Eletronica_basica

ELETRÔNICA ELETR ÔNICA BÁ SICA SIC A Versão 1.0 1. 0

Wagner da Silva Zanc o 2006 http://www.wagnerzanco.com.br [email protected]

Objetivo O objetivo desta apostila é servir como parte do material didático utilizado no estudo de Eletrônica Básica, curso que pode ser ministrado de forma presencial ou semipresencial. Embora o material tenha sido desenvolvido inicialmente para a disciplina de Eletrônica Básica do curso de Eletrônica em nível técnico, não há impedimento para a sua utilização em disciplinas pertencentes a cursos técnicos de áreas afins, ou até mesmo em outros segmentos da educação profissional cujo conteúdo programático seja compatível. Os assuntos são abordados em uma seqüência lógica respeitando a visão consagrada por muitos professores no que diz respeito a progressiva complexidade na abordagem do tema, com exemplos e exercícios propostos que ajudarão o aluno na retenção do item estudado e no desenvolvimento do raciocínio exigido para a aprendizagem da Eletrônica.

Í n d i c e A n a l ít i c o CAPÍTULO 1: DIODO 

_______________

1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA

1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA)

CAPÍTULO 2: CURVA CARACTERÍSTICA

DO DIODO

1 1 1

3

2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA 2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA 2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO 2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)

3 3

CAPÍTULO 3: ESTURUTURA INTERNA DO DIODO

5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7

3.1 O ELÉTRON 3.2 ÁTOMO 3.3 CARGA ELÉTRICA 3.4 ELÉTRONS LIVRES 3.5 SEMICONDUTORES 3.6 LIGAÇÃO COVALENTE 3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR 3.8 CRISTAL PURO 3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS 3.10 JUNÇÃO PN 3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E BARREIRA DE POTENCIAL 3.12 DIODO DE JUNÇÃO 3.13 POLARIZAÇÃO DIRETA 3.14 POLARIZAÇÃO REVERSA 3.15 CORRENTE REVERSA 3.16 TENSÃO DE RUPTURA

4 4

7 7 8 8 8

CAPÍTULO 4: TRANSFORMADOR

9 9

CAPÍTULO 5: FONTES DE TENSÃO

11 11 11 11 11 11 11

CAPÍTULO 6: FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)

13 13 13 13 14 14 14 15

CAPÍTULO 7: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

17 17 17 18 18 18 18 18 19 20

4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR

5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA 5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA 5.3 CICLO 5.4 PERÍODO (T) 5.5 FREQUÊNCIA ( ƒ ) 5.6 VALORES DA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL

6.1 TRANSFORMADOR 6.2 RETIFICADOR 6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc) 6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc) 6.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi)

7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL 7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 7.3 SEMICICLO POSITIVO 7.4 SEMICICLO NEGATIVO 7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA 7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA 7.8 CORRENTEMÉDIA 7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA

______ 

CAPÍTULO 8: RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

21 21 21 21 21 21 22 22 22

CAPÍTULO 9: FILTRO CAPACITIVO

24 24 24 24 24 25 25 25 25 27 27 27

CAPÍTULO 10: ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO 10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA DE POTÊNCIA 10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER 10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR 10.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA 10.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA 10.6 DISSIPADOR DE CALOR 10.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL 10.8 FUSÍVEL 10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) 10.10 TENSÃO E CORRENTE NO LED

29 29 30 30 33 33 33 33 33 34 34

BIBLIOGRAFIA

35

8.1 SEMICICLO POSITIVO 8.2 SEMICICLO NEGATIVO 8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA 8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA 8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA 8.6 CORRENTEMÉDIA 8.7 TENSÃO DE PICO INVERSA 8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS

9.1 CAPACITOR 9.2 SÍMBOLOS 9.3 TIPOS DE CAPACITORES 9.4 CARGA E DESCARGA 9.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA 9.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE 9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO 9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR 9.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc) 9.10 CORRENTE MÉDIA 9.11 TENSÃO DE PICO INVERSA

ELETRÔNICA

Ca ít ul o 1

DIODO Dispositivo eletrônico fabricado a partir de materiais semicondutores como Silício e Germânio. O diodo é um dispositivo de grande importância

TENSÃO NO DIODO Como o diodo se comporta como uma chave aberta, não tem corrente circulando no circuito. Sendo assim: dentro da eletrônica, e sua principal característica é a de conduzir a corrente elétrica em um só sentido. Quando aplicamos uma tensão no diodo, dizemos que estamos polarizando o mesmo. Existem dois tipos de polarização: -

POLARIZAÇÃO DIRETA

-

POLARIZAÇÃO REVERSA

Se, VR = R.I e, I = ∅A Então, VR = ∅v

1.1 POLARIZAÇÃO DIRETA

Com isso,

Um diodo está polarizado diretamente quando o terminal positivo da fonte está mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo. Quando o diodo está polarizado diretamente ele se comporta como se fosse uma chave fechada(diodo ideal), permitindo a circulação da corrente, como mostra a figura a seguir.

VT = VR + VD VT = ∅ + VD VT = VD Isto significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais do diodo. Não esqueça disso, pois esta idéia será vista bastante mais frente. A figura a seguir ilustra a idéia.

Como o diodo se comporta como uma chave fechada, é necessária a presença de um resistor em série com ele para limitar a corrente, caso contrário à fonte entra em curto.

TENSÃO NO DIODO Sendoo circuito série, VT = VD + VR Como o diodo se comporta como um curto,

EXEMPLOS A) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente elétrica?

VD = ∅V Então, VT = VR Isto significa que toda a tensão da fonte aparece no resistor em série com o diodo.

1.2 POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA) Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte estiver mais perto do catodo e terminal negativo do anodo. Desta forma, o diodo se comporta como uma chave aberta bloqueando a passagem da corrente elétrica, como mostra a figura a seguir.

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A primeira coisa a observar é se o diodo está polarizado diretamente ou inversamente. Como neste exemplo o terminal da fonte está mais próximo do anodo, o diodo está polarizado diretamente, podendo ser  substituído por uma chave fechada. Como a tensão em cima do diodo é ∅V, toda a tensão da fonte aparece em cima do resistor.

Capítulo 1: Diodo

1

3) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c corrente emcada bra o?

B) Dado o circuito abaixo, calcule: VR=? VD=? I=?

4) Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas? a)

Estando o terminal positivo da fonte mais próximo do catodo, o diodo encontra-se polarizado reversamente, podendo ser substituído por  uma chave aberta. Não haverá corrente circulando no circuito(I = ∅A), o que significa que a tensão em R também é ∅V. Com isso, toda a tensão da fonte aparece em cima do diodo V D = 12V.

EXERCÍCIOS 1) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c) corrente em cada braço?

b)

2) Dado o circuito abaixo, calcule? a) tensão em cada diodo? b) tensão em cada resistor? c corrente em cada bra o?

2

Capítulo 1: Diodo

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ELETRÔNICA GRÁFICO DO DIODO

Ca ít ul o 2  

CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO Na análise inicial nós consideramos o diodo polarizado diretamente como uma chave fechada(diodo ideal). Na prática, o diodo só começa a conduzir quando a tensão em seus terminais ultrapassa a tensão de condução(limiar), que é 0,7V para diodos de Silício e 0,3V para diodos de Germânio. Como hoje praticamente todos os diodos fabricados são de Silício, daremos ênfase a eles a menos que seja dito o contrário. A seguir  vemos o gráfico da tensão versus corrente do diodo de Silício.

Depois que o diodo começou a conduzir a tensão em seus terminais se mantém em 0,7V, sendo que todo o excedente de tensão da fonte aparecerá no resistor. Por exemplo:

2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA 2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA Quando o diodo é polarizado diretamente, podemos observar que a corrente permanece em zero até que a tensão nos terminais do diodo ultrapasse a tensão de limiar (0,7V). Isto significa que, mesmo estando polarizado diretamente, o diodo só conduz quando a tensão em seus terminais atinge o valor de limiar. A corrente no diodo aumenta bruscamente após a tensão em seus terminais ter ultrapassado o valor de limiar. O mesmo, porém, não acontece com a tensão nos terminais do diodo, que aumenta modestamente para grandes aumentos na corrente direta. Para efeito de cálculo nós consideramos que em condução o diodo tem em seus terminais uma tensão de 0,7V, mas lembre-se que na prática a tensão no diodo aumenta quando a corrente direta aumenta. Um fabricante do diodo 1N5408 informa em seu datasheet que o mesmo pode ter uma tensão de 1.2V quando a corrente direta no diodo for de 3A. Para que a corrente no diodo não ultrapasse o valor nominal, é necessário que seja ligado um resistor em série com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente, cuja finalidade é limitar a corrente no componente para que ele não seja destruído por excesso de dissipação de calor. O resistor em série com o diodo polarizado diretamente é necessário porque, em condução, o diodo praticamente não oferece oposição a passagem da corrente elétrica, ou seja, sua resistência interna é muito baixa. Por este motivo que normalmente nós consideramos o diodo como um curto quando ele está polarizado diretamente. Vemos a seguir um circuito com um diodo polarizado diretamente por  meio de uma fonte variável. Para tensões da fonte entre 0V e 0,7V, o diodo continua se comportando como uma chave aberta, mesmo estando polarizado diretamente. Vimos no gráfico do diodo que para esta faixa de tensão no diodo, a corrente é zero. Quando a tensão da fonte ultrapassa 0,7V, o diodo começa a conduzir, permitindo a passagem dos elétrons. Vemos no gráfico do diodo também que quando a tensão no diodo atinge 0,7V a corrente tem um aumento brusco. O resistor em série com o diodo tem a função de não permitir que esta corrente aumente a ponto de danificar o diodo. O diodo 1N4001, por exemplo, suporta uma corrente máxima de 1A estando polarizado diretamente. Uma vez em condução, grandes aumentos na corrente provoca pequena variação na tensão no diodo. Para efeito de cálculo esta pequena variação de tensão no diodo não é considerada. Quando se leva em consideração a tensão de condução do diodo, dizemos que ele está se comportando como um diodo real.

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Quando o diodo é polarizado reversamente ele se comporta como uma chave aberta até que a tensão em seus terminais ultrapasse o valor de ruptura, quando então o diodo conduz intensamente e se destrói por  excesso de dissipação de calor. O diodo 1N4001, por exemplo, possui uma tensão de ruptura de 50V. Se você for usar este diodo polarizado reversamente em um circuito certifique-se de que a tensão em seus terminais nunca irá ultrapassar 50V. Vemos a seguir um diodo polarizado reversamente em série com um resistor. Como o diodo se comporta como uma chave aberta não tem corrente circulando no circuito e, conseqüentemente, não tem tensão no resistor R. Isso significa que toda a tensão da fonte aparece nos terminais do diodo. Desde que esta tensão reversa no diodo não ultrapasse o valor de ruptura o diodo irá se comportar como uma chave aberta. VT = VD + VR Como, I = 0 e VR = 0 Então, VT = VD

Na verdade, o diodo não se comportará exatamente como uma chave aberta estando polarizado reversamente, pois uma pequena corrente reversa circulará por ele mesmo estando reversamente polarizado. Como será visto mais adiante, esta corrente reversa possui duas componentes que são: corrente de fuga superficial e corrente dos portadores minoritários . Estas componentes da corrente reversa serão devidamente explicadas quando formos estudar a estrutura atômica do diodo. Por ora, saiba que a corrente de fuga superficial depende da tensão reversa nos terminais do diodo e que a corrente dos portadores minoritários depende da temperatura.

Capítulo 2: Curva Característica do Diodo

3

C) Veja a seguir as especificações de alguns diodos encontrados com certa facilidade no mercado.

Diodo

Tensão de Ruptura

ID (máxima corrente direta)

1N914

75V

200mA

1N4001

50V

1A

1N1185

120V

35A

1N4007

1000V

1A D)

2.3 TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qual ele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar  a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de 0,7V. Até diodos do mesmo tipo podem começar a conduzir em pontos diferentes de tensão. Felizmente para efeito de cálculo, nós não  precisamos nos preocupar com isso, mas mantenha este fato em mente sempre que for fazer alguma montagem com diodos. A folha de dados do 1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver  sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminais pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de 25ºC.

2.4 RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI) Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução como uma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência interna pode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por  ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quase sempre é desprezada. No exemplo acima nós podemos calcular a resistência interna do diodo, como mostrado a seguir.

E)

RI = 0,7 ÷ 2,3mA = 304,34Ω

EXERCÍCIOS 1) Dado os circuitos a seguir, calcule: OBS: Diodo real a) Corrente em cada braço? b) Tensão em cada resistor? c) Tensão no diodo? A)

F)

B)

4

Capítulo 2: Curva Característica do Diodo

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ELETRÔNICA

GRÁFICO DO DIODO

Ca ít ul o 3  

ESTURUTURA INTERNA DO DIODO 3.1 O ELÉTRON A eletrônica é a ciência que se dedica ao comportamento dos elétrons, afim de que eles sejam aproveitados em funções úteis. A própria palavra eletrônica deriva do termo elétrons, de origem grega, e designa uma das partículas básicas da matéria. A eletricidade de que estamos acostumados a nos servir chega até as nossas casas pelo movimento de elétrons através dos fios. O movimento de elétrons que citamos é chamado de corrente elétrica. 3.2 ÁTOMO Nós sabemos que a matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. Toda matéria é constituída de átomos. O átomo se divide em duas partes: Núcleo, onde se encontram os prótons e os nêutrons e Eletrosfera, onde se encontram os elétrons.

Quando aplicamos em certos materiais energia externa como luz, calor, pressão, os elétrons absorvem esta energia, e se esta for maior que a força exercida pelo núcleo, o elétron poderá se desprender do átomo tornando-se um elétron livre. A corrente elétrica é nada mais que o movimento de elétrons livres. Os elétrons livres se encontram em grande quantidade nos materiais chamados bons condutores, e não existem ou praticamente não existem, nos chamados maus condutores ou isolantes. Como exemplo de bons condutores podemos citar as ligas metálicas, ouro, prata, cobre, ferro, alumínio etc. Alguns exemplos de isolantes são: vidro, porcelana, mica, borracha, madeira etc. 3.5 SEMICONDUTORES

Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partículas diferentes no átomo, tais como mésons, neutrinos, quaks, léptons, bósons etc. 3.3 CARGA ELÉTRICA Eletricamente falando, um átomo pode se encontrar em três situações diferentes: Neutro ⇒ quando a quantidade de prótons é igual a de elétrons. Este é o estado normal de qualquer átomo. Neste caso dizemos que ele está em equilíbrio. Carregado po sitivamente ⇒ quando a quantidade de prótons é maior que a de elétrons. Carregado negativamente ⇒ Quando a quantidade de prótons é menor  que a de elétrons. A menor quantidade de carga elétrica que um átomo pode adquirir é a carga de um próton ou a de um elétron.

Os semicondutores são substâncias cujos átomos possuem quatro elétrons na camada de valência(última camada). Os semicondutores não são bons nem maus condutores de eletricidade. Na verdade, a condutividade de um semicondutor depende da temperatura a qual ele está submetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolante perfeito a temperatura de -273ºC. A medida que a temperatura vai aumentando sua condutividade também aumenta. O Silício e o Germânio são os semicondutores usados na construção de dispositivos eletrônicos como diodos, transistores, circuitos integrados etc. O Germânio praticamente não é mais usado na construção de dispositivos semicondutores devido a sensibilidade à temperatura. Por isso, quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do Silício. O átomo de Silício possui quatorze elétrons, quatorze prótons e quatorzenêutrons. 3.6 LIGAÇÃO COVALENTE Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons na camada de valência. Contudo, para formar o sólido o átomo precisa de oito elétrons na camada de valência, ou seja, estar quimicamente estável. Para obter os oito elétrons na camada de valência os átomos se associam numa ligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente os átomos compartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemos na figura a seguir.

Elétron ⇒ carga elétrica negativa(--) fundamental da eletricidade. Próton ⇒ carga elétrica positiva(+) fundamental da eletricidade Nêutron ⇒ não possui carga elétrica. A carga elétrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909 pelo físico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI em Coulomb, o valor numérico da carga elétrica fundamental de um elétron, sendo a do próton igual em módulo, mudando apenas o sinal, que é positiva é: e- = 1,6 x 10-19 C

3.4 ELÉTRONS LIVRES O que mantém os elétrons ligados aos seus respectivos átomos é o seu movimento em torno do núcleo, associado a força de atração mutua existente entre eles e os prótons. Quanto mais afastado do núcleo estiver  este elétron, menor será esta força de atração mutua.

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Na ligação covalente cada átomo compartilha um elétron com o átomo vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétrons emprestados, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência, adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétrons compartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central. Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatro elétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, eletricamente neutro. Os átomos de Silício se distribuem no sólido formando uma estrutura cúbica, onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica é normalmente chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólido de Silício é um cristal de Silício. A figura a seguir ilustra a idéia.

Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo

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cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra. A corrente de elétrons de valência pode ser vista como uma corrente de lacunas em sentido contrário, como mostra afigura a seguir. Cristal de silício puro

3.7 ELÉTRON LIVRE NO SEMICONDUTOR Já vimos que o que mantém os elétrons presos aos seus respectivos átomos é a força de atração exercida pelo núcleo, associada ao movimento circular do elétron em torno do núcleo. Sabe-se que associado a todo movimento circular atua a força centrífuga, que puxa o corpo para fora do centro do movimento. No caso dos elétrons, ocorre que a força centrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo, enquanto os prótons os puxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém os elétrons ligados aos átomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que a força de atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que a força que atua nos elétrons das primeiras camadas. Se um elétron da camada de valência receber energia externa como luz calor etc., e esta for maior que a força de atração exercida pelo núcleo, o elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência, chamada de banda de condução. Uma vez na banda de condução o elétron está livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron livre. Ao ir para a banda de condução, o elétron deixa um vazio que nós chamamos de lacuna.

3.9 CORRENTE DE ELÉTRONS LIVRES E DE LACUNAS A figura a seguir mostra o cristal ampliado até a estrutura atômica submetido a uma DDP. O elétron livre mostrado dentro do cristal será atraído pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de condução, como indica a seta. Esta corrente de elétrons livres é  de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais  condutores . Observe agora a lacuna mostrada na figura. O elétron do

ponto 1 pode ser atraído pela lacuna. Se isso ocorrer, a lacuna na extremidade deixará de existir e, onde estava o elétron no ponto 1 terá uma lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, onde passará a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocínio, como mostram as setas, veremos que os elétrons estão se deslocando em direção ao terminal positivo e a lacuna em direção ao terminal negativo. Ao saírem pela extremidade do cristal, tanto o elétron livre quanto o elétron de valência tornam-se elétrons livres, seguem em direção ao terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo e entram na extremidade oposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como elétrons livres, outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de valência. O  movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto  como o movimento de lacunas em sentido contrário .

Cristal de silício puro

Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Esta quebra produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livre vagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atraído por ela. Neste caso houve uma recombinação. Sendo a corrente elétrica o movimento de elétrons livres, o silício é um isolante perfeito a uma temperatura de -273ºC, porque a esta temperatura não existe nenhum elétron livre. A medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligações covalentes, assim como recombinações. À temperatura ambiente de 25ºC um cristal de silício puro possui uma quantidade de pares elétron-lacuna mais ou menos estável devido as constantes quebras de ligações covalentes produzidas termicamente, assim como recombinações. 3.8 CRISTAL PURO Vemos na figura a seguir um cristal de silício puro. À temperatura ambiente existe um número mais ou menos estável de elétrons livres e de lacunas produzidos termicamente, como já vimos anteriormente.

Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o que diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor só existe corrente de elétrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores é apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade são os elétrons de valência, tenha isso sempre em mente. Na prática, não temos como medir a corrente de elétrons livres e de lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos semicondutores na construção de dispositivos eletrônicos se deu, em grande parte, por esta característica. Uma forma de aumentar a condutividade do cristal puro é introduzir  no cristal impurezas pentavalentes, que são átomos com cinco elétrons na última camada, produzindo um cristal tipo N. Para cada átomo de impureza pentavalente introduzido no cristal aparecerá um elétron livre. A figura a seguir mostra um cristal tipo N.

Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamos observar algo interessante. Existem dois trajetos para os elétrons se movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas: uma de elétrons livres e a outra de elétrons de valência. Os elétrons livres irão se deslocar de um lado para outro do cristal através da banda de condução, os elétrons de valência se deslocarão de um lado para outro do 6

Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo

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Semicondutor tipo N

de potencial. Esta DDP nos diodos de Germânio é de 0,3V e nos de silício é de 0,7V. 3.12 DIODO DE JUNÇÃO

Uma outra forma de aumentar a condutividade de um cristal puro é a dopagem com impurezas trivalentes, que são átomos com três elétrons na última camada, produzindo um cristal tipo P. Para cada átomo de impureza trivalente introduzido no cristal aparecerá uma lacuna. A figura a seguir  mostra um cristal tipo P.

Na figura a seguir vemos a estrutura interna de um diodo de junção. O terminal ligado ao lado P é o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N é o catodo(k). A faixa cinza próxima a junção é a camada de depleção, que irá se comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferença de potencial.

Semicondutor tipo P

3.13 POLARIZAÇÃO DIRETA 3.10 JUNÇÃO PN Se nós doparmos a metade de um cristal puro com impurezas trivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes produziremos um diodo de junção, ou diodo semicondutor. o lado do cristal dopado com impurezas trivalentes terá muitas lacunas e o lado dopado com impurezas pentavalentes terá muitos elétrons livres. Os poucos elétrons livres vistos no lado P, assim como as poucas lacunas vistas no lado N, são produzidos termicamente.

Ocorre que os elétrons mais próximos da junção são atraídos pelas lacunas que estão mais próximas, conforme mostram as setas na figura acima. Quando o elétron deixa o átomo para se recombinar com a lacuna, este átomo se transforma em um íon positivo, pois ele perdeu um elétron. Da mesma forma, o átomo ao qual pertencia a lacuna, se transforma em um íon negativo. Esta recombinação irá ocorrer com todos os elétrons e lacunas que estiverem próximos da junção. Cada recombinação fará aparecer um par de íons próximos da junção. Isto resultará em uma coluna de íons positivos do lado N e um a coluna de íons negativos do lado P. A figura a seguir ilustra a idéia.

Chegará um momento que a região próxima à junção ficará esgotada de elétrons livres e lacunas. A coluna de íons negativos do lado P irá repelir  qualquer elétron que tentar atravessar a junção em busca de alguma lacuna, estabelecendo-se assim um equilíbrio.

Para polarizar um diodo diretamente temos de submete-lo a uma diferença de potencial, de forma que o terminal positivo da fonte fique mais próximo do anodo e o terminal negativo mais próximo do catodo, como mostra a figura a seguir. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá repelir as lacunas do lado P, e o terminal negativo irá repelir os elétrons livres do lado N. Esta repulsão provocará a compressão da camada de depleção. Quando a tensão entre os terminais do diodo atingir o valor da barreira de potencial (0,7V para o silício), ou seja, VT > 0,7V, a camada de depleção estará tão comprimida que permitirá que os elétrons livres da região N atravessem a junção e entrem na região P. Uma vez dentro da região P os elétrons livres descem da banda de condução para a camada de valência e atravessam a região P como elétrons de valência, pulando de lacuna em lacuna até saírem pelo terminal do anodo, quando seguem para o terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo, entram na região N do diodo pelo terminal do catodo, atravessam a região N como elétrons livres, cruzam a junção e assim sucessivamente. O que nós acabamos de descrever é na verdade um fluxo de elétron, ou uma corrente elétrica. Resumindo, quando o diodo é polarizado diretamente e a tensão em seus terminais atinge o valor da barreira de potencial o diodo começa a conduzir corrente, ou seja, permite que os elétrons cruzem a junção.

Uma vez em condução, a resistência entre os terminais do diodo cai drasticamente. Isto significa que o diodo se comporta quase como um curto, o que justifica o fato de que sempre veremos um resistor em série com o diodo quando ele estiver polarizado diretamente. Sua função é limitar a intensidade de corrente elétrica que passa pelo diodo.

Não confunda íon com elétron livre ou lacuna. um íon é um  átomo que adquiriu carga elétrica, ou seja, ganhou ou perdeu elétrons. Na figura acima o íon negativo está representado por um sinal  negativo com um círculo em volta, e o íon positivo por um sinal  positivo com um círculo em volta .

3.11 CAMADA DE DEPLEÇÃO E B ARREIRA DE POTENCIAL As colunas de íons que se formaram próximas à junção devido a recombinação de elétrons e lacunas é chamada de camada de depleção. Existe entre as duas colunas de íons uma DDP que é chamada de barreira

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Capítulo 3: Estrutura Interna do Diodo

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3.14 POLARIZAÇÃO REVERSA Um diodo está polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte está mais próximo do catodo e o terminal negativo mais próximo do anodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte irá atrair os elétrons livres da região N e o terminal negativo irá atrair as lacunas da região P. Isto provocará a expansão da camada de depleção, dificultando ainda mais a difusão de elétrons livres através da junção, ou seja, o diodo se comportará como uma chave aberta.

mais o número de elétrons livres e, conseqüentemente, de choques. o processo continua até ocorrer uma avalanche de elétrons (alta corrente elétrica), que causará a destruição do diodo. EXERCÍCIOS: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

O que é uma ligação covalente? Qual a carga elétrica de um elétron? O que é necessário para que um eletrôn se trone livre? O que caracteriza um material semicondutor? Porque o Silício normalmente é chamado de cristal? O diferencia um material condutor de um semicondutor do ponto de vista da condutividade? 7) O que é dopagem? Qual a sua finalidade? 8) Explique como é obtido um diodo de junção. 9) Defina camada de depleção e barreira de poten cial. 10) O que ocorre com a camada de depleção quando um diodo é polarizado diretamente ou reversamente?

Quando polarizado reversamente, a resistência entre os terminais do diodo é muito alta. Por isso costuma-se dizer que ele se comporta como uma chave aberta quando está polarizado reversamente.

3.15 CORRENTE REVERSA Teoricamente, um diodo polarizado reversamente se comporta como uma chave aberta, mas na prática circulará pelo diodo uma pequena corrente reversa devido aos portadores minoritários produzidos termicamente. A intensidade desta corrente reversa depende da temperatura e não da tensão aplicada. O datasheet de um diodo 1N4001 informa que a sua corrente reversa, a uma temperatura de 25ºC é tipicamente de 50pA, e a 100ºC é de 1.0µA. Veja como a corrente reversa aumenta com o aumento de temperatura. Esta corrente reversa é muita das vezes inconveniente e pode prejudicar o bom funcionamento do circuito. Isso responde porque certos equipamentos eletrônicos precisam de salas climatizadas, equipadas com ar condicionado para funcionar. Um dos motivos do uso em grande escala do Silício na  confecção de componentes eletrôni cos é que a corrente reversa nos  componentes fabricados com Silício é menor do que nos fabricados  com Germânio, ou seja, o Silício e menos sensível à temperatura .

Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa, que é a corrente de fuga superficial. Devido a impurezas (por exemplo poeiras) localizadas na superfície do cristal, um trajeto ôhmico pode ser  criado viabilizando a circulação desta corrente reversa pela superfície do cristal. Esta componente depende da tensão reversa aplicada ao diodo. Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos portadores minoritários, que depende da temperatura e a corrente de fuga superficial, que depende da tensão reversa aplicada aos terminais do diodo. Não se preocupe, por hora, com a corrente reversa, normalmente ela é tão pequena que na maioria dos casos é desprezada. 3.16 TENSÃO DE RUPTURA Temos de ter cuidado quando vamos polarizar um diodo reversamente, pois existe um valor de tensão máxima que cada diodo suporta estando polarizado desta forma, que é a tensão de ruptura. Se a tensão reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura o mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipação de calor. Por exemplo, um 1N4001 suporta no máximo 50V quando polarizado reversamente. O motivo desta condução destrutiva na ruptura é um efeito conhecido como avalanche. quando o diodo está polarizado reversamente circula por  ele uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritários. Um aumento na tensão reversa pode acelerar estes portadores minoritários podendo causar o choque destes com os átomos do cristal. Estes choques podem desalojar elétrons de valência enviando-os para a banda de condução, somando-se aos portadores minoritários, aumentando ainda 8

Capítulo 3: Estrutura Interna Do Diodo

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TRANSFORMADOR

constante no núcleo. Isso significa que não haverá movimento relativo entre o campo magnético e o condutor, não havendo tensão induzida. 4.1 SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR

O transformador é formado por um núcleo de ferro, onde são enrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios de cobre. Sua principal função é aumentar ou abaixar uma tensão aplicada em seu enrolamento primário.

Vpri = Tensão no enrolamento primário (eficaz ou de pico). Vsec = Tensão no enrolamento secundário (eficaz ou de pico). N1 = Número de espiras no primário. N2 = Número de espiras no secundário.

O princípio de funcionamento do transformador é baseado num fenômeno conhecido como indução eletromagnética. Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece em seus extremos uma DDP, que é chamada de tensão induzida. O mesmo irá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magnético. É necessário, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magnético e o condutor para que apareça nos extremos dele uma tensão induzida. Sabe-se que quando a corrente elétrica passa por um condutor se estabelece em torno do condutor um campo magnético, cuja intensidade depende da quantidade de elétrons que estejam passando por segundo no condutor (intensidade de corrente elétrica). A figura a seguir mostra um condutor percorrido por uma corrente elétrica e o campo magnético em torno do condutor, representado pelas linhas de forças.

A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador  de tensão é a relação existente entre o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário. Se o número de espiras do enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamento primário, o transformador será elevador de tensão; se for menor será abaixador de tensão. A fórmula a seguir nos permite calcular a tensão no enrolamento secundário, sendo conhecida a tensão no primário e a relação de espiras.

Ex.: Qual a tensão no enrolamento secundário do transformador a seguir?

Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a intensidade do campo magnético também varia. Como o condutor está submetido ao campo, aparecerá em seus terminais uma tensão induzida. Este é o princípio de funcionamento do transformador: Uma tensão  alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular por  ele uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo  enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável, que se estabelecerá no núcl eo do transfor mador. Como o enrolamento  secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida  aparecerá em seus extremos devido ao campo magnético variável ao  qual está submetido . Observe que não existe contato elétrico entre os

enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos é apenas magnética.

Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, não aparecerá tensão alguma no secundário do transformador. Isso acontece porque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante no enrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético

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Observe que N1=10 e N2=1. Isto não significa que o enrolamento primário possui dez espiras e o secundário uma espira. Para cada dez espiras no primário, existe uma no secundário, ou seja, se o enrolamento primário tiver mil espiras, o secundário terá cem espiras. Como foi usado o valor eficaz de tensão no primário, a tensão calculada no secundário será eficaz. Se tivesse sido usado o valor de pico de tensão no primário, o valor  calculado no secundário seria de pico, não esqueça disto. Uma outra observação importante sobre o transformador é que o mesmo não altera a forma da onda nem a freqüência da tensão aplicada no enrolamento primário. O transformador altera apenas o nível de tensão, elevando ou abaixando a tensão aplicada no enrolamento primário. No exemplo acima a tensão aplicada no primário é senoidal, tendo a mesma forma de onda e freqüência que a tensão no secundário. EXERCÍCIOS

Capítulo 4: Transformador 

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1) Qual a tensão eficaz que aparecerá no enrolamento secundário de um transformador que possui uma relação de espiras de 20:4 e uma tensão de 250Vef em seu enrolamento primário? 2) Qual a tensão de pico no secundário do trafo a seguir?

3) Se a tensão medida no secundário de um transformador é 30Vef e a sua relação de espiras é 15:3, Qual a tensão aplicada no seu enrolamento primário? 4) Se um transformador tem 2000 espiras no seu enrolamento primário e a sua relação de espiras é 5:2, quantas espiras possui seu enrolamento secundário? 5) O que define se o transformador é elevador ou abaixador de tensão?

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Capítulo 4: Transformador

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FONTES DE TENSÃO 5.1 FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA

A polaridade da tensão nos terminais de fonte de tensão contínua não se altera nunca, o terminal positivo é sempre positivo e o negativo é sempre negativo. A fonte de tensão contínua mantém constante a DDP entre os seus terminais. Como exemplos de fontes de tensão contínua podemos citar  a pilha de controle remoto, bateria de automóvel, bateria de celular etc. Vemos a seguir o gráfico da tensão versus tempo de uma fonte de tensão contínua. Observe que a tensão se mantém constante ao longo do tempo.

começa, então, a diminuir até chegar a zero, a partir do qual começa um novo ciclo. 5.4 PERÍODO (T) É o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade é o segundo.

5.5 FREQUÊNCIA ( É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. É o inverso do período, e sua unidade é o Hertz (Hz).

A tensão na tomada de luz de nossa casa tem uma freqüência de 60Hz, ou seja, são gerados sessenta ciclos de tensão a cada segundo. 5.6 VALORES DA TENSÃO AL TERNADA SENOIDAL Existem várias formas de se representar numericamente uma tensão alternada senoidal. Estes são: 5.2 FONTE DE TENSÃO ALTERNADA

- Valor de pico - Valor de pico a pico - Valor eficaz Valor de pico (VP) É o valor máximo atingido pela senoide A tensão atinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo. →

Valor de pico a pico (VPP) É o dobro do valor de pico. É a faixa de tensão entre o pico positivo e o pico negativo. →

A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora um terminal é positivo, ora negativo. A DDP entre os terminais da fonte de tensão alternada varia a todo instante. Uma tensão alternada pode ter  várias formas, a que nos interessa no momento é a tensão alternada senoidal. Veja a seguir como a tensão alternada senoidal varia com o tempo.

VPP = 2 . VP Valor eficaz (Vef) É o valor que a tensão alternada deveria ter se fosse contínua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamos uma fonte de tensão alternada aos terminais de um resistor durante um minuto, levando o mesmo se aquecer a 100ºC. O valor de tensão contínua aplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que o mesmo se aqueça com a mesma temperatura, é o valor eficaz desta tensão alternada. →

EXEMPLOS O termo senoidal deriva do fato do gráfico da tensão alternada senoidal ser idêntico ao gráfico da função seno. As tomadas de luz, onde nós ligamos a televisão, geladeira e eletrodomésticos em nossa casa, são exemplos de fontes de tensão alternada senoidal.

A) Qual o período de uma tensão alternada senoidal com uma freqüência de 60Hz?

5.3 CICLO Ciclo de uma tensão alternada senoidal é a seqüência de valores onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo é composto por dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a tensão sai de zero, sobe até o valor máximo (VP), onde a partir do qual começa a diminuir até chegar novamente a zero. Quando a tensão entra no semiciclo negativo (começa aumentar negativamente), ocorre uma mudança de polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora é negativo. A tensão aumenta até chegar ao máximo negativo (-VP), quando

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B) Quais os valores de pico a pico e eficaz de uma tensão alternada senoidal que tem um valor de pico de 180V?

Capítulo 5: Fontes de Tensão

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EXERCÍCIOS 1) Se uma tensão alternada tem um valor eficaz de 150V, quais os seus valores de pico e de pico a pico? 2) Dado o circuito abaixo, calcule: a) Vef no resistor? b) Vpp no resistor? c) Corrente eficaz?

3) tendo uma tensão alternada senoidal um valor de pico a pico de 250V, calcule: a)Vef? b)Vp? 4) Qual a freqüência da tensão alternada abaixo?

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Capítulo 5: Fontes de Tensão

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FONTE DE ALIMENTAÇÃO (Conversor CA-CC)  A maioria dos equipamentos eletrônicos são alimentados com tensão contínua, normalmente de 3V a 30V. Ocorre que a tensão disponível nas tomadas de luz de nossas casas são 110V ou 220V alternada, dependendo da localidade. Para transformar a tensão alternada disponível na tomada de luz em tensão contínua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte de alimentação. Veja a seguir o diagrama em blocos de um conversor CA-CC. Observe que, com esta polaridade da fonte de tensão, o diodo fica polarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte está mais próximo do anodo. Neste caso o diodo se comportando como uma chave fechada (diodo ideal). Com o diodo em condução, os terminais da fonte ficam ligados diretamente aos terminais do resistor de carga (RL). Isto significa que a tensão nos terminais do resistor será a mesma da fonte, isto é, o semiciclo positivo da tensão da fonte aparecerá nos terminais do resistor de carga, como mostra a figura a seguir. 1 - Transformador : Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nas tomadas de luz (110V/220V) para níveis compatíveis com os equipamentos eletrônicos. 2 - Retificador : Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC) pulsante. 3 - Filtro: Converte a tensão CC pulsante vinda do retificador em contínua CC com ondulação. 4 - Estabilizador : Tem a função de transformar a tensão CC com ondulação em Tensão CC pura, que é a tensão utilizada pelos equipamentos eletrônicos.

6.1 TRANSFORMADOR

Quando o semiciclo positivo termina, a tensão da fonte entra no semiciclo negativo. Isto provoca uma inversão na polaridade da fonte, isto é, o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo, como mostra a figura a seguir.

Na maior parte das fontes de alimentação, o transformador abaixa o nível da tensão de entrada para valores eficazes na faixa de 5Vef a 30Vef. Pode ser que você veja transformadores em fontes com tensão no secundário diferente da faixa citada aqui, só o tempo vai dizer.

6.2 RETIFICADOR Como já foi dito, o retificador converte tensão alternada em tensão contínua pulsante. Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ou em ponte. O dispositivo utilizado nos retificadores é o diodo devido a sua característica de conduzir a corrente elétrica em um sentido apenas.

6.3 RETIFICADOR DE MEIA ONDA O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos da tensão de entrada é aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posição do diodo. veja a seguir um circuito retificador de meia onda.

Esta inversão na polaridade da fonte faz com que o diodo seja polarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como uma chave aberta. Como o diodo está aberto, não tem corrente circulando pelo resistor. Isto faz com que a tensão em seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O que o diodo fez na verdade foi deixar passar para o resistor de carga apenas o semiciclo positivo da tensão da fonte, bloqueando o semiciclo negativo.

Nós sabemos que a fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ou seja, um terminal ora é positivo ora é negativo. Vamos convencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonte seja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura a seguir.

Resumindo: Quando a tensão da fonte entra no semiciclo positivo o diodo conduz (chave fechada) fazendo com que todo o semiciclo positivo da tensão de entrada apareça nos terminais do resistor de carga. Durante o semiciclo negativo o diodo não conduz (chave aberta) impedindo que o semiciclo

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Capítulo 6: Fonte de Alimentação

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negativo chegue aos terminais do resistor de carga. A tensão nos terminais do resistor de carga é chamada de contínua pulsante. Contínua porque mantém sempre a mesma polaridade, e pulsante porque só aparece no resistor de carga os semiciclos positivos da tensão da fonte. Vemos a seguir  os gráficos das tensões da fonte, resistor e diodo respectivamente. Observe que o semiciclo positivo da tensão de entrada aparece no resistor de carga e o semiciclo negativo da tensão aparece em cima do diodo.

6.6 CORRENTE MÉDIA (Icc) Se for ligado um amperímetro CC em série com o resistor de carga, ele vai medir a corrente média na carga. Icc pode ser calculada dividindo a tensão média no resistor de carga pela sua resistência. Como o diodo está em série com o resistor de carga, a corrente que passa pelo resistor de carga passa também pelo diodo. Caso este circuito seja montado na prática, Icc servirá como referência para especificação do diodo, ou seja, a corrente que o diodo suporta deverá ser maior que Icc. Normalmente Icc aparece nas folhas de dados como Io.

EXEMPLOS

6.4 TENSÃO MÉDIA (Vcc) Os gráficos acima podem ser visualizados com um osciloscópio, mas como nem sempre temos um osciloscópio à mão, temos que usar outro recurso para medir a tensão nos terminais do resistor de carga. Se um voltímetro CC for ligado nos terminais do resistor de carga , ele vai medir a tensão média, que nada mais é do que a média dos valores instantâneos de tensão em cada ciclo. A fórmula a seguir pode ser usada para medir a tensão média na carga.

Vcc = Vp / π Vcc = Tensão média Vp = Tensão de pico π

= pi

6.5 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA Como o resistor de carga é um componente ôhmico (que obedece a lei de Ohm), o gráfico da corrente será idêntico ao da tensão. Em outras palavras, isto significa que a corrente no resistor de carga está em fase com a tensão em cima dele.

14 Capítulo 6: Fonte de Alimentação

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O diodo a ser escolhido deve suportar uma corrente de no mínimo 7,71mA. Deste modo, qualquer diodo que suporte uma corrente direta maior  que 7,71mA pode ser usado, como o 1N914 suporta 200mA, ele vai funcionar perfeitamente. Esta regra dos 30% de margem de segurança é apenas uma orientação, uma vez que existem projetistas que utilizam uma margem de 50%, outros até de 100%. Uma ciosa é certa, quanto maior a margem segurança utilizada menor a probabilidade do componente apresentar  defeito. Não esqueça, porém de que margens maiores resultam em componentes mais caros. Quem trabalha com projetos sabe que em primeiro lugar temos de zelar pela eficácia do projeto, depois pelo custo. Talvez R$0,10 possa não fazer diferença na compra de um componente, mas imagine uma produção de 10.000 peças. Neste caso a diferença é de R$1.000,00. Ao longo do nosso curso nós usaremos a margem de 30%, por se mostrar uma boa opção na relação eficácia versus custo. Vamos usar a mesma margem de 30% de segurança para o dimensionamento do diodo quanto a tensão de ruptura, ou seja, uma vez calculada a tensão de pico inversa, faça com este valor (Vpi) seja 70% do valor da tensão de ruptura do diodo. No exemplo acima, a tensão de pico inversa no diodo será igual a tensão de pico no secundário do transformador  Vpi = Vp(sec) = 16,97V

6.7 TENSÃO DE PICO INVERSA (Vpi) Quando a tensão de entrada está no semiciclo negativo o diodo está bloqueado, e isso faz com que todo o semiciclo negativo da tensão de entrada apareça em cima do diodo, como mostra o exemplo acima. Quando a tensão da fonte atinge o valor de pico negativo (-Vp), o mesmo acontece com a tensão em cima do diodo. Esta tensão é chamada de tensão de pico inversa, que pode ser definida como a máxima tensão reversa no diodo em funcionamento. Nós sabemos que todo diodo suporta um valor máximo de tensão reversa, chamada de tensão de ruptura. A tensão de ruptura suportada pelo diodo tem que ser maior que a tensão de pico inversa. O diodo 1N914 pode ser usado no circuito acima, pois o mesmo tem uma tensão de ruptura de 75V, muito maior que os 20V de tensão de pico inversa que ele terá sobre ele no circuito em funcionamento.

16,97 = 70% X = 100% X = 24,24V Qualquer diodo com uma tensão de ruptura maior que 24,24V pode ser usado no circuito acima. Como o diodo 1N914 tem uma tensão de ruptura de 75V, o mesmo pode ser usado sem problemas.

EXERCÍCIOS 1) dado o circuito abaixo, calcule: - considere o diodo ideal a) Vcc = ? b) Icc = ? c) Vef (sec) = ? d) Vp(sec) = ? e) Gráficos Vr, Vd e I = ?

2) Faça o gráfico de tensão no resistor de carga? O diodo 1N914 poderia ser usado neste circuito, pois a corrente média que irá passar por ele no circuito em funcionamento é de 5,4mA, sendo que ele suporta 200mA. Uma boa regra para dimensionamento do diodo é usar uma margem de 30%, ou seja, faça com que o valor Icc em funcionamento seja 70% do valor nominal de corrente do doido. Neste caso:

3) Porque o retificador de meia onda tem este nome?

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Capítulo 6: Fonte de Alimentação

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4) Dado o circuito abaixo, calcule as especificações de corrente direta (Io) e tensão de ruptura (Vr) para o diodo? - Considere o diodo real - Use a margem de segurança de 30%

5) Se no circuito acima o diodo entrar em curto permanente, como ficará o gráfico de tensão no resistor de carga?

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RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 7.1 TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL

O transformador com derivação central possui uma derivação na metade do enrolamento secundário fazendo com que o enrolamento secundário seja divido em dois: enrolamento secundário superior e enrolamento secundário inferior. Se medirmos a tensão em cada enrolamento secundário com um osciloscópio tomando como referência a derivação central, veremos a figura 2A no semiciclo positivo, e a figura 2B no semiciclo negativo da tensão de entrada.

Vemos a seguir o diagrama de tempo completo das tensões nos enrolamentos secundário, secundário superior e secundário inferior. Quando aplicamos uma tensão alternada no enrolamento primário do transformador (trafo), e a tensão no enrolamento secundário está em fase, as polaridades das tensões no primário e no secundário serão como mostradas na figura 1A quando a tensão de entrada estiver no semiciclo positivo.

Observe a derivação central. Para o enrolamento secundário superior sua polaridade é negativa, mas para o enrolamento secundário inferior sua polaridade é positiva durante o semiciclo positivo de tensão de entrada, como mostra a figura 1B.

V1 = tensão no enrolamento secundário superior  V2 = tensão no enrolamento secundário inferior  7.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Vemos a seguir um retificador de onda completa. Observe que o circuito aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada. Durante o semiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tensão do enrolamento superior apareça em cima do resistor de carga RL. Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada D2 conduz fazendo com que apareça no resistor de carga toda a tensão do enrolamento inferior. No semiciclo negativo da tensão de entrada a polaridade da tensão se inverterá, ou seja, quem é positivo passa a ser negativo e vice-versa, como mostra a figura 1C.

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Capítulo 6: Fonte de Alimentação

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7.3 SEMICICLO POSITIVO

Observe na figura 3A as polaridades da tensão nos enrolamentos superior e inferior. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima do anodo de D1, ele fica polarizado diretamente durante todo o semiciclo positivo, comportando-se como uma chave fechada, como mostra a figura 3B. Como D1 é um curto, a tensão do enrolamento superior é aplicado diretamente aos terminais de RL com a polaridade mostrada. Isto significa que durante o semiciclo positivo de tensão de entrada aparece nos terminais da carga um semiciclo positivo. Durante o semiciclo positivo D2 fica polarizado reversamente, de modo que não circula corrente no enrolamento inferior durante este semiciclo de tensão de entrada.

7.5 FREQUÊNCIA NA CARGA 7.4 SEMICICLO NEGATIVO

No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com que D1 fique polarizado reversamente e D2 diretamente, como mostra a figura 4A. Com D2 em condução, a tensão no enrolamento inferior aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL. Como D1 está polarizado reversamente, não circula corrente no enrolamento superior durante o semiciclo negativo de tensão de entrada.

Uma observação importante a fazer sobre a tensão no resistor de carga é com relação a sua freqüência, que é o dobro da freqüência da tensão de entrada. Observe na figura 5 que para cada ciclo de tensão de entrada aparece dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída. Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na carga será 120Hz. 7.6 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA

Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da tensão.

A seguir vemos os gráficos das tensões no enrolamento secundário, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado de retificador de onda completa.

7.7 TENSÃO MÉDIA NA CARGA

A figura 5 mostra a forma da tensão que veremos se colocarmos um osciloscópio em cima do resistor de carga, que é uma tensão contínua pulsante. Se ao invés de um osciloscópio, colocarmos um voltímetro CC em paralelo com o resistor de carga, como mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração, ou seja, funciona da mesma forma.

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7.9 TENSÃO DE PICO INVERSA

Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador de onda completa durante o semiciclo positivo da tensão de entrada. Observe que D1 está polarizado diretamente e D2 polarizado reversamente. O circuito foi redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparece nos terminais de D2.

A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no retificador de meia onda . É simples chegar a esta conclusão visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo.

Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa em D2 é o valor de pico da tensão no secundário. VPI = Vp(sec) VPI = tensão de pico inversa Vp(sec) = tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário

7.8 CORRENTE MÉDIA

Se um amperímetro CC for colocado em série com a carga ele irá medir a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.

A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na carga (Icc).

O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da tensão de entrada. Veja agora que D1 está polarizado reversamente e D2 polarizado diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodo D1. Portanto, a fórmula acima é válida para os dois diodos.

Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração o diodo como sendo ideal. Veja a seguir as mesmas fórmulas levando em consideração o diodo como sendo real. VP(res) = (Vp(sec) /2) – 0,7 Vcc = (2 . VP(res) ) / π Icc = Vcc / RL Ip(res) = VP(res) / RL

Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga, como mostra a fórmula a seguir.

VPI = Vp(sec) - 0,7 No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode ser usada sem problemas.

Ao projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30% de tolerância poder ser usada como referência, embora possamos usar um valor de tolerância maior, nunca menor.

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Capítulo 6: Fonte de Alimentação

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EXERCÍCIOS

1) Dadoo circuito abaixo, calcule: Obs – diodo ideal a) b) c) d)

Tesão média na carga (Vcc)? Corrente média na carga (Icc)? Tensão de pico inverso (VPI) ? Gráfico da tensão no resistor de carga?

2)

Repita os calculas da questão nº 1 considerando o diodo real.

3)

Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda completa com relação ao retificador de meia onda?

4)

Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador?

5)

Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser  colocado no primário do transformador, usando a corrente calculada na questão anterior como base de cálculo?

6)

Qual a forma de onda de tensão e da corrente na carga no circuito a seguir?

7) No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 300mA e o trafo tem uma tensão no secundário de 12V, especifique os valores nominais mínimos de corrente direta e de tensão de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerância?

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RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

O retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e não necessita de transformador com derivação central. Como o circuito é um retificador de onda completa, os dois ciclos de tensão de entrada são aproveitados. Uma vantagem do retificador em ponte com relação ao retificador de onda completa com dois diodos é que no primeiro toda a tensão do enrolamento secundário é aproveitada, enquanto que, no outro, apenas a metade da tensão no secundário chega aos terminais da carga. A figura a seguir mostra um retificador em ponte.

8.1 SEMICICLO POSITIVO

Observe na figura 2a a polaridade da tensão no enrolamento secundário. Como a polaridade positiva da tensão está mais próxima do anodo de D1 e a polaridade negativa mais próxima do catodo de D3, ambos estão polarizados diretamente. Observe ainda na fig 2a que a polaridade positiva da tensão no enrolamento secundário está mais próxima do catodo de D4 e a polaridade negativa está mais próxima do anodo de D2, fazendo com que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. A fig 2b mostra o circuito com os diodos representados como chaves(diodo ideal). Veja que D1 e D3 estão fechados(polarização direta) e D2 e D4 estão abertos(polarização reversa). A condução de D1 e D3 faz com que os terminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais do enrolamento secundário, fazendo com que todo o semiciclo positivo de tensão no secundário seja aplicado aos terminais do resistor de carga com a polaridade mostrada.

8.3 FREQUÊNCIA NA CARGA

Observe na figura 4 que para cada ciclo de tensão de entrada aparecem dois ciclos de tensão no resistor de carga, visto que cada semiciclo de tensão de entrada equivale a um ciclo de tensão de saída. Portanto, se a freqüência de entrada for 60Hz, a freqüência da tensão na carga será 120Hz, ou seja, a freqüência no resistor de carga é o dobro da freqüência da tensão de entrada. 8.4 CORRENTE NO RESISTOR DE CARGA

Como nós já sabemos, o resistor é um componente ôhmico. Isto significa que a corrente é diretamente proporcional a tensão no resistor de carga, ou seja, o gráfico da corrente na carga é idêntico ao gráfico da tensão.

8.2 SEMICICLO NEGATIVO

No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com que D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente, como mostra a figura 3a. Com D2 e D4 em condução, toda a tensão do enrolamento secundário aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em RL é igual à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece um novo semiciclo positivo em RL. 8.5 TENSÃO MÉDIA NA CARGA

Se um voltímetro CC for ligado em paralelo com o resistor de carga como mostra a figura a seguir, mediremos a tensão CC na carga(Vcc). Observe que o circuito foi redesenhado, mas sem alteração no circuito, ou seja, funciona da mesma forma. A seguir vemos os gráficos das tensões no nrolamento secundário, nos diodos e no resistor de carga. Observe que os dois semiciclos da tensão de entrada são aproveitados pelo retificador, por isso ele é chamado de retificador de onda completa.

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Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte

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redesenhado para facilitar a nossa análise. Como D1 é uma chave fechada e D2 uma chave aberta, toda a tensão no enrolamento secundário aparece nos terminais de D2. O mesmo raciocínio podemos usar para D3 e D4.

A fórmula a seguir nos mostra como calcular a tensão média no retificador de onda completa, e também nos informa que a tensão média no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no retificador de meia onda . É simples chegar a esta conclusão, visto que o retificador de onda completa aproveita os dois semiciclos da tensão de entrada, enquanto o retificador de meia onda só aproveita um semiciclo. Quando a tensão no secundário chega ao seu valor máximo ou de pico, a tensão reversa em D2 também chega ao seu valor máximo, ou seja, VD2 = Vp(sec). Podemos dizer então que a máxima tensão de pico inversa em D2 é o valor de pico da tensão no secundário. O mesmo ocorre com D4, ou seja, VD4 = Vp(sec) quando a tensão no secundário chega ao valor  máximo. VPI = Vp(sec) VPI = tensão de pico inversa Vp(sec) = tensão de pico entre os extremos do enrolamento secundário 8.6 CORRENTE MÉDIA

Se um amperímetro CC for ligado em série com a carga ele irá medir  a corrente média na carga, como mostra figura a seguir.

O mesmo raciocínio pode ser usado para o semiciclo negativo da tensão de entrada. Veja que agora D1e D3 estão polarizados reversamente e D2 e D4 polarizados diretamente. Quando a tensão no secundário do trafo atinge o valor de pico, o mesmo acontece com a tensão no diodos D1 e D3. Portanto, a fórmula acima é válida para os quatro diodos.

A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a corrente média na carga (Icc). Todas as fórmulas deduzidas nesta seção levaram em consideração o diodo como sendo ideal, veja a seguir as mesmas fórmulas levando em consideração o diodo como sendo real. VP(res) = Vp(sec) – 1,4V Vcc = (2 . VP(res) ) / π Como cada diodo fornece corrente para a carga durante um semiciclo de cada ciclo da tensão de entrada, é lógico deduzir que a corrente média em cada diodo é a metade da corrente média na carga, como mostra a fórmula a seguir.

Icc = Vcc / RL Ip(res) = VP(res) / RL VPI = Vp(sec) - 0,7 No caso de projeto, a tensão de pico inversa nominal de cada diodo deve ser maior que VPI. Mais uma vez a regra dos 30% de tolerância pode ser usada sem problemas. 8.8 RETIFICADORES EM PONTE ENCAPSULADOS

Se você for projetar um retificador de onda completa, a corrente direta que cada diodo deverá suportar tem que ser maior que Icc(diodo). A regra dos 30% de tolerância poder ser usada como referência, embora você possa usar um valor de tolerância maior, nunca menor. 8.7 TENSÃO DE PICO INVERSA

Os retificadores em ponte São tão comuns que os fabricantes lançaram vários modelos de retificadores em ponte montados em um encapsulamento de plástico selado. Veja a seguir algumas formas de pontes retificadoras encontradas no mercado. Cada diodo que compõe a ponte possui uma corrente direta máxima e uma tensão que pico inversa máxima que é especificado pelo fabricante quando a ponte é fabricada. Por  exemplo, a ponte retificadora 3N246, fabricada pela Fairchild, suporta uma corrente direta máxima de 1,5A e uma tensão de pico inversa de 50V. Estes parâmetros são válidos para cada diodo que faz parte da ponte.

Na figura a seguir nós vemos o circuito equivalente do retificador em ponte durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, D1e D3 estão polarizados diretamente e D2 e D4 polarizados reversamente. O circuito foi 22

Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte

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EXERCÍCIOS

1) Dadoo circuito abaixo, calcule: Obs – diodo ideal a) b) c) d)

Tesão média na carga (Vcc)? Corrente média na carga (Icc)? Tensão de pico inverso (VPI) ? Gráfico da tensão no resistor de carga?

2)

Repita os cálculos da questão nº 1 considerando o diodo real.

3)

Cite uma vantagem e uma desvantagem do retificador de onda completa em ponte com relação ao retificador de onda completa com trafo com derivação central ?

4)

Qual o valor máximo de corrente no primário do transformador  no circuito da questão 1?

5)

Utilize a regra dos 30% para calcular o valor do fusível a ser  colocado no primário do transformador, usando a corrente calculada na questão anterior como base de cálculo?

6)

Qual a forma de onda de tensão e corrente na carga no circuito a seguir?

7)

No projeto de um retificador de onda completa, se Icc = 200mA e se o trafo tem uma tensão no secundário de 15Vrms, especifique os valores nominais mínimos de corrente direta e de tensão de pico inversa para cada diodo, utilizando a regra dos 30% de tolerância?

8)

Qual a freqüência da tensão na carga ligada na saída de um retificador em ponte se a freqüência da tensão de entrada é de 100Hz?

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Capítulo 8: Retificador de Onda Completa em Ponte

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ELETRÔNICA

GRÁFICO DO DIODO

Ca ít ul o 9  

FILTRO CAPACITIVO

9.1 CAPACITOR O capacitor é um dispositivo elétrico constituído de duas placas condutoras separadas por um material isolante, normalmente chamado de dielétrico. A principal característica de um capacitor é a de armazenar  Quando a chave é colocada na posição A, os terminais do capacitor  ficarão ligados diretamente aos terminais da fonte, fazendo com que o mesmo se carregue com a tensão da fonte e com a mesma polaridade, como mostra a fig 2. O tempo que o capacitor leva para atingir a tensão da fonte durante a carga pode ser aumentado se um resistor for colocado em série com o capacitor. Como não tem resistor em série com o capacitor durante a carga, o mesmo se carrega com a tensão da fonte imediatamente após chave ser  colocada na posição A.

cargas elétricas. Esta característica está associada a sua capacitância, que é a capacidade que tem o capacitor em armazenar cargas elétricas. Quanto maior a capacitância do capacitor, maior a sua capacidade em armazenar cargas elétricas. A unidade de cacitância é o Farad (F). 9.2 SÍMBOLOS Se após o capacitor estar carregado com a tensão da fonte a chave for colocada novamente na posição 0, o capacitor irá manter-se carregado por tempo indeterminado, como mostra a fig 3.

9.3 TIPOS DE CAPACITORES Os capacitores comerciais são denominados de acordo com o seu dielétrico. Os capacitores mais comuns são os de ar, mica, papel, cerâmica, poliester e eletrolítico. O capacitor utilizado em fontes de alimentação como filtro capacitivo é o eletrolítico. O capacitor eletrolítico possui polaridade, ou seja, ele só pode se carregar num único sentido. A polaridade vem impressa em seu corpo. Na figura a seguir vemos o símbolo de um capacitor  eletrolítico de 220µF. Observe as polaridades. Isto significa que o capacitor  só pode se carregar com a polaridade mostrada, ou seja, a placa superior  só pode se carregar com cargas positivas e a placa inferior com cargas negativas.

9.4 CARGA E DESCARGA Na figura a seguir temos um circuito que podemos usar para demonstrar o funcionamento do capacitor. Suponha que o capacitor esteja completamente descarregado e a chave esteja posicionada na posição 0. Como o capacitor está descarregado, a DDP em seus terminais é zero.

24

Capítulo 9: Filtro Capacitivo

Se a chave agora for colocada na posição B, como mostra a Fig 4, o capacitor ira se descarregar em cima do resistor. No instante em que o circuito de descarga for fechado, os elétrons em excesso na placa inferior  irão fluir para a placa superior com o objetivo de restabelecer o equilíbrio, ou seja, as duas placas voltarem a estar neutras. Este fluxo de elétrons é chamado de corrente de descarga(ID). Quando todos os elétrons em excesso na placa inferior voltarem para a placa de origem(superior) a corrente de descarga cessará, o que significa que o capacitor estará descarregado, ou seja, não haverá mais DDP entres as placas do capacitor. Observe que enquanto o capacitor está se descarregando ele funciona como se fosse uma fonte de tensão temporária, fornecendo corrente ao resistor. Esta é uma idéia importante de se fixar porque ela será usada quando formos estudar fonte de tensão com filtro capacitivo. Assim como na carga, o tempo de descarga pode ser alterado se o resistor for substituído por outro de valor diferente. Quanto maior o valor do resistor de descarga, maior o tempo que o capacitor leva para se descarregar.

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Sem o capacitor 

Veja a seguir o gráfico de tempo de descarga do capacitor. Este é um gráfico da tensão nos terminais do capacitor em função do tempo. Após cinco constantes de tempo (T = 5.R.C), o capacitor estará com 0,7% da tensão inicial que é 10V. Este valor de tensão é tão próximo de zero que normalmente, para efeito prático, nós consideramos o capacitor  descarregado após cinco constantes de tempo.

Com o capacitor 

9.8 CARGA E DESCARGA DO CAPA CITOR

9.5 RIGIDEZ DIELÉTRICA

A ondulação que observamos na tensão de saída com o capacitor  no circuito existe porque o capacitor fica se carregando e descarregando durante cada ciclo de tensão de entrada. Vamos analisar nesta seção como isto acontece. No primeiro semiciclo positivo de tensão no secundário, o diodo conduz e liga os terminais do capacitor diretamente aos extremos do enrolamento secundário. Durante a primeira metade do semiciclo positivo, a tensão no secundário vai aumentando até atingir o pico positivo, acontecendo o mesmo com a tensão no capacitor. A figura a seguir mostra o capacitor carregado. Observe que a tensão no capacitor tem a mesma polaridade da tensão no secundário. Se o diodo for considerado ideal, quando a tensão no secundário atingir o pico positivo, a tensão no capacitor  também será igual à Vp.

Quando um capacitor é projetado o fabricante especifica um valor  máximo de tensão que o mesmo pode ter em seus terminais. Esta tensão é chamada de rigidez dielétrica. Se o capacitor se carrega com uma tensão acima do valor especificado pelo fabricante, o capacitor se danifica. Por  exemplo, um capacitor de 220µF/25V não pode ter em seus terminais uma tensão maior que 25V. Caso você vá usar este capacitor em algum circuito, certifique-se de que sob quaisquer condições de funcionamento, ele não irá se carregar com uma tensão maior que 25V. 9.6 ASSOCIAÇÃO DE FONTES DE TENSÃO EM SÉRIE Toda vez que tivermos duas fontes de tensão ligadas em série na forma como está mostrado na Fig 6a, ou seja, o pólo positivo ligado ao negativo e vice versa, a tensão equivalente entre os pontos A e B será a soma das tensões de cada fonte. Neste caso dizemos que as fontes tem a mesma polaridade. Por outro lado, se as fontes estiverem ligadas em série e com polaridades opostas, ou seja, pólo positivo ligado com o pólo positivo ou vice-versa, como mostra a Fig 6b, a tensão equivalente entre os pontos A e B será a diferença entre as tensões de cada fonte, prevalecendo a polaridade da fonte maior.

9.7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO Nos podemos transformar a tensão contínua pulsante presente na saída de um retificador numa tensão contínua com ondulação se colocarmos um capacitor em paralelo com a carga, como mostram as figuras a seguir.

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Logo depois que a tensão no secundário atinge o valor de pico ela começa a diminuir, e o diodo então para de conduzir. Porque? Observe que a tensão que chega nos terminais do diodo é a diferença entre as tensões no secundário do transformador e no capacitor, devidos as suas polaridades. Quando a tensão no secundário começa a diminuir após o pico positivo, a tensão no capacitor se torna ligeiramente maior que a tensão no secundário porque a tensão no mesmo não diminui na mesma velocidade. Isto que faz com que prevaleça a polaridade da tensão no capacitor, o que polariza o diodo reversamente, como mostra a figura a seguir.

Com o diodo polarizado reversamente, o capacitor começa a se descarregar em cima do resistor de carga, o que faz com que a tensão em seus terminais comece a diminuir, como mostra a figura a seguir.

Capítulo 9: Filtro Capacitivo

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Quando a tensão de entrada entra no semiciclo negativo, a polaridade da tensão no secundário se inverte, fazendo com que o diodo fique mais reversamente polarizado, visto que a tensão em seus terminais agora é a soma das tensões do secundário e no capacitor. Quando a tensão no secundário atinge o pico negativo, o diodo terá em seus terminais aproximadamente 2.Vp (sec)(duas vezes a tensão de pico no secundário). Esta é a máxima tensão que o diodo terá em seus terminais quando polarizado reversamente.

No próximo semiciclo positivo, a polaridade da tensão no secundário do transformador volta a inverter. Agora temos a tensão no secundário do transformador aumentando, e a tensão no capacitor diminuindo devido à descarga. Chegará um momento que a tensão no secundário do transformador irá ultrapassar a tensão no capacitor. Isso fará com que o diodo volte a conduzir, ligando os terminais do capacitor aos extremos do enrolamento secundário, fazendo com que o capacitor torne a se carregar  até atingir o valor de pico. Quando a tensão no secundário do transformador  ultrapassa o pico positivo, o diodo abre novamente e o capacitor volta a se descarregar em cima do resistor de carga, dando início a um ciclo de carga e descarga até que o circuito seja desligado.

Para que o circuito funcione corretamente da forma como foi descrita, a constante de tempo(T= RL.C) deve ser pelo menos dez vezes maior que o período da tensão de entrada. Isto garante que o tempo de descarga seja muito maior que o tempo de carga, condição que deve ser satisfeita para que o diodo pare de conduzir logo após o pico positivo.

Observe que no retificador de onda completa a ondulação é bem menor. Os dois semiciclos são aproveitados e, em conseqüência disto, o capacitor se descarrega durante um intervalo de tempo duas vezes menor, o que significa que a ondulação é duas vezes menor. A seguir vemos a fórmula para calcular a tensão de ondulação de pico a pico( Vpp(ond)) no capacitor de filtro.

A freqüência de ondulação é igual à freqüência de entrada se o retificador for de meia onda, e o dobro da freqüência de entrada se for de onda completa. O gráfico a seguir mostra a tensão ondulada na carga com todas as indicações importantes.

O tempo de carga(TC) é o tempo durante o qual o diodo se mantém em condução, fazendo com que o capacitor recupere sua carga. O tempo de descarga(TD) é o tempo em que o diodo se mantém aberto, fazendo com que o capacitor se descarregue em cima do resistor de carga. A ondulação de pico a pico é a diferença entre a tensão máxima(Vp(res)) e a tensão mínima(Vmin) na carga. Num projeto prático esta ondulação deve ficar abaixo dos 10% do valor máximo de tensão na carga(Vp(res)). Por  exemplo, se VP=15V, Vpp(ond) não deve ser maior que 1,5V.

É importante observar que o diodo só conduz durante uma parte do semiciclo positivo, período em que o capacitor recupera sua carga. Quanto maior o resistor de carga menor a ondulação da tensão na carga. Uma outra forma de reduzir a ondulação é usarmos um retificador de onda completa ao invés de um retificador de meia onda, como mostra a figura a seguir.

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Capítulo 9: Filtro Capacitivo

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Exemplo: Dado o circuito a seguir, calcule a ondulação de pico a pico na

Se o retificador for de meia onda, a especificação de corrente do diodo tem de ser maior que a corrente média na carga.

carga?

Icc(diodo) > Icc Se o retificador for de onda completa, cada diodo só conduz durante um semiciclo da tensão de entrada, isto significa que a especificação do diodo tem que ser maior que a metade de Icc.

Icc(diodo) > Icc / 2 Para projeto, uma tolerância de no mínimo 30% deve ser utilizada para a escolha do diodo, ou seja, o diodo deve suportar uma corrente direta de no mínimo 30% acima do valor de Icc se o retificador for de meia onda, e de no mínimo 30% acima de Icc/2 se o retificador for de onda completa.

9.11 TENSÃO DE PICO INVERSA

Observe que a tensão de ondulação de pico a pico está abaixo de 10% da tensão máxima na carga, isto significa que o capacitor foi especificado corretamente. Veja a seguir o gráfico da tensão na carga.

Como já visto anteriormente, o diodo do retificador de meia onda com filtro capacitivo tem uma tensão máxima reversa de 2Vp em seus terminais quando a tensão no secundário atinge o pico negativo. A figura a seguir ilustra o evento. Observe que o capacitor também tem em seus terminais Vp. A tensão que chega nos terminais do diodo é dada pela somas das tensões no capacitor e no enrolamento secundário devido as suas polaridades, por isso aparece nos terminais do diodo 2Vp. No retificador de meia onda o diodo deve suportar uma tensão reversa maior  que 2Vp no secundário.

9.9 TENSÃO MÉDIA NA CARGA (Vcc ) O capacitor de filtro eleva o nível CC da tensão na carga. Quanto maior o resistor de carga menor a ondulação. As vezes nós consideramos a tensão média na carga (Vcc) aproximadamente igual ao valor máximo de tensão na carga(Vp(res)) quando o resistor de carga tem um valor muito alto. Porém, se desejarmos obter um valor mais preciso de Vcc podemos usar a fórmula a seguir.

Vcc = Vp (res) – (Vpp (ond) / 2)

VPI = 2Vp(sec) Nos retificadores de onda completa e em ponte a tensão reversa máxima que cada diodo tem em seus terminais ocorre quando a tensão no secundário atinge os picos e é igual a Vp(sec). Nestes casos o capacitor não influencia na tensão de pico inversa como no retificador de meia onda. Neste caso:

VPI = Vp(sec) EXERCÍCIOS 1)

No circuito a seguir, após S1 ser fechada, quanto tempo o capacitor leva para se descarregar?

2)

Como é chamada a forma da tensão na carga de um retificador  com filtro capacitivo?

9.10 CORRENTE MÉDIA Se um amperímetro CC for ligado em série com o resistor de carga ele irá medir a corrente média na carga (Icc). Para calcularmos Icc basta dividirmos Vcc por RL, como mostra a fórmula abaixo.

Icc = Vcc / RL Icc = corrente média na carga Vcc = tensão média na carga RL = resistor de carga

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3)

O que é tensão de ondulação de pico a pico?

Capítulo 9: Filtro Capacitivo

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4)

Qual o valor do capacitor de filtro para o circuito a seguir?

5)

Se no circuito da fig 21 o retificador for substituído por um de meia onda, calcule o novo valor da capacitância do capacitor?

6)

Faça o gráfico da tensão de carga para o circuito da figura a seguir, incluindo os valores máximos e mínimos, e calcule o valor  médio da tensão na carga?

7)

O que é rigidez dielétrica?

8)

Calcule as especificações de corrente direta e tensão de pico inversa para os diodos dos circuitos das questões nos 4, 5 e 6?

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Capítulo 9: Filtro Capacitivo

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ELETRÔNICA

GRÁFICO DO DIODO

Zener BZX79C5V1 BZV6DC12 BZW03C15

Ca ít ul o 1 0  

ESTABILIZAÇÃO DA TENSÃO O diodo zener é um diodo de silício cuja estrutura interna foi alterada para permitir que ele possa trabalhar na região de ruptura. Se um diodo comum atingir a região de ruptura ele se queima por excesso de dissipação de potência. O mesmo não acontece com um diodo zener. Vemos a seguir  o símbolo de um diodo zener.

A figura a seguir mostra a curva característica de um típico diodo zener. Veja que polarizado diretamente o diodo zener se comporta exatamente como um diodo comum.

Vz 5mA 50mA 75mA

Iz 5,1V 12V 15V

O diodo zener é comumente chamado de regulador de tensão porque mantém a tensão em seus terminais constante mesmo que a corrente que passe por ele varie, estando o mesmo funcionando na região de ruptura. Como já dito anteriormente, o zener precisa que a corrente que passe por ele seja maior que Iz min para ele estabilizar a tensão em seus terminais. Caso Iz seja menor que Iz min o zener perde a capacidade de estabilização. Iz min É a corrente mínima que deve passar pelo diodo zener, estando ele na região de ruptura, para manter o funcionamento como estabilizador de tensão. Iz min é fornecida elo fabricante. →

O circuito a seguir mostra como utilizar o zener como estabilizador de tensão. Desde que VT seja maior que Vz e a corrente no zener seja maior  que Iz min, o Zener manterá estabilizada a tensão em seus terminais.

Vo = Tensão estabilizada Quando o diodo zener é polarizado reversamente ele funciona como uma chave aberta até que a tensão em seus terminais alcance o valor de ruptura (Vz). Uma vez atingida a região de ruptura o zener conduz normalmente, e só se danifica se for ultrapassada a sua especificação de potência.

Quando o zener entra na região de ruptura a sua impedância interna é quase zero. Por isso é que sempre veremos em série com o zener um resistor Rs que serve para limitar a corrente zener em níveis abaixo da sua especificação máxima de corrente (Iz max). Além disso, para que o zener  estabilize a tensão de saída, a tensão de entrada deve ser maior que Vz. A diferença entre a tensão de entrada e a tensão Vz é absorvida por Rs. A figura a seguir ilustra a idéia.

Num diodo zener a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento da corrente praticamente constante. Esta característica faz do diodo zener um dispositivo fundamental para a estabilização da tensão. Porém, para que o zener funcione como estabilizador de tensão é necessário que, além de operar na ruptura, a intensidade da corrente que estiver passando por ele (Iz) deva estar compreendida entre os valores máximo (Iz max) e mínimo (Iz min). Se a corrente no zener for menor que Iz min ele perde a capacidade de estabilizar a tensão. Por outro lado, se a corrente que passa por ele for maior que Iz max o zener irá se danificar por  excesso de dissipação de calor. 10.1 ESPECIFICAÇÃO MÁXIMA A potência dissipada por um diodo zener é igual ao produto da tensão em seus terminais pela corrente que estiver passando por ele. Em símbolos:

Se a tensão de entrada subir para 40V, a tensão nos terminais do zener permanece praticamente constante em 12V, enquanto a tensão em cima de Rs sobe para 28V, como mostra a figura a seguir.

Pz = Vz x Iz PZ = Potência dissipada Vz = Tensão zener  Iz = Corrente zener  Desde que Pz seja menor que a sua especificação máxima de potência, o zener pode funcionar na região de ruptura sem ser destruído. Existe no mercado zeners com tensões de ruptura que pode variar de 2V a mais de 200V, com especificação de potência de 1/4 W a mais de 50W. A tabela a seguir mostra alguns modelos de zeners encontrados no mercado, com as suas respectivas tensões de funcionamento e corrente máxima reversa.

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Veja que a tensão em Rs é a diferença entre a tensão de entrada e a tensão no zener.

Capítulo 10: Estabilização da Tensão

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EXERCÍCIO: 1) Dado o circuito a seguir, e sabendo que a tensão de entrada varia entre 20V e 40V, determine as correntes mínima e máxima que irão passar pelo diodo zener.

Com o tempo o zener foi substituído nas fontes de alimentação lineares por um circuito integrado chamado CI regulador . Uma das vantagens da utilização de um CI regulador no lugar do zener é a potência máxima de saída, que pode ser muito maior com a utilização de um CI regulador do que com um diodo zener. Colocando os valores calculados no gráfico do zener nós teremos:

10.3 FONTE ESTABILIZADA COM CI REGULADOR Existe no mercado uma série de CIs reguladores de tensão que podem ser utilizados em conversores CA-CC como elemento de estabilização da tensão de saída. A figura a seguir mostra o CI regulador  7805 utilizado para fornecer uma tensão de saída estabilizada na saída da fonte de tensão de 5V. O capacitor de 100nF na saída do CI regulador é para eliminar pequenas variações de tensão na saída que por ventura não o CI regulador não consiga eliminar.

Veja que a corrente no zener aumentou de 8mA para 28mA, porém, a tensão em seus terminais permaneceu constante. Este é um dos motivos pelo qual o diodo zener é amplamente utilizado como estabilizador de tensão. Um resistor de carga pode ser conectado aos terminais do zener  dispondo da tensão constante fornecida pelo zener. A figura a seguir ilustra a idéia. Embora o circuito tenha duas malhas, a idéia permanece a mesma.

Os CIs reguladores mais utilizados são os das famílias 78XX e 79XX. Estes CIs reguladores são estabilizadores de tensão com limitação interna de corrente e compensação de temperatura, e podem fornecer vários níveis de tensão de saída. A diferença entre eles é que os da família 78XX fornecem tensão de saída positiva, e os da família 79XX fornecem tensão de saída negativa. A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da família 78XX, suas respectivas tensões de saída e corrente máxima de trabalho. CI 7805 7806 7808 7809 7812 7815 7818 7824

Tensão de Saída 5V 6V 8V 9V 12V 15V 18V 24V

Corrente de Saída 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A

A tabela a seguir mostra alguns dos CIs reguladores da família 79XX, suas respectivas tensões de saída e corrente máxima de trabalho. 2) Calcule as correntes máxima e mínima no zener colocando um resistor  de carga de 2K nos terminais de saída no circuito do exercício nº 1.

10.2 FONTE ESTABILIZADA A ZENER A figura a seguir mostra um circuito que foi muito utilizado no passado para fornecer tensão estabilizada. Veja que a tensão com ondulação presente nos terminais do capacitor é estabilizada pelo conjunto Zener e Rs. Para que circuito funcione corretamente é preciso que sejam observadas todas as questões abordadas anteriormente neste capítulo. Principalmente com relação a tensão de ruptura e a corrente zener. 30

Capítulo 10: Estabilização da Tensão

CI 7905 7906 7908 7909 7912 7915 7918 7924

Tensão de Saída -5V -6V -8V -9V -12V -15V -18V -24V

Corrente de Saída 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A

Um cuidado deve ser tomado no uso de CIs reguladores. A tensão de entrada dever ser de pelo menos 3V maior que a tensão de saída fornecida pelo componente. Por exemplo, se você for utilizar o CI 7805 na sua fonte de alimentação, certifique-se de que na entrada dele não tenha menos de 8V sob quaisquer condições de funcionamento. Ao especificar o valor do capacitor de filtro e os parâmetros do transformador, mantenha a tensão mínima de ondulação acima de 8V. A figura a seguir mostra um CI regulador no encapsulamento TO-220, encontrado com muita facilidade no mercado a um custo muito baixo.

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C = 200m / (120 x 1,55) C = 1075µF O valor comercial mais próximo é 1000 µF. Observe que este valor é um pouco menor que o calculado. Isto fará com que a ondulação seja levemente superior a 10%, o que não provocará nenhum prejuízo para o bom funcionamento do circuito.

Vemos a seguir uma tabela com a função dos pinos dos CIs reguladores das famílias 78XX e 79XX. 78XX Pino 1 2 3

O capacitor terá em seus terminais uma tensão máxima de 15,5V, quando a tensão no enrolamento secundário atingir os picos. Neste caso, a rigidez dielétrica (RD(cap)) dele, utilizando uma tolerância de 30%, deverá ser  de: RD(cap) = (15,5 x 100) / 70

79XX Função Entrada Comum Saída

Pino 1 2 3

Função Comum Entrada Saída

Exemplo 1:

RD(cap) = 22,1V Para que o capacitor funcione corretamente ele deve suportar uma tensão de trabalho maior que 22,1V. O valor mais próximo é 25V. Sendo assim, o capacitor especificado para este projeto será de 1000 µF/25V. A figura a seguir mostra o diagrama esquemático de parte da fonte.

Projeto de uma fonte estabilizada de 5 V/200mA com CI regulador  7805, para uma tensão de entrada de 127/220Vef. Trafo: A tensão no secundário do trafo deve ser escolhida de forma que a tensão em cima do capacitor de filtro não caia abaixo de 8V sob quaisquer  condições de funcionamento. 8V é a tensão mínima a ser aplicada no CI regulador 7805 para que ele não perca a capacidade de regulação da tensão de saída. Os valores de tensão eficaz no secundário dos transformadores comerciais mais facilmente encontrados no mercado são: 3V, 6V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V, e 30V. Na maioria das vezes os transformadores comerciais são projetados para operar com tensões eficazes no primário de 127V e 220V.

A figura a seguir mostra o gráfico da tensão no capacitor com os valores máximo e mínimo da tensão de ondulação.

Vamos escolher, para este projeto, o trafo 127Vef/12Vef e 500mA de capacidade de corrente no secundário, uma vez que a corrente máxima que esta fonte deverá fornecer é de 200mA, como especificação inicial. Neste caso, a tensão de pico no secundário será de: Vp(sec) = Vef x √2 Vp(sec) = 12 x √2 = 16,9V Capacitor:

Diodos:

Vamos optar por um retificador em ponte, uma vez que ele não precisa de um trafo com derivação central. Neste caso, as tensões máxima e mínima no capacitor de filtro serão de: Vp(cap) = Vp(sec) – 1,4 Vp(cap) = 16,9 – 1,4 = 15,5V Adotando uma ondulação de 10% de Vp (cap) para a tensão na entrada do CI regulador, nós teremos: Vond(pp) = 15,5 / 10 Vond(pp) = 1,55V A tensão mínima nos terminais do capacitor e, conseqüentemente, do CI 7805, será de: Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp) Vmin(cap) = 15,57 – 1,55 = 14,02V Veja que a tensão mínima no capacitor é de 14,02V. Esta é a tensão mínima que será aplicada na entrada do CI regulador. Muito maior do que os 8V mínimos necessários. O valor do capacitor será de: C = Icc / (F(saída) x Vond(pp) )

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Como o retificador em ponte foi o escolhido para o projeto, a corrente média que passará em cada diodo será a metade da corrente média na carga. Neste caso: Icc(diodo) = Icc / 2 Icc(diodo) = 200m / 2 = 100mA. Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima que cada diodo deverá suportar será de: Icc(diodo) = (100m x100) / 70 Icc(diodo) = 142,85mA A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais no semiciclo em que ele não estiver conduzindo será de: VPI = Vp(sec) - 0,7V VPI = 16,9 – 0,7 = 16,2V Utilizando a tolerância de 30% teremos: VPI = (16,2 x 100) / 70 VPI = 23,1V

Capítulo 10: Estabilização da Tensão

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O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponte retificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e uma tensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC é mostrado na figura a seguir.

1º - Manter a tensão no secundário do transformador em 12Vef e aumentar a tensão de ondulação de pico a pico para uma taxa acima de 10% de Vp(cap). Esta, porém, não é uma opção recomendada. 2º - Aumentar a tensão no secundário do transformador. Com isso nós podemos aumentar Vond (pp) sem ultrapassar os 10% de Vp (cap). Esta é a opção recomendada. Vamos redimensionar o transformador para uma tensão no secundário de 15Vef, ao invés de 12Vef e ver se o problema será resolvido. Neste caso, o novo valor do capacitor de filtro será:

Exemplo 2:

Vp(sec) = Vef x √2

Vamos redimensionar a fonte de alimentação projetada no exemplo 1 de forma a ampliar a sua capacidade de fornecimento de corrente para 500mA, mantendo os 5V de tensão de saída.

Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V ----------------------------------------Vp(cap) = Vp(sec) – 1,4

Em primeiro lugar temos de olhar para o transformador e ver se ele se adapta ao novo valor de corrente de saída. É recomendado que deixemos uma margem de segurança de pelo menos 30%. Neste caso, a corrente máxima no secundário passa a ser de:

Vp(cap) = 21,21 – 1,4 = 19,8V ----------------------------------------Vond(pp) = 19,8 / 10

IMAX(sec) = (500m x 100) / 70 IMAX(sec) = 714,28mA

Vond(pp) = 1,98V --------------------------------------Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp)

O valor comercial mais próximo é de 1A. Vamos então optar por um transformador de 127V/220V / 12V – 1A.

Vmin(cap) = 19,8 – 1,98 = 17,82V ---------------------------------------C = 500m / (120 x 1,98)

Vamos, no entanto, manter os 12Vef de tensão no secundário e ver  se este valor se adapta aos novos parâmetros da fonte.

C = 2104µF

Capacitor: O novo valor do capacitor de filtro será:

Veja que o problema foi resolvido. O capacitor agora tem uma capacitância de 2104 µF, menos que os 2200 µF máximo recomendado. A rigidez dielétrica do capacitor agora será:

C = 500m / (120 x 1,55)

RD(cap) = (Vp(cap) x 100) / 70

C = 2688µF

RD(cap) = (19,8 x 100) / 70 = 28,28V

Temos um problema aqui. Não é recomendada a utilização de capacitores acima de 2200 µF neste tipo de fonte de tensão. Capacitores com capacitância muito elevada levam mais tempo para se carregar. Dependendo do valor instantâneo da tensão de entrada na hora em que a fonte é ligada, a corrente nos diodos retificadores pode atingir valores acima da sua capacidade máxima, uma vez que um capacitor descarregado se comporta como um curto. Neste caso, a única resistência que irá limitar a corrente de carga do capacitor é a resistência interna do enrolamento secundário somada a resistência interna dos diodos que estiverem em condução no momento. O pior caso acontece quando a fonte for ligada no momento em que o valor instantâneo da tensão de entrada estiver no valor  de pico. A corrente mencionada neste parágrafo é identificada nos datasheets como corrente de surto (I FSM). O diodo 1N4001 possui uma corrente de surto de 30A. Isto significa que ele pode suportar, no momento em que a fonte é ligada, uma corrente de 30A durante um ciclo de tensão de entrada sem ser danificado. Nos casos em que a corrente de surto ultrapassa a corrente I FSM do diodo utilizado como retificador, é recomendada a utilização de um resistor  em série com o diodo, chamado Resistor Surto. A sua finalidade é limitar a corrente de carga inicial do capacitor de filtro. A figura a seguir ilustra a idéia.

O valor comercial mais próximo é de 35V. Sendo assim, o capacitor  utilizado como filtro será de 2200 µF/35V. Diodos: Icc(diodo) = Icc / 2 Icc(diodo) = 500m / 2 = 250mA. Utilizando a tolerância de 30% para Icc, a corrente direta mínima que cada diodo deverá suportar será de: Icc(diodo) = (250m x100) / 70 Icc(diodo) = 357,14mA A máxima tensão reversa que cada diodo terá em seus terminais no semiciclo em que ele não estiver conduzindo será de: VPI = Vp(sec) - 0,7V VPI = 21,21 – 0,7 = 20,51V Utilizando a tolerância de 30% teremos: VPI = (20,51 x 100) / 70 VPI = 29,3V

O Rsurto tem valor baixo, normalmente menor que 10 Ω, e dissipa uma potência considerável. A potência dissipada pelo R surto é convertida em calor, não sendo, portanto aproveitada pela carga. Para evitar a utilização de resistor shunt, vamos manter o capacitor de filtro com valor abaixo de 2200µF.

O diodo 1N4001 pode ser o modelo escolhido para a ponte retificadora, uma vez que ele suporta uma corrente direta (Id) = 1A e uma tensão de ruptura (Vr) = 50V. O circuito completo do conversor CA-CC é mostrado na figura a seguir.

Como vamos então resolver o problema do capacitor de filtro cujo valor calculado foi de 2688 µF? Temos duas saídas: 32

Capítulo 10: Estabilização da Tensão

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Vmin(cap) = Vp(cap) - Vond(pp) Vmin(cap) = 20,51 – 2,05 = 18,46V ---------------------------------------C = 500m / (120 x 2,05) C = 2032,5µF

10.4 TENSÃO REGULADA COM SAÍDA NEGATIVA Como já foi dito, o CI regulador 79XX fornece tensão negativa na sua saída. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentação de  –12V/200mA. As fórmulas utilizadas para o dimensionamento do capacitor  de filtro, dos diodos retificadores e do transformador são as mesmas utilizadas para o CI 78XX.

10.5 FONTE DE TENSÃO COM SAÍDA SIMÉTRICA Muitas aplicações, como aquelas que utilizam amplificadores operacionais, necessitam de uma fonte de alimentação simétrica. Uma fonte simétrica fornece duas tensões de alimentação, uma positiva e outra negativa. A figura a seguir é uma proposta para uma fonte de alimentação simétrica utilizando Cis reguladores.

10.6 DISSIPADOR DE CALOR A maioria dos CIs reguladores possuem uma proteção contra aumentos excessivos de temperatura. Se a temperatura interna atingir um determinado valor o CI regulador é desligado. Para que o CI regulador não se aqueça demasiadamente, muitas vezes é necessária a utilização de um dissipador de calor. O dissipador de calor ajuda o CI regulador a liberar o calor na mesma velocidade com que ele é produzido. Isto impedirá que ele se aqueça demasiadamente. Um dissipador de calor pode ser improvisado aparafusando uma barra de alumínio na parte metálica do CI regulador. Á área da barra de alumínio deverá ter uma relação com a potência de saída (Vo x Icc) gerada pela fonte. Existem no mercado dissipadores fabricados para determinadas potências dissipadas. Os fabricantes de dissipadores inclusive disponibilizam tabelas onde podem ser encontrados diversos modelos de dissipadores nos mais diferentes tamanhos e formas. Veja a seguir alguns dissipadores encontrados no mercado.

10.7 CI REGULADOR COM TENSÃO AJUSTÁVEL

Observe que o transformador utilizado tem um enrolamento secundário com derivação central. No semiciclo positivo da tensão de entrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D1, enquanto que neste semiciclo o enrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador  7912 através do diodo D3.

Existem no mercado vários CIs reguladores que fornecem uma tensão de saída que pode ser ajustada dentro uma faixa de tensão. A figura a seguir mostra um exemplo de uma aplicação com o CI LM317, fabricado pela National Semiconductor, que pode fornecer na sua saída, tensões na faixa de 1,25V – 25V. A tensão de saída é ajustada por meio do potenciômetro de 5K Ω conectado entre o pino de ajuste e o terra. Para maiores informações, consultar o datasheet.

No semiciclo negativo da tensão de entrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através do diodo D4, enquanto que neste semiciclo o enrolamento secundário inferior  fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D2. É importante observar que a corrente circulará pelos dois enrolamentos secundários, superior e inferior, tanto no semiciclo positivo quanto no semiciclo negativo da tensão de entrada. As fórmulas utilizadas para o dimensionamento do capacitor de filtro, dos diodos retificadores e do transformador para uma fonte de tensão simétrica são as mesmas utilizadas anteriormente para a fonte de tensão simples. Com a exceção de que o cálculo da tensão no capacitor deve ser efetuado tomando como base a tensão em um dos enrolamentos secundários, ou seja, VP (sec) / 2. a tensão de saída pode ser obtida por meio da fórmula mostrada a seguir.

Capacitores C1 e C2: Vp(sec) = Vef x √2 Vp(sec) = 15 x √2 = 21,21V ----------------------------------------Vp(cap) = Vp(sec) – 0,7 Vp(cap) = 21,21 – 0,7 = 20,51V ----------------------------------------Vond(pp) = 20,51 / 10 Vond(pp) = 2,05V ---------------------------------------

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10.8 FUSÍVEL É altamente recomendável a utilização de fusíveis em fonte de alimentação. O fusível é um dispositivo fabricado proteger o circuito contra sobrecorrente . Uma vez que a intensidade de corrente elétrica que passa pelo fusível ultrapassa o seu valor nominal ele se abre, interrompe a passagem da corrente e, conseqüentemente, desliga o circuito. Vemos a seguir os símbolos mais utilizados para representar um fusível.

Capítulo 10: Estabilização da Tensão

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intensidade da corrente que estiver passado por ele. Para efeito de cálculo nós utilizaremos uma queda de 2V para uma corrente de 10mA.

Todo fusível possui uma corrente nominal, que é a intensidade corrente máxima que ele suporta sem se romper. Enquanto a intensidade da corrente que passa pelo fusível não ultrapassa o valor nominal, ele se comporta como um curto, não oferecendo nenhuma oposição a passagem da corrente elétrica. O fusível normalmente é ligado em série com o enrolamento primário. A idéia é calcular a intensidade da corrente que passa pelo enrolamento primário a partir da intensidade da corrente que passa pelo enrolamento secundário.

Quando vamos excitar um led com uma fonte de tensão temos de especificar o valor para o resistor que deverá ficar ligado em série com ele para manter a corrente que passa pelo led nos níveis normais. Como já foi dito no parágrafo anterior, vamos especificar o valor do resistor para uma tensão no led de 2V e para uma corrente no led de 10mA. Vejamos o circuito a seguir. O led está sendo acionado por uma fonte de tensão de 5V. O resistor R deverá manter a corrente em 10mA. Neste caso, o valor de R será:

Sabemos que o transformador não gera potência, ele apenas transfere para o secundário a potência recebida no enrolamento primário. Sendo assim:

P(RIM) = P(SEC) V(PRI) x I(PRI) = V(SEC) x I(SEC)

VT = VR + Vled

Deduzindo I(PRI) teremos:

VT = (I x R) + Vled

I(PRI) = (V(SEC) x I(SEC)) / V(PRI) Uma boa aproximação para o cálculo de I(PRI) é utilizarmos os valores eficazes para as tensões V(PRI) e V(SEC) e o valor de Icc para a corrente do secundário. Se, por exemplo,

V(PRI) = 127Vef, V(SEC) = 15Vef e Icc =

Deduzindo R na fórmula teremos:

R = (VT – Vled) / I Sendo assim,

500mA, I(PRI) será: I(PRI) = (15 x 500m) / 127 = 59,05mA. Veja que a intensidade de corrente no enrolamento primário é quase dez vezes menor que no enrolamento secundário. Isto justifica o fato do fusível ser ligado no enrolamento primário. Utilizando uma tolerância de 30%, o valor da corrente nominal do fusível I (FUS) será:

I(FUS) = (59,05m x 100) / 70 = 84,36mA O valor comercial superior mais próximo é de 100mA. 10.9 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) Em um diodo com polarização direta os elétrons atravessam N como elétrons livres, atravessam a junção e se recombinam com as lacunas para atravessar a região P como elétrons de valência. A medida que os elétrons caem da banda de condução para a camada de valência eles irradiam energia.

R = (5 – 2) / 10m = 300Ω O valor comercial mais próximo é 270 Ω. Um resistor de 270 Ω manterá a corrente ligeiramente acima de 10mA. Intensidade de corrente suficiente para que o led brilhe com uma intensidade perfeitamente visível. Entretanto, se for necessário aumentar o brilho do led, basta aumentar a corrente que passa por ele. Isto pode feito diminuindo o valor do resistor R. O led é freqüentemente utilizado em fontes de alimentação para sinalizar que a fonte está ligada. Neste caso, o led pode ser colocado na saída do CI regulador. O valor do resistor R dependerá, obviamente, da tensão de saída do CI regulador. A figura a seguir mostra o diagrama esquemático de uma fonte de tensão com, fusível, led de sinalização e chave geral liga/desliga (Sg).

Nos diodos comuns essa energia é irradiada na forma de calor, mas nos leds a energia é irradiada na forma de luz. Os leds vêm substituindo as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento.

Exercícios: 1) 2)

Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da luz. Os leds utilizam elementos como Gálio, Arsênio e Fósforo. Dependendo do material utilizado um led pode emitir luz da cor verde, laranja, azul, ou até mesmo emitir luz infravermelho, (luz invisível). 10.10 TENSÃO E CORRENTE NO LED O led tem uma quede de tensão típica de 1,5V a 2,5V para correntes que variam de 10mA a 50mA. A queda de tensão exata no led depende da

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Capítulo 10: Estabilização da Tensão

Qual a principal diferença entre um diodo comum e um diodo zener? Quais as condições necessárias para que o diodo zener funcione como estabilizador de tensão? 3) Qual a função dos CIs reguladores? 4) Quais as duas famílias de CIs reguladores mais utilizadas? 5) Projete uma fonte de tensão estabilizada de 9V-300mA com chave liga/desliga, fusível e led indicador. 6) Redimensione a fonte da questão anterior para uma corrente de saída de 600mA. 7) Qual a função do Resistor Surto? 8) Qual a função do dissipador de calor? 9) Como é produzida a luz em um led? 10) Projete uma fonte simétrica estabilizada de +5V /-5V – 400mA com chave liga/desliga, fusível e led indicador.

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