensodiminuirabaixode12Vumleddeveacender.Porm,seatensovoltaraaumentaro led ir apagar. No segundo circuito, quando a tenso diminuir abaixo de 12V, uma lmpada ir acender, e mesmo que a tenso volte a aumentar, a lmpada permanecer acesa. Circuito 1 Material necessrio -1 fonte de tenso varivel; - 1 diodo 1N4004; - 1 led; - 1 diodo zener 12V, 0,5w; - 1 resistor 470;5,6K; 1K; - 1 transistor BC338. Circuito da Figura 7.25. Figura 7.25 Onicocomponentenoestudadoataquiotransistor.Nestecircuito,otransistorir funcionar uma chave.103O funcionamento do circuito ser da seguinte forma: Como a tenso dealimentao 14V, odiodozenerestar regulando, ficando 12V no diodo zenere2Vnoresistorde1K.Otransistor,nestecaso,estarfuncionadocomoumachave fechada e toda a corrente passar por ele, como mostra a Figura 7.26. Figura 7.26 Quando a tenso diminuir, abaixo de 12V, pode-se considerar que a corrente que passa no diodo zener ser zero, logo, a tenso no resistor de 1K ser zero e o transistor funcionar como uma chave aberta. Toda a corrente passar pelo lede acender. Neste circuito quando a tenso cair abaixo de 12V o led acende, no entanto, se a tenso voltar a aumentar o led apaga.Descrevemos a seguir um circuito no qual, quando a tenso baixar e voltar a aumentar uma lmpada ficar acesa. Material necessrio -1 fonte de tenso varivel; - 1 diodo 1N4004; - 1 lmpada de 12V; - 1 diodo zener 12V, 0,5w; - 1 resistor 2,2K, 10K; - 2 resistores 1K; - 1 transistor BC338; - 1 capacitor 1F, 16V - 1 SCR ( TIC106D); -1 rel 12V. Circuito 2 (Figura 7.27) 104 Figura 7.27 Neste circuito, figura, foi utilizado um SRC, no qual, quando a tenso cair abaixo de 12V, o transistor funciona como uma chave aberta e toda a corrente desvia para o circuito do capacitor que dispara o SCR. A bobina do rel acionada e o contato normalmente aberto do rel fechado, a lmpada acesa. 105 CAPTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR Introduo Otransistorumcomponenteeletrnicoformadopormateriaissemicondutores.Foi desenvolvidono laboratrio Bell Telephonee demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 por JohnBardeen,WalterHouserBrattaineWilliamBradfordShockley.Estesforamlaureados com o prmio Nobel daFsica em 1956. O transistorcomeoua se popularizar nadcada de 1950eocasionouarevoluodaeletrnicanadcadade1960.Asprincipaisaplicaesdo transistor so: amplificar sinais eltricos e chavear circuitos. 8.1 Constituio de um transistor bipolar A Figura 8.1 mostra a constituio do transistor, no qual formado pela combinao de materiaissemicondutoresdopadoscomtomostrivalentesoupentavalentes.Aadiode tomostrivalentesno semicondutor constitui a formao domaterialdo tipo P, e a adio de tomospentavalentesaformaodomaterialdotipoN.Umtransistorformadopela combinao do material N+P+N ou P+N+P, o quese denomina transistor NPN (Figura 8.3) e PNP (Figura 8.4),respectivamente (LALOND e ROSS, 1999).Figura 8.1 Estrutura fsica do transistor de juno bipolar NPN Asextremidadessochamadasemissorecoletoreacamadacentraldenominada base.Oemissorfortementedopadoetemcomofunoemitirportadoresdecargaparaa base(eltronsnotransistorNPNelacunasnotransistorPNP).Abaselevementedopadae muito fina. Ela permite que a maioria dos eltrons injetados pelo emissor passe para o coletor. Onveldedopagemdocoletorintermedirioentreadopagemfortedoemissorefracada base.Ocoletor,comoonomediz,recebeosportadoresquevmdabase.acamadamais extensa,poisnelaquesedissipaamaiorpartedapotnciageradapeloscircuitos transistorizados (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998). Fluxo de lacunas n p n EmissorBaseColetor Fluxo de eltrons 106 . NaFigura8.2,otransistorfoiredesenhadofixaroquefoidito.Comparandoastrs camadas dotransistor, elasnopossui tamanhos iguais, nemapresentamamesma dopagem. O emissor o mais dopado dos trs, o que significa que, na formao do materal do tipo N, a quantidadedeimpurezas(tomospentavelentes)superioraquantidadedeimpurezasdo coletor. Portanto, no emissor temos uma maior quantidade de eltrons livres do que no coletor. A base levemente dopada e o coletor o mais extenso dos trs. Figura 8.2 Transistor Bipolar Figura 8.3 -Transistor NPNFigura 8.4- Transistor PNP 8.2 Polarizao do Transistor Polarizarumtransistoraplicarfontesdealimentaoemseusterminaisparaque possamos analisar o que acontece, e desta forma, compreender o seu funcionamento. - Polarizao emissor -base reversamente e coletor base reversamente. coletor emissor base coletor emissor base 107 Figura 8.5- Polarizao emissor-base reversamente e coletor-base reversamente Pela Figura 8.5, observa-se que tenso aplicada no emissor para a base (Veb) e a tenso aplicadadocoletorparaabase(Vcb)polarizamotransistorreversamente.Umaformade visualizarestetipodepolarizaoconsiderarentreoemissoreabaseumdiodoemqueo catodoestnoemissoreoanodonabase.Atensopositivaexternaatraeoeltronsdo emissor paraaextremidade do transistor e o negativo dafonte externaaplicada nabase atrae as lacunas, com isto aumenta a camada de depleo. Entre o coletor e base acontece o mesmo procedimento.Opositivodafonteexternaatraeoseltronsdocoletoreonegativoqueest ligado na base atrae as lacunas, aumentando desta forma a barreira de potencial at se igualar a fonteVcb.Nestetipodepolarizaonohavercirculaodecorrentesedesprezaras corrente de fuga de superfcie e a corrente produzido termicamente. - Polarizao emissor base diretamente e coletor- base diretamente . Figura 8.6 Polarizao emissor base diretamente e coletor- base diretamente 108NaFigura8.6,atensoaplicadanoemissorparaabase(Veb)eatensoaplicadadocoletor para a base(Vcb) polarizam o transistor diretamente. Neste caso, haver uma grande circulao de corrente circulando pela base do transistor. - Polarizao emissor base, diretamente e coletor- base, reversamente Figura 8.7- Polarizao emissor base, diretamente e coletor- base, reversamente Este tipo de polarizao o mais utilizado dos trs. A fonte de tenso externa aplicada entre o emissor e a base polariza o transistor diretamente e a tenso aplicada do coletor para a base polariza o transistor reversamente, como mostra a Figura 8.7. A tenso Vcb faz com que aumente a camada de depleo entre a base e o coletor. A tenso Veb ao polarizar o transistor diretamente, faz o menos da fonte repelir os eltrons do emissor. Se a tenso Veb for maior do queabarreiradepotencial,oseltronspassamdoemissorparaabase.Aochegarnabase ocorreoinesperado,amaiorpartedoseltronspassamparaocoletor,sendoatradopelos ons positivo. Estes eltrons terminam indo para o positivo da fonte Vcb. Apenas uma pequena parceladesce pelabase. Pode-se dizer que, na maioria das vezes aproximadamente de 95% a 99% dos eltronsque passaram doemissor para a base vo para o coletor e apenas 5% a 1% descepelabase.Nestetipodepolarizaoverifica-sequeonomecoletorestindicandoque ele coleta os eltrons e o emissor tem como funo emitir eltrons. O emissor o mais dopado ele tem com funo emitir eltrons. -Tenses e correntes no transistor AFigura8.8e8.9mostramossentidosdastensesedascorrentesemumtransistor NPN e PNP respectivamente. 109 Figura 8.8 Transistor NPNFigura 8.9 Transistor PNP Podemos tirar as seguinte concluses: Transistor NPN Ie = Ic +Ib Vce = Vcb +Vbe Transistor PNP Ie = Ic + Ib Vec = Vbc +Veb 8.3 Configuraes Bsicas do Transistor Ostransistorespodemserutilizadosemtrsconfiguraesbsicas:basecomum, emissorcomumecoletorcomum.Otermocomumserefereaoterminalquesercomumao sinal de entrada e ao sinal de sada. 8.3.1 Configurao Emissor comum Umtransistorencontra-senaconfiguraoemissorcomum(Figura8.10),quandoo sinal de entrada est na base e o sinal de sada est no coletor. O emissor comum aos sinais de entrada e sada. 110 Figura 8.10 Configurao Emissor comum Nestaconfiguraonaentradatemosib,nasadaIc.Iecomumaosinaldeentradaede sada. Ganho de corrente O ganho de corrente relaciona a corrente de sada com relao a corrente de entrada. O ganho de corrente para este tipo de configurao Ic/Ib Como esta configurao a mais utilizada, os manuais dos fabricantes mostram este ganho de corrente, pelo qual simbolizado pela letra beta cc.Logo: = Ic/Ib Emboraesteganhodecorrentetenhasidodefinidoparaaconfiguraoemissor comum,esteparmetroservetambmparaoclculodosresistoresdepolarizaoparaas outras configuraes. Devidoaconfiguraoemissorcomumseramaisutilizada,entraremoscommais detalhes estudando as curvas caractersticas de entrada e de sada. Curva caracterstica do sinal de entrada A curva caracterstica do sinal de entrada mostra o comportamento da corrente Ib com relao a tenso Vbe (Figura 8.11). 111 Figura 8.11 Curva caracterstica do sinal de entrada Entreoemissoreabaseexisteumabarreiradepotencial.Paraqueoseltronsdo emissorpassemparaabase,deve-sevencerestabarreira.Comotransistorconstrudocom tomos de silcio o valor da barreira de potencial de 0,7V. Oqueobservamosquequandoumafontedetensocontnuaaplicadaentreo emissor e a base, o funcionamento semelhante a de um diodo. Curva caracterstica de sada Acurvacaractersticadosinaldesada,mostraocomportamentodacorrenteIccom relao a tenso Vce (Figura 8.12). Figura 8.12 Curva caracterstica do sinal na sada Como a corrente que flui para o coletor depende tambm da quantidade de eltrons que fluidoemissorparabase,ouseja,dacorrentedabase,ogrficoconstrudoparaosvrios valores da corrente da base.112Observamosque,seatensoentreoemissoreabaseforzero,mesmoqueatenso entre o coletor e o emissor seja um valor elevado, como no h corrente na base, tambm no haver corrente no coletor. O fato que, a tenso entre o coletor e base, polariza o coletor e a base reversamente, aumentando a camada de depleo. Quando uma tenso entre o emissor e a base for suficiente para vencer a barreira de potencial e assim a base ter corrente, a maior parte doseltronsatradapelocoletordevidoaosctionsdacamadadedepleo.Quantomaior foracorrentequepassaparaabase,maiorseracorrentequetambmpassaparaocoletor. Logo, a corrente do coletor no depende somente da tenso Vce, mas tambm da corrente Ib. 8.3.2 Configurao Base comum Nesta configurao, a base est na entrada e na sada do circuito, ou seja, a base o eletrodo comum. (Figura 8.13). Figura 8.13 Configurao base comum Definimos como entrada a tenso Vbe e a corrente Ie. Na sada est atenso Vcb e a corrente Ic. Ganho de corrente = Ic/Ie Definimos o ganho de corrente para este tipo de configurao, pois ser til para anlise de circuitos para outras configuraes.

Circuitos de polarizao tendo como base a configurao emissor comum Polarizao da base A Figura 8.15, mostra o circuito polarizao da base 113 Figura 8.14 Circuito polarizao da base Malha de entrada -Vbb + RbIb + Vbe = 0 Adotaremos Vbe sempre igual a 0,7V, qaunto a tenso Vbb for maior do que 0,7V, pois, entre a base e o emissor o transistor comporta-se como um diodo para uma tenso contnua. Logo: Vbb = RbIb + 0,7 Malha de sada - Vce + RcIc + Vce = 0 Exerccio Resolvido Dado o circuito (Figura 8.15). determine Vce e Ic. Dado: Vbb = 6V, Rb = 220K, Rc = 3,3K, Vcc = 12V e o ganho de corrente igual a 100. Figura 8.15 Soluo: 114- Malha de entrada 6 = 220KIb + 0,7 Ib = 0,024mA Ic = Iblogo: Ic = 0,024mx 100 Ic = 2,4mA Malha de sada 12 = Rc.2,4m +Vce 12 = 3,3K. 2,4m + Vce Vce =4,08V Reta de carga cc Parasaberospontosdeoperaodotransistor,faz-senecessrioesboarumaretana curvacaractersticadesadadotransistornaconfiguraoemissorcomum,queintercepte todos os possveis pontos de operao do transistor. Esta reta definida como reta de carga cc. (Figura 8.16). Figura 8.16 Reta de carga CC Regio de corte Aregiodecortedefinidacomoaregionoqualacorrentedabasezero (idealmente)consequentemente,Ictambmzero.Nestecaso,otransistorfuncionacomo uma chave aberta. 115Exemplo: 1)Dadoocircuito(Figura8.17),determineIceVce.Dado:Vbb=0,3V,Rb=10K,Vcc= 10V, Rc = 2,2K e =100. Figura 8.17 Soluo: Malha de entrada Vbb = RbIb + 0,7. onde a tenso Vbb no suficiente para vencer a barreira de potencial, pois entre a base e o emissor, o transistor funciona como um diodo. Logo Ib = 0 Como Ic = Ib eIb = 0, Ic = 0, mesmo tendo um valor de tenso Vcc.Vce = Vcc = 10V Neste caso, o transistor funciona como uma chave aberta e est operando na regio de corte. Imagina-se o circuitoda Figura 8.18. Figura 8.18 Regio de saturao Um transistor est operando na regio de saturao, quando a corrente Ib for um valor to elevado que o transistor sature funcionando como uma chave fechada. Exemplo - Dado o circuito (Figura 8.19), determine Ic e Vce. Dado: Vbb = 12V, Rb = 3,3K, Vcc = 15V, Rc = 2,2K e =100. 116 Figura 8.19 Soluo: Malha de entrada Vbb = RbIb + 0,7. 12 = 3,3KIb +0,7Ib = 3,42mA Ic = 100. 3,42m = 342mA Malha de sada 15 = 2,2K. 342m + Vce Vce = - 737,4V Como um transistor no gera tenso. A nica tenso que temos na malha de sada de 15V para ser divida pelo resistor e transistor. Oquetemosnestecaso,queacorrentedabaseumvalorbastanteelevado,sendosuficiente para saturar o transistor. O transistorneste caso funciona como uma chave fechada como mostra a Figura 8.20. Figura 8.20 AcorrenteIcserigualaVcc/Rc,jqueotransistorfuncionacomoumachave fechada e desta forma a tenso Vce ser zero. Observe que a corrente que circula no coletor o maior valorpossvel para este circuito. Regio ativa A regio ativa a regio intermediria entre a regio de corte e saturao. Na regio de corteacorrenteIcigualazeroeatensoVceovalormximopossvel.Nasaturaoa tenso Vce igual a zero e a corrente Ic o valor mximo possvel para o circuito. Na regio ativa,existeumvalordecorrenteIcetensoVcequenosozeroetambmnopossuio mximo valor possvel para o circuito. 117Exemplo 1)Dadoocircuito(Figura8.21).determineIceVce.Dado:Vbb=10V,Rb=330K,Vcc= 15V, Rc = 2,2K e =100. Figura 8.21 Soluo: Malha de entrada Vbb = RbIb + 0,7. 10 = 330KIb + 0,7 Ib = 0.028mA Ic = 2,8mA Malha de sada 15 = 2.2K Ic + VceVce = 8,84V Observeque,temosumvalorpositivodecorrenteIcetensoVce,quenosozero nem o mximo, logo, o transistor est operando na regio ativa.Otransistoroperandonaregioativasertilnaconstruodecircuitospara amplificar um sinal, ou seja, na construo de amplificadores. Clculo da reta de carga cc ParaocircuitodaFigura8.22,oclculodaretadecargaccdeveserprocessadoda seguinte forma: 118 Figura 8.22 Para determinar a reta de carga, deve-se calcular dois pontos. Iremos calcular na regio de corte e na regio de saturao. Na regio de corte: Ic = 0 Vce = Vcc Na regio de saturao Vce= 0 Fechando a malha temos: Vcc = Rc i c + Vce Logo: Vcc = Rc Ic Icsat = Vcc/Rcc Ex: Dado o circuito(Figura 8.23), determine a reta de carga cc. Dado: Rc= 3,3K; Rb = 270K; Vbb = 4V e Vce = 15V Figura 8.23 Soluo: Na regio de corte 119Ic = 0 Vce =15V Na regio de Saturao Icsat = 15/3,3K = 4,54mA Vce = 0 A reta de carga cc mostrado na Figura 8.24. Figura 8.24 Polarizao da base O circuito polarizao da base apresentado na Figura 8.25. Figura 8.25 Circuito polarizao da base NocircuitodaFigura8.25,conhecidocomopolarizaodabaseocircuitomais utilizadoquandodesejacolocarotransistorparaquefuncionecomochave,ouseja,o 120transistor esteja funcionando na regio de saturao ou na regio de corte. Geralmente, a fonte de alimentao da base a mesma que alimenta o coletor, isto , Vbb = Vcc. O circuito ento, desenhado como mostra a Figura 8.26. Figura 8.26 Circuito polarizao da base Estetipodepolarizao,porm,noutilizadoquandosedesejautilizarotransistor para que opere na regio ativa. Coloca-se o transistor na regio ativa quando deseja construir umcircuitoparaamplificarumsinalcaAoutilizarocircuitoacima,colocandootransistor para operar no meio da reta de carga cc, com o aumento da temperatura o ponto quiescente alterado indo para a saturao. Demonstrao Na primeira malha temos: Vcc = Rb ib + Vbe Na segunda malha: Vcc = Rc ic + Vce Para que o transistor opere na regio ativa, o ideal que ele opere no meio da reta de carga cc. Para isto deve-se colocar Vce = 0,5Vcc. Comoaumentodatemperaturaoganhode