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ELETRÔNICA Central de Treinamento e Aperfeiçoamento em Eletrônica O Ensino Definitivo www.ctaeletronica.com.br Apostila Eletroeletrônica MÓDULO 2 É de fundamental importância que você tenha obtido no módulo 1, aproveitamento igual ou superior a 80%, para que este módulo transcorra sem muitas dificuldades. Mas, caso não tenha obtido, converse com um dos nossos atendentes, seja pessoalmente ou por e-mail, para falar um pouco de suas dificuldades. Normalmente, quando o aluno tem um aproveitamento abaixo de 80%, foi devido a pouco tempo para feitura dos blocos, ou por estar enfrentando muitos problemas de relacionamento, seja em seu lar, ou trabalho. Ter prioridades na vida, são fundamentais para que tenhamos equilíbrio emocional e possamos fazer decolar nossas carreiras profissionais. Aconselhamos revisar suas prioridades de vida. Parabéns, pois você está iniciando o módulo 2 de um curso que vai fazer diferença em sua vida. Lembramos que muitas coisas podem ser deixadas de lado, para que o tempo de estudos e principalmente com os blocos seja ampliado: televisão, computador, internet, diversão. É claro que, o equilíbrio emocional é importante para o estudo, e este equilíbrio somente pode ser alcançado no relacionamento com pessoas. Assim, é importantíssimo aumentar seu tempo com a família (não na frente da televisão), mas conversando, saindo, divertindo-se juntos. Se você não é casado, dedique grande tempo aos pais. Evite baladas e principalmente relacionamentos decorrentes disto. O tempo do namoro também deve ser reduzido. Se é casado, sua prioridade agora é esposa e filhos. Mário Pinheiro - Coordenador de Cursos Desta forma, temos certeza que você alcançará o sucesso tão esperado, de uma formação técnica de alto nível. Lembre-se... NÃO SE ALCANÇA GRANDES VITÓRIAS, SEM GRANDES LUTAS E SACRIFÍCIOS!!! Introdução Índice Campo Magnético 7 Reatância Indutiva 10 AULA 1 7 Indutância 9 Indutor em corrente contínua 12 Dimensionamento com indutores 13 Vários exercícios com indutores 13 AULA 2 19 Associação de indutores 20 Associação série e paralelo 20 Capacitor em corrente alternada 22 A corrente no capacitor 25 Reatância capacitiva 28 Circuitos com capacitores 29 AULA 3 31 O que faz o filtro 31 Indutor em corrente alternada 19 Filtro Passa baixa - LPF 32 AULA 10 101 Análise de defeitos com 3 transis. 123 Cortado - Saturado - média polar. 110 Montagem prática - o detector 119 Montagem prática com defeitos 129 Tensões de coletor no classe A 134 AULA 15 149 A polarização driver 115 Resistência interna classe A 134 O acionamento via LDR 116 AULA 11 113 Várias aplicações para o transistor 141 Fontes ajustáveis maior corrente 157 Análise de defeitos em estabilizadas159 Polarização estável para a base 135 Dimensionamento de reguladores 146 Fonte negativa 144 Diodo LED 101 Análise do kit prático M1-2 152 Respostas dos defeitos M1-2 156 Defeitos no TBJ 120 AULA 14 141 Transistor - funcionamento 103 O transistor excitando um relé 114 Desenvolvimento de luz automática 113 Respostas dos defeitos na montagem Amplificador classe A 133 Exercícios propostos 151 Aplicações do transistor 111 Polarização - testes práticos 106 Falta de corrente para polarização 117 Comentários dos defeitos - 3 transis.125 AULA 12 123 Polarização - visão básica e teórica 109 Polarização de base para o PNP 137 Análise de defeitos em classe A 138 AULA 13 133 Prática 130 Transistor regulador de tensão 142 Análise de defeitos em reguladores 149 Respostas dos exercícios propostos 151 Realimentação negativa 152 Análise de defeitos com o M1-2 155 AULA 16 157 Pré-polarização do zener 158 4 exercícios com fonte de maior I 162 Respostas dos exercícios 162 Respostas dos exercícios 159 Características físicas dos diodos 58 Circuito grampeador 81 Filtro Rejeita Faixa (TRAP) 40 Filtro Passa Alta - HPF 33 Relação de espiras 48 Ligações de transformadores na Retificação em onda completa 78 exercícios com retificação - 3 87 Exercícios resolvidos 53 Semicondutores 55 Filtro Passa Banda (BPF) 37 Dopagem de semicondutores dos Tipos de transformadores 45 Diodos em corrente contínua 60 Análise de defeitos paralelo 68 Exercícios propostos 70 Frequência de corte 35 Perdas nos transformadores 50 AULA 5 55 Exercícios propostos 65 Funcionamento do transf. 45 Polarização direta e reversa 57 16 exercícios com diodos 74 AULA 6 65 AULA 4 45 Diodo retificador meia-onda 75 Dois tipos 55 rede elétrica 52 Cristal P e cristal N 56 AULA 7 75 Filtragem com capacitor 77 Exercícios 62 Retificador de pico 81 Exercícios de filtros 43 Análise de defeitos com diodos 65 Circuito dobrador de meia-onda 81 Osciloscópios como comprar 83 Osciloscópio analógico e digital 83 PC Scope 84 exercícios com retificação - 1 85 AULA 8 83 Circuito dobrador onda completa 82 exercícios com retificação - 2 86 Exercícios com retificação - 4 88 AULA 9 89 Diodo zener 89 Aplicações com diodos zener´s 90 Análise de tensões com zener´s 91 Exercícios com zener´s 94 Análise de Defeitos com zener´s 96 Exercícios de defeitos com zener´s 98 Tabela de referência 100 K IT ´S P R Á T IC O S D E M Ó D U L O 2 M2-0 KIT PARA MONTAGEM SEMANAL M2-1 INJETOR-PESQUISADOR DE SINAIS 2 resistores 100k ohms 3 resistores 1k ohms 2 resistores 4,7k ohms 1 resistor 8,2k ohms 2 capacitores poliester ou cerâmico 100k 2 capacitor elet. 100uF x 25V ou mais 1 chave liga-desliga H-H mini 2 BC548 ou BC547 1 BC 338-25 1 BC 327-25 4 diodos 1N4148 1 jack para fone de ouvido 1 PCI M2-1 injetor de sinais KIT M2-1 Kit injetor-pesquisador de sinais 1 r e si st o r 2 ,2 o h m s 1 /4 W 2 r e si st o r d e 1 0 0 o h m s 1 /4 W 1 r e si st o r d e 3 3 0 o h m s 1 /4 W 6 r e si st o re s d e 1 k 1 /4 W 2 r e si st o re s 2 ,2 k o h m s 1 /4 W 1 r e si st o r 2 ,7 k o h m s 1 /4 W 1 r e si st o r 4 ,7 k o h m s 1 /4 W 2 r e si st o re s d e 1 0 k 1 /4 W 2 r e si st o re s d e 2 2 k 1 /4 W 2 r e si st o re s d e 1 0 0 k 1 /4 W 1 r e si st o r d e 2 2 0 k 1 /4 W 4 d io d o s 1 N 4 1 4 8 4 d io d o s 1 n 4 0 0 7 1 d io d o z e n e r 4 ,7 V 0 ,5 W ( 1 N 7 5 0 ) 2 d io d o z e n e r 6 ,2 V 0 ,5 W ( 1 N 7 5 3 ) 1 d io d o z e n e r 9 ,1 V 0 ,5 W ( 1 N 7 5 7 ) 1 d io d o z e n e r 1 2 V 0 ,5 W ( 1 N 7 5 0 ) 4 L E D ´s v e rm e lh o o u v e rd e 1 c a p a ci to r p o lie st e r o u c e râ m ic o 1 k 1 c a p a ci to r p o lie st e r o u c e râ m ic o 1 0 k 2 c a p a ci to re s p o lie st e r 1 0 0 k 1 c a p a ci to r p o lie st e r o u c e râ m ic o 2 2 0 k 2 c a p a ci to re s e le tr o lít ic o s d e 2 2 0 u F x 2 5 V 1 r e le 1 2 V 1 0 A ( 5 t e rm in a is ) 1 B C 3 3 7 o u B C 3 3 8 o u B C 3 6 8 1 B C 3 2 7 o u B C 3 2 8 2 B C 5 4 8 2 B C 5 5 8 1 B D 1 3 8 1 L D R d e 5 m m 1 t ra n sf o rm a d o r 1 5 + 1 5 2 A 1 in d u to r co m u m m in i 1 c h a ve H -H 1 p o te n ci ô m e tr o d e 1 0 0 k 1 f u sí ve l 1 A 2 5 0 V 1 r a b ic h o d e f o rç a K IT M 2 -0 K it p a ra m o n ta g e m s e m a n a l 2,2k cortar a placa neste ponto e colocar o diodo zener K IT ´S P R Á T IC O S D E M Ó D U L O 2 1 LED alto brilho 1 resistor 330 ohms 1/4Wrápido e prático de se calcular indutores equivalente é o método utilizado para cálculo de resistores em paralelo. Para exemplificar melhor, vamos pegar um exemplo de 3 “bobinas” em paralelo, como na figura 6: Na figura 6, podemos ver 3 indutores (L1,L2 e L3) ligados em paralelo entre os pontos “A” e “B”; poderíamos utilizar a fórmula indicada na figura 5, mas para melhor compreensão da aplicação do mesmo cálculo utilizado com resistores, vamos aplicar o método de associação de resistores paralelos. Em associação de indutores em paralelo utilizamos o mesmo cálculo de resistores paralelos. Voltando então a figura 6, vamos utilizar o método de resistores paralelos. Primeiro, achamos o indutor equivalente a 2 indutores (L1 e L2). Como L1 e L2 são iguais o indutor equivalente terá a metade do valor de cada indutor então: L = L1/2 = 5uH. O próximo passo, será substituir L na malha paralela, como mostra o circuito do meio da figura 6; como sobraram ainda 2 indutores (L e L3), devemos calcular novamente o indutor equivalente. O indutor de menor indutância é L (5uH) ficando com 1x, e L3 valerá proporcionalmente 4x, totalizando 5x. Agora dividindo o indutor de maior (L3) por 5x, chegando ao valor Leq = 4uH. Para confirmar se o cálculo pela fórmula da figura 5 estaria correto, vamos refazer os cálculos, só que agora aplicando a fórmula: 1/Leq = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3, ficando neste caso com 1/Leq = 1/10 + 1/10 + 1/20 = 1/Leq. Depois de reduzida as frações ao mesmo denominador teremos 1/Leq = 2/20 + 2/20 + 1/20 = 5/20 = 1/Leq. Agora invertendo as frações: Leq/1 = 20/5 = 4uH = Leq. Como observa-se, os 2 métodos de cálculo de indutores em paralelo são equivalentes e chega-se ao mesmo resultado. Queremos aqui novamente salientar que a fórmula da figura 5, também pode ser aplicada a associação de resistores em paralelo, bastando substituir os indutores da fórmula por resistores: 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn A B A B Leq Leq = L1 + L2 + L3 +...+ Ln B A B A L1=10 Hm L3=15mH L2 22mH Leq 47mH L1 L2 L3 L4 Ln B A Leq B A Leq L1 L2 L3 Ln 1 1 1 1 1 + + + +...= B B A A L2 10 Hm L3 20 Hm L3 20 Hm L1 10 Hm L 5 Hm Leq B A Leq 4 Hm figura 3 figura 4 figura 5 figura 6 22 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Baseado nessas conclusões, podemos a partir da tensão gerada pelo gerador (Vg) calcular a forma de onda da tensão “acumulada” no capacitor C1. Vamos chamar essa tensão no capacitor C1 de Vc. Essa tensão deverá ter a forma de onda similar a forma de onda gerada Vg, mas sua amplitude máxima (+Vp) e sua amplitude mínima (-Vp) deverão ser menores que as tensões máxima e mínima do gerador ( + V m a x e - V m i n ) . Vamos considerar a forma de onda da figura 9 , c o m o s e n d o a comparação entre a forma de onda do gerador Vg e a forma de onda no capacitor Vc: Toda tensão alternada, seja senoidal ou não, irá ter essa característica: uma parte do ciclo será positivo, gerando corrente no sentido do gerador à “massa”, e o restante do ciclo será tensão negativa, gerando corrente no sentido da “massa” para o gerador. Inicialmente vamos tomar um circuito formado por um gerador de corrente alternada senoidal, onde vamos ligar um resistor R1 em série com um capacitor C1, conforme a figura 7: A forma de onda de cima corresponde à tensão gerada Vg pelo gerador; T1 corresponde ao tempo inicial quando ligamos o gerador e o capacitor ainda está descarregado; T2 corresponde ao tempo no 1° ciclo em que a tensão Vg atinge a tensão máxima (+Vmax); T3 corresponde ao tempo onde no 1° ciclo a tensão Vg vale zero volt e irá mudar para o ciclo negativo invertendo a tensão; T4 é o tempo onde no 1° ciclo a tensão Vg atinge o máximo negativo (- Vmin) e finalmente T5 é o tempo onde a tensão Vg volta a valer zero volt encerrando o 1° ciclo e recomeçando tudo novamente. CAPACITOR EM CORRENTE ALTERNADA Na apostila de módulo 1, estudamos o capacitor, um componente elétrico que tem a função de armazenar cargas elétricas, mas nosso estudo se limitou a capacitores ligados em tensão contínua. Com isso pudemos verificar que um capacitor ligado a uma tensão contínua irá se carregar com aproximadamente a mesma tensão de alimentação e depois irá permanecer carregado, como se fosse uma bateria, sem permitir que exista corrente circulante por ele; podemos então comparar um capacitor carregado, com uma chave aberta. Nesta figura, podemos observar que o capacitor C1 está em série com o resistor R1 e portanto toda corrente que irá “carregar” o capacitor C1 obrigatoriamente também irá passar por R1. Vamos chamar de Vg, a tensão senoidal gerada por nosso gerador, sendo a forma de onda desta t ensão , v i s t a na figura 8: Como é visto na figura 10, a tensão Vg irá gerar uma corrente I circulante que irá carregar C1 com uma tensão Vc; essa mesma corrente I irá gerar uma queda de tensão Vr sobre R1, então podemos dizer Agora, vamos começar a estudar o comportamento do capacitor quando ligado a uma tensão alternada. Essa tensão gerada se caracteriza por ser uma tensão senoidal e principalmente por ser uma tensão alternada, ou seja numa parte do ciclo ela é positiva, gerando corrente circulante que vai do gerador até a “massa”, passando primeiramente por R1 e depois carregando C1; na outra metade do ciclo ela é negativa, gerando corrente inversa que tem o sentido da “massa” para o gerador, que irá descarregar o capacitor e passar por R1 e finalmente terminando no gerador. A forma de onda de baixo na figura 9, corresponde a tensão Vc no capacitor C1: em T1 temos o instante que é ligado o gerador e a tensão Vc ainda é igual a zero volt, pois o capacitor está descarregado; no instante T2 apesar de ser o pico de tensão no gerador (+Vmax) a tensão no capacitor ainda não é máxima, pois para o capacitor se carregar é necessário que exista uma corrente I que levará as cargas até a placa do capacitor, e essa corrente I quando passar por R1 irá gerar uma queda de tensão Vr sobre R1 então teremos uma tensão sobre C1 (Vc) menor que Vg, como podemos ver na figura 10: R1 C1 GERADOR DE TENSÃO ALTERNADA + - Vg +Vmax -Vmin 0V + -T1 I I T3 T4 T5 I I I T2 Vg + T1 T2 I IVc +Vp +Vp -Vp -T3 T4 T5 I I I -Vp Ta To TfTb R1 C1 I Vg Vc Vr figura 7 figura 8 figura 9 figura 10 23ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Neste primeiro intervalo de T1 a T2 (figura 11): temos no instante T1, o momento que ligamos o gerador e o capacitor C1 está descarregado; a tensão Vg começa a subir e dar início ao semi-ciclo positivo, como C1 está descarregado ele se comporta como um curto, gerando uma corrente I, que passará por R1 carregando C1; na parte de cima com cargas positivas e consequentemente a placa irá atrair elétrons da “massa”, carregando negativamente a placa de baixo. Na figura 13, temos o instante Ta. Neste instante ocorre o primeiro momento em que Vg = Vc; como tínhamos visto na figura anterior a tensão Vg estava começando a cair enquanto Vc continuava a subir, já que Vg ainda era maior que Vc; então no instante Ta, a tensão Vc “alcançou” a mesma amplitude de Vg, não mais criando uma diferença de potencial e com isso a corrente I deixou de existir; este é o instante que a tensão Vc é máxima e a carga do capacitor também é máxima, essa tensão estamos chamando de +Vp e fica claro que esta tensão é menor que +Vmax, como podemos ver no gráfico da figura 9; onde na parte superior comparamos com o máximo da tensão Vg, podemos também verificar que o pico da tensão sobre o capacitor (Ta)está atrasado em relação ao pico da tensão do gerador (T2), este atraso varia de 0° a 90°, dependendo do valor de C1, R1 e da frequência do gerador. Para mais detalhes sobre atraso de tensão e corrente em circuitos capacitivos o aluno pode também pesquisar na internet. Na figura 14 temos o período de Ta a T3: este período corresponde a parte final do semi-ciclo positivo do gerador, onde a tensão Vg ainda é positiva, mas é menor que a amplitude da tensão Vc que Vg = Vc + Vr e portanto, no instante T2, quando Vg for uma tensão máxima, teremos: +Vmax = Vc + Vr; como Vr não é zero volt é correto afirmar que Vc 0 R1 C1 ++ ++ -- -- I = 0 Vc = VpVg = Vp EM Ta figura 11 figura 12 figura 13 figura 14 24 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 15, temos o instante T3: neste instante temos o momento em que a tensão do gerador Vg é igual a zero volt, terminando o semi-ciclo positivo e entrando no semi-ciclo negativo, apesar da tensão Vg ser zero volt a tensão Vc do capacitor ainda é maior que zero, e temos ainda algumas cargas positivas na placa de cima do capacitor e algumas cargas negativas na placa debaixo de C1, como a tensão Vc é maior que Vg a corrente I continua a descarregar o capacitor. do capacitor C1, como a tensão Vg é menor que Vc a corrente I terá o sentido do capacitor para o gerador, começando a descarregar o capacitor C1 e consequentemente a diminuir a carga acumulada nas placas do capacitor. Na figura 18, temos o intervalo de T4 a Tb: em T4 temos o instante que Vg atinge seu ponto máximo de tensão negativa (-Vmin); da mesma forma que em T2, quando Vg atingiu o máximo de tensão positiva, em T4 Vc não irá atingir também a tensão mínima, pois só no instante Tb que o capacitor irá atingir sua carga máxima negativa. Durante todo intervalo de T4 até Tb, do instante de tensão mínima de Vg até a tensão mínima de Vc, a tensão Vc continuará maior que Vg; apesar de Vg estar agora aumentando sua amplitude, que ainda é negativa; com isso a corrente circulante permanecerá com sentido do capacitor para o gerador, continuando a carregar negativamente a placa superior do capacitor, só que agora o capacitor está com sua carga quase completa e a corrente I agora tem um valor pequeno. Na figura 19, temos o instante Tb: neste instante ocorre o segundo e último momento do ciclo em que Vg = Vc. Como tínhamos visto na figura anterior a tensão Vg estava começando a subir enquanto Vc continuava a cair, já que Vg ainda era menor que Vc; então no instante Tb a tensão Vc “alcançou” a Na figura 16, temos o instante To: neste instante temos o momento em que a tensão do capacitor Vc é igual a zero volt, ou seja ele está completamente descarregado; na figura anterior (figura 9) vimos que o capacitor tinha ainda uma tensão positiva, mas continuava a ser descarregado. Agora, algum tempo depois em To, já temos o capacitor com zero volt; apesar da tensão de Vc ser igual a zero a tensão Vg do gerador agora é negativa. Estamos no início do semi-ciclo negativo, com isso, a corrente circulante será diferente de zero e continuará a ter o sentido do capacitor para o gerador; como o capacitor já está completamente descarregado, ele começará agora a ser carregado com carga invertida ou seja negativo na placa de cima (ganhando elétrons) e positivo na placa debaixo (perdendo elétrons). Na figura 17, ficamos com o período de T0 a T4: neste intervalo de tempo, como já tínhamos falado anteriormente, haverá a carga invertida do capacitor, onde os elétrons do gerador serão atraídos pela placa de cima do capacitor, acumulando cargas negativas, já os elétrons da placa de baixo, serão repelidos pelo campo negativo da placa de cima e irão para a “massa” deixando a placa de baixo com uma carga positiva, de mesmo valor absoluto da carga da placa de cima; a corrente continuará a carregar ainda mais negativamente o capacitor C1, fazendo com que a tensão Vc, seja cada vez mais negativa, apesar de ainda ser maior que a tensão Vg. R1 C1 + + - - I EM T3 Vg=0 Vc>0 R1 C1 I EM To Vgcapacitor, que irá continuar a descarregar o capacitor C1. A partir deste instante, o ciclo do gerador se repete - começando tudo de novo – apesar disso, o ciclo do capacitor ainda não terminou. Estas perguntas não são muito fáceis de serem respondidas, pois para podermos realmente saber o valor da corrente alternada em circuitos capacitivos precisaríamos recorrer a fórmulas complexas, utilizando números imaginários e Na figura 22, temos o instante Tf: este instante, é o instante final do ciclo de carga e descarga do capacitor C1, neste instante o capacitor C1 volta a f i c a r c o m p l e t a m e n t e d e s c a r r e g a d o e consequentemente a tensão Vc será igual a zero volt; com isto, termina o 1° ciclo de Vc e começa o 2° ciclo, se repetindo todas as passagens aqui estudadas. Como o ciclo de tensão alternada do capacitor está atrasado em relação ao ciclo de tensão alternada do gerador, a tensão Vg do gerador já é positiva enquanto a tensão Vc ainda é zero volt. Com isso, a corrente continuará no sentido do gerador para o capacitor, começando agora uma nova carga (positiva) do capacitor, recomeçando tudo de novo. No começo deste capítulo, vimos como o capacitor se carrega e descarrega num circuito de corrente alternada. Vimos também, como se comporta a tensão alternada sobre o capacitor; mas como será que a corrente se comporta neste circuito? qual será seu valor? I = 0 Vc = -VpVg = -Vp R1 C1 ++ ++ -- -- EM Tb R1 C1 ++ ++ -- -- I ENTRE Tb e T5 R1 C1 + + - - I EM T5 Vg=0 Vc0 Vc=0 figura 19 figura 20 figura 21 figura 22 26 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Nesta figura, podemos ver que o circuito é o mesmo da figura 7, apenas que o resistor R1 trocou de posição com o capacitor C1, mas o circuito continua sendo um circuito série ligado a um gerador de tensão alternada senoidal, e portanto as formas de onda no gerador (Vg) e a forma de onda sobre C1 (Vc) serão as mesmas estudadas no começo deste capítulo que foram detalhadas passo a passo. Como as tensões envolvidas neste circuito são as mesmas da figura 7, fica óbvio que o gráfico das tensões mostrado na figura 9, deverá ser o mesmo para este circuito da figura 23; então vamos repeti- lo na figura 25, acrescentando a queda de tensão sobre R1, que chamamos de Vr. Os pontos marcados pelos instantes T1, T2, T3, T4, T5, Ta e Tb são os mesmos da figura 03 e poderão ser comparados aos estudados no início deste capítulo, como mostra a figura 25: Em primeiro lugar vamos ver como ficam as tensões neste circuito com o surgimento da corrente I, devido a diferença de potencial criada pelo gerador: vetores do campo dos números complexos, chamados de fasor. Nosso curso, não pretende entrar em fórmulas matemáticas complicadas e nem aprofundar-se em teorias da física. Portanto, tentaremos responder essas perguntas utilizando a lógica e conceitos da eletrônica prática já estudados em nossos cursos. Em primeiro lugar, vamos alterar o circuito estudado no começo desse capítulo mostrado na figura 7, para isso iremos apenas alterar o posicionamento do capacitor C1 em relação ao resistor R1, como mostra a figura 23: Inicialmente, o capacitor está descarregado, e a queda de tensão sobre R1 (Vr) é igual a zero volt. Quando o gerador começa seu ciclo positivo, a tensão na placa esquerda do capacitor que está ligada diretamente no gerador, fica positiva, atraindo elétrons para a placa direita do capacitor. Esses elétrons sairão da “massa” e passarão por R1 chegando até a placa direita do capacitor criando assim uma corrente circulante com sentido do capacitor para a “massa”. Essa corrente passa por R1, criando sobre o mesmo, uma queda de tensão que vamos chamar de Vr; com isso o capacitor C1 começará a se carregar gerando uma tensão Vc sobre ele. Neste gráfico, temos primeiramente em cima, a forma de onda do gerador, identificado como a tensão Vg; nele podemos ver o instante inicial T1, onde o gerador foi ligado e começando sua tensão a subir, dando início ao semi-ciclo positivo, atingindo o máximo de sua tensão em T2; a partir deste instante Vg começa a cair, até atingir zero volt em T3, terminando assim o semi-ciclo positivo e começando o semi-ciclo negativo. Vg continua caindo, até em T4 atingir a tensão mínima invertendo o decréscimo e começando novamente a aumentar seu valor; até T5 onde Vg volta a valer zero volt e terminando um ciclo completo, para a partir daí recomeçar outro ciclo e assim se repetir indefinidamente. No centro, temos a forma de onda da tensão Vc, que é a tensão sobre o capacitor C1. Em T1, Vc tem o mesmo valor de Vg, devido ao circuito ser ligado neste instante. A partir deste momento a tensão Vc passa a estar defasada de Vg em um ângulo que pode variar de 0° até 90°, dependendo dos valores de C1, R1 e da frequência de Vg. Com o circuito da figura 1, já pudemos analisar detalhadamente a carga de C1 de T1 a Ta, onde Vc atinge seu ponto máximo, e depois a descarga de C1 de Ta até To, onde Vc volta a ficar com zero volt; e a partir daí começa a carga negativa de C1 até em Tb a tensão Vc atingir seu pico mínimo de tensão, e depois voltar a se descarregar, fechando assim seu R1 C1 GERADOR DE TENSÃO ALTERNADA R1 C1 I Vg Vr Vc + + + -T1 I I T3 T4 T5 I I I T2 Vg T1 T3 T4 T5 T2 Vr + T1 T2 I IVc +Vp +Vp -Vp -T3 T4 T5 I I I -Vp Ta TbTo figura 23 figura 24 figura 25 27ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Nesta figura, podemos ver a corrente Ir que é proporcional a Vr de acordo com a Lei de Ohm: Na figura 28, podemos ver o que acontece no ciclo positivo do gerador onde Vg>0; como a tensão Vg é positiva irá atrair os elétrons da placa esquerda do capacitor, que está ligada diretamente ao terminal positivo do gerador, criando uma corrente no sentido do gerador para o capacitor; os elétrons por sua vez serão arrancados da placa esquerda indo para dentro do gerador, deixando a placa esquerda com falta de elétrons e consequentemente V = R x I e I = V / R, então Ir = Vr / R1 Nesta figura, podemos ver o gerador fornecendo uma tensão alternada, que provocará a circulação de uma corrente pelo circuito série formado por C1 e R1, como Vg é uma tensão é senoidal, tudo nos faz acreditar que a corrente circulante pelo circuito também deverá ser senoidal. No ciclo positivo de Vg, essa corrente circulante sairá do gerador e “passará” pelo capacitor C1, produzindo uma queda de tensão Vc sobre C1 e depois passará por R1, produzindo outra queda de tensão Vr sobre R1 e finalmente terminará na “massa” fechando o caminho no outro polo do gerador (que também está ligado a “massa”). As tensões Vc e Vr deverão serem proporcionais (não necessariamente linear) a C1 e R1 respectivamente, e terem formas senoidais como o gerador (podem estar defasadas até 90° de Vg). primeiro ciclo, até um pouco depois de T5. Finalmente na parte de baixo, temos Vr que é a tensão sobre R1; para chegarmos a tensão Vr, bastou apenas usar um pouco de lógica, já que a tensão total do circuito é Vg, podemos dizer que Vg = Vc + Vr, então Vr = Vg – Vc; como temos as tensões Vg e Vc no gráfico da figura 3, bastou subtrair pontualmente Vc de Vg para encontrarmos os valores de Vr, como é mostrado no gráfico da figura 25. Com isso, temos bem definidos as tensões do circuito, e agora podemos começar a pensar nas correntes. A primeira ideia, é de aplicar a Lei de Ohm para as tensões do circuito e assim encontrarmos as correntes circulantes; mas isso não será possível, já que a Lei de Ohm só pode ser aplicada a circuitos e/ou componenteslineares; e o capacitor não é um componente que tem um comportamento linear entre corrente e tensão, sendo somente o resistor. Com isso, se conseguirmos encontrar a tensão sobre R1 (como é o caso), podemos aplicar a Lei de Ohm para essa tensão e encontrar a corrente circulante por R1; podemos então, a partir da forma de onda da tensão Vr na figura 25, acharmos a corrente circulante por R1, como mostra a figura 26: Primeiro, vamos voltar ao nosso circuito como mostra a figura 27: Agora que já sabemos as tensões do circuito e temos a noção de algumas correntes envolvidas nele, podemos tentar resumir e entender o que está acontecendo num circuito capacitivo. Essas conclusões são verdadeiras, mas parte dessas afirmações são “modelos virtuais” criados para nossa mente compreender o que está ocorrendo macroscopicamente, apesar de não coincidir com a verdade microscópica; esse “modelo” funciona perfeitamente, e por isso passaremos a usá-lo para entender a corrente circulante pelo capacitor. Olhando para o circuito da figura 27, podemos afirmar que a corrente circulante no circuito realmente “passa pelo” capacitor C1, mas na realidade isso não acontece como veremos a seguir: T1 T3 T4 T5 T2 Ir T1 T3 T4 T5 T2 Vr Ta Tb R1 C1 Ic Ir Vg Vr Vc figura 26 figura 27 R1 C1 I ----- - - - + + + + Vg>0 figura 28 28 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 carregando a mesma com uma carga positiva. Já na figura 29, podemos ver a continuação do efeito da tensão do gerador sobre o circuito; como a placa esquerda do capacitor ficou carregada com cargas positivas (falta de elétrons), essas cargas começaram a atrair elétrons da “massa” carregando a placa direita com carga negativa (excesso de elétrons), gerando uma corrente, que agora que irá da placa direita até a “massa”; esta corrente terá o mesmo sentido e mesmo valor da corrente anterior, já que as cargas positiva e negativa acumuladas no capacitor terão o mesmo valor, mas de sinais opostos; como as duas correntes ocorrem ao mesmo tempo, nos dá a impressão que a corrente que sai do gerador “passa” por C1 e depois por R1 e termina na “massa”, como mostra a figura 30. Nessa figura, vemos a corrente que esta “passando por C1”; apesar dessa afirmação não ser verdadeira (macroscopicamente tudo se passa como se isso fosse verdade), é assim que a partir de agora iremos representar o capacitor em circuitos de corrente alternada. Então o capacitor será um componente que em corrente contínua é uma chave aberta e em corrente alternada se comporta como um “resistor”, cujo valor dependerá da frequência da tensão alternada. Mas devemos novamente lembrar que para cálculos de tensão e corrente em capacitores não podemos aplicar a lei de Ohm. REATÂNCIA CAPACITIVA No início da apostila nós estudamos os indutores e também algumas de suas propriedades. Podemos destacar então a reatância indutiva, que é uma propriedade parecida com a resistência elétrica, onde a reatância de um indutor é a propriedade da “bobina” se opor a passagem ou variação da corrente elétrica. Nos capacitores, nós também verificamos que em corrente alternada, de certa forma, os capacitores também podem se opor mais ou menos a corrente elétrica, pelo menos é o efeito que ele proporciona. Devido a esse fato concreto, podemos também definir para os capacitores uma reatância CAPACITIVA, só que neste caso, não é uma propriedade que o componente tem para se opor a corrente elétrica e sim uma propriedade para se opor à variação da tensão elétrica. Podemos então definir a reatância capacitiva como sendo a oposição a variação de tensão, criada nos capacitores ou nos circuitos que possuem efeitos capacitivos. A reatância capacitiva é medida em ohms e resumidamente pode ser comparada a uma resistência criada pelo capacitor, quando este é submetido a uma variação de tensão. A reatância capacit iva é inversamente proporcional a frequência da variação de tensão e a capacitância, ou seja, se aumentarmos a frequência ou a capacitância, diminuiremos a reatância capacitiva, como mostra a sua fórmula: Nesta fórmula temos: Podemos exemplificar esta fórmula, aplicando-a num circuito eletrônico, formado por um capacitor de 3,3mF, ligado a uma fonte de corrente senoidal alternada de 10kHz , teremos então: Portanto um capacitor de 3,3 mF ligado a uma fonte alternada de 10kHz se comporta como uma resistência de 5W. XC : Reatância capacitiva medida em W (ohm) p : Constante que vale 3,141592654... Agora se aumentarmos a frequência dessa fonte Então: XC = = = 5 W = XC f : Frequência medida em Hz (Hertz) C : Capacitância medida em F (farad) 2.p.f.C = 2 x 3,14 x 10000 x 0,0000033 = 0,2 Por esta fórmula, teremos que quanto maior a frequência da tensão elétrica menor será a reatância e também, quanto maior for o valor da capacitância do capacitor em questão, menor será a reatância. O valor resultante desta fórmula será o valor da reatância capacitiva medida em ohms (ômega), desde que sejam obedecidas as unidades da frequência em hertz e a capacitância em farad. 1 2.p.f.C 1 0,2 R1 C1 I + + + + Vg>0 - - - - R1 C1 I Vg Vr Vc figura 29 figura 30 1 2.p.f.C 29ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Vrms = XC x Irms e Irms = Vrms / XC XC = 1 / (2 x 3,14 x 100 x 0,000000001) = 1,6MW Voltamos a lembrar que essa relação só vale para circuitos formado exclusivamente por indutores ou no outro caso, por capacitores, como já tínhamos estudado nos circuitos formados por indutores. Irms = Vrms / XC = 10V / 1,6MW = 6,25 mA XC= Depois de relembrar todas estas considerações, podemos finalmente calcular a corrente eficaz do circuito da figura 31: então: XC = 7,3W. CIRCUITOS SÓ COM CAPACITORES alternada, i remos diminuir o valor dessa “resistência equivalente” do nosso capacitor; e caso diminuirmos a frequência dessa fonte, iremos opostamente aumentar o valor dessa “resistência” obtendo então praticamente uma chave aberta para frequências muito baixas. Primeiro vamos voltar a fórmula da reatância capacitiva (XC), então teremos: XC = 1 / (2.p.f.C), portanto a reatância XC, dependerá inversamente da frequência da variação de tensão do circuito. Isso implica que a reatância tenderá a zero quando a frequência for muito alta, é como se fosse um resistor de baixo valor; se a nossa tensão alternada for de baixa frequência (60 Hz por exemplo), o capacitor funcionará como um resistor de alto valor (1MW, por exemplo), agora para as média frequências (1kHz por exemplo), o capacitor funcionará agora como um resistor de médio valor (de 1kW a 10kW, dependendo da capacitância). Similarmente como fizemos com os indutores, podemos analisar circuitos eletrônicos compostos apenas por uma fonte alternada e capacitores. Na figura 31a, temos um circuito com uma tensão alternada de 10Vrms e uma frequência de 100Hz, onde está ligada apenas um capacitor de 1nF (nanofarad). Como a frequência é baixa, podemos concluir que o capacitor irá se comportar como um resistor de alto valor. Para comprovarmos isso, vamos pegar a fórmula da reatância capacitiva e calcular o valor da reatância que irá se opor a variação de tensão: XC = 1 / (2.p. f. C) Portanto, o valor da reatância capacitiva de C1, num circuito de corrente alternada de 100Hz, será de 1,6MW �. Vamos agora calcular a corrente “média”, ou seja, eficaz (Irms) do circuito. Devemos primeiramente lembrar que os capacitores, não são componentes lineares, significando que a tensão, a corrente e suas resistências (ou reatância) não são proporcionais entre si (nem inversamente proporcionais);portanto a lei de Ohm não pode ser aplicada a estes componentes. Contudo, em circuitos “exclusivamente” compostos por capacitores, sem indutores e sem resistores, existe uma lei básica, derivada da lei de Ohm, que pode ser aplicada a estes circuitos e somente neste caso, iremos aplicar a lei de Ohm, trocando a resistência elétrica (R) pela reatância capacitiva (XC), ficando com a seguinte relação: Pronto, já temos agora a corrente eficaz (Irms) do circuito da figura 31, que é formado por um gerador de tensão senoidal de 10Vrms e 100Hz de frequência que está ligado a um capacitor de 1nF, gerando uma corrente alternada de 6,25 mA. Devido a reatância capacitiva desse capacitor valer 1,6MW (na frequência de 100Hz). Vamos pegar um segundo exemplo com um circuito similar ao da figura 31, mas alterando a frequência do gerador e a capacitância de C1: XC = Neste segundo circuito (figura 32), temos do lado esquerdo, figura 32a, praticamente o mesmo circuito da figura 33a, então podemos substituir o capacitor C1 por sua reatância capacitiva XC, que neste caso poderá ser calculada como: Já na figura 32b, temos o circuito da figura 32a, substituindo o capacitor C1 pela sua reatância XC, neste caso também podemos aplicar a fórmula da “nova lei de Ohm” para circuitos capacitivos, onde teremos: Irms = Vrms / XC = 10 / 7,3 = 1,4 A 1 2.p.f.C C1 22nF GERADOR 10Vrms 1MHz GERADOR 10Vrms 1MHz XC 7,3W C1 1nF GERADOR 10Vrms 100Hz GERADOR 10Vrms 100Hz XC 1,6MW figura 31a figura 31b figura 32a figura 32b 1 2 x 3,14 x 1.000.000 x 0,000000022 30 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 CONCLUSÃO Para tensões alternadas de baixa frequência, a reatância capacitiva dos capacitores será equivalente a resistores de alto valor, quase não se opondo as variação das tensões do circuito, gerando correntes baixas (conforme exemplo da figura 31). Já com os capacitores a relação é inversa. A reatância capacitiva é a propriedade dos capacitores se oporem a variação da tensão elétrica, quanto maior for a frequência da tensão alternada menor será a reatância, fazendo o capacitor se comportar como um resistor de baixo valor; o mesmo também ocorre com a capacitância, pois quanto maior o valor do capacitor menor será o valor da reatância capacitiva. Portanto, o capacitor C1 produzirá uma corrente eficaz de 1,4 A, quando ligada a um gerador de tensão alternada de 10Vrms com 1MHz de frequência. Os capacitores, em circuitos de corrente alternada, farão oposição às variações de tensão do circuito, de acordo com suas reatâncias capacitivas, cujos valores dependerão da capacitância desses capacitores, e principalmente das frequências das tensões aplicadas a eles. Já para tensões alternadas de alta frequência, a reatância capacitiva dos capacitores será equivalente a resistores de baixo valor, fazendo grande oposição a variação da tensão do circuito, gerando altas correntes elétricas, como é observado no exemplo da figura 32. Cabe aqui fazer um breve resumo das reatâncias indutivas e capacitivas: A reatância indutiva é a propriedade dos indutores se oporem à variação de corrente. Quanto maior a frequência da corrente alternada, maior será a reatância indutiva, e maior será a oposição a corrente elétrica, fazendo o indutor se comportar como um resistor de alto valor. O mesmo ocorre com o aumento da indutância, quanto maior seu valor maior será a reatância. Para frequências baixas ocorrerá o inverso. A esquerda vemos em (A) o campo eletromagnético criado no indutor; em (B) mais espiras em um indutor de ar. Finalmente em (C), vemos o mesmo indutor de (B) com um núcleo, Acima vemos mini-indutores feitos para soldagem SMD. Ao lado direito, vemos mini-indutores no formato de resistores, para soldagem convencional. www.eletronica24h.com.br/.../index.htm www.uel.br/cce/fisica/docentes/.../d6_atividade4_b2b0ce14.pdf www.lee.eng.uerj.br/downloads/graduacao/.../eletricidade4.pdf Pesquisas para serem feitas na internet: http://agentsmith.powerlinux.com.br/capacitores.htm www.teixeira.eti.br/.../1_2_resist_pot_capac.html Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-05 à M2-08. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 31ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 3 FILTROS LPF HPF BPF TRAP As interferências entre sinais Filtro Passa-baixa LPF e passa-alta HPF Frequência de corte - Filtro passa-banda BPF Filtro Rejeita-faixa - TRAP FILTROS Antes de continuarmos falando de filtros, cabe aqui explicar o que é um sinal elétrico. Os filtros são circuitos eletrônicos, que tem a função de separar parte de um sinal para poder eliminar ruídos ou separar informações presentes num mesmo sinal. Para que essas informações sejam propagadas dentro de um circuito eletrônico, será necessário que sejam transformadas em sinais elétricos, que no caso dos circuitos que estamos estudando, nada mais são do que variações de tensão ou corrente, que trazem em suas variações, as informações que queremos transmitir. Podemos dar como exemplo uma música, cujo som (energia mecânica), é transmitido pelo ar e é captado pelo microfone. Neste, as variações mecânicas do ar movimentam uma pequena membrana que possui uma bobina que se movimenta com esta. Esta bobina por sua vez, está sofrendo o efeito de um campo magnético de um imã fixo, sendo que desta forma, nos terminais da bobina é gerada uma variação de tensão. Essa variação de tensão, irá até um circuito eletrônico que amplificará essas pequenas variações de tensão do microfone. Esses sinais elétricos, além de serem propagados por cabos e antenas, devem ser processados por circuitos eletrônicos, antes de tornarem-se imagem ou som, que na realidade são estímulos mecânicos ou elétricos do nosso corpo. Essa tensão variará de acordo com as variações mecânicas captadas pelo microfone, que correspondem eletricamente agora, às informações da música. Neste exemplo, pudemos ter uma noção do que é um sinal elétrico, e também da importância das tensões ou correntes elétricas, presentes nos circuitos que formam os aparelhos de rádio e televisão. A partir destas tensões ou correntes, os sinais elétricos são propagados, levando todas as informações necessárias para produzir uma imagem ou um som, ou ainda transferir dados, dentro ou fora dos equipamentos. Voltando aos filtros, podemos dizer que terão como função, separar parte dos sinais elétricos que não são desejados, ou pelo contrário, separar justamente somente uma frequência que interessa, jogando fora o restante do sinal. Podemos dar como exemplo, a figura ao lado, onde em “A” um sinal representado por uma corrente alternada, que leva em suas variações uma música; o circuito eletrônico que forma o amplificador é alimentado por uma fonte ligada a rede elétrica, que mesmo reti f icada, leva pequenas variações de 60 Hz, que é a frequência da rede (B); e s s a s v a r i a ç õ e s s e r ã o introduzidas junto com o sinal no ampl i f i cador, a l te rando as variações de tensão-corrente a l t e rnada , que ago ra t em também, variações de 60Hz (C); Essas variações vão sendo amplificadas, até que chegamos a saída do amplificador de potência, responsável pela excitação das caixas acústicas através de uma corrente alternada (nestaetapa torna-se mais importante a corrente do que a tensão). Esta criará um campo magnético fazendo o cone do alto-falante “vibrar” com as mesmas frequências da corrente alternada, recriando o som através de ondas mecânicas pela “vibração” do ar. No nosso dia-a-dia muitas vezes queremos transmitir informações, ouvir uma música ou assistir televisão. Para que isso seja possível será necessário transmitir e receber sinais elétricos, via transmissão do ar ou contidos em mídias como discos ou memórias, ou ainda, por linhas de transmissão, como o telefone ou TV a cabo. A B C 32 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 elas serão ouvidas pelo usuário como ruídos de baixa frequência: “zoooooommmmmm”. Então podemos fazer esse sinal passar por um filtro, que irá eliminar as frequências de 60Hz do sinal e com isso, eliminar os ruídos de baixa frequência da música. Os filtros podem ser divididos em duas classes distintas: os filtros ativos e os filtros passivos. Os filtros ativos são formados por circuitos eletrônicos que possuem fonte de alimentação e com isso podem alterar os sinais processados por eles, separando frequências e alterando as amplitudes das tensões e até modificando sua potências através de diodos, transistores, etc; estes componentes irão interagir diretamente com os sinais. Esse filtros chamados “ativos”, serão estudados nos próximos módulos e não serão explanados neste módulo 2. Os filtros passivos, foco deste nosso estudo, são circuitos elétricos formados basicamente por resistores, capacitores e indutores; não possuem fonte de alimentação como nos filtros ativos, e apesar de interagir com os sinais, sua função como o próprio nome diz é passiva e dependendo exclusivamente dos sinais que passam por eles. São basicamente 4 filtros distintos e suas funções se limitam a separar uma faixa de frequência dos sinais elétricos, normalmente atenuando ou eliminando determinadas faixas de frequências. Com uma frequência baixa, a reatância do capacitor (XC) é de alta “resistência”, deixando o sinal passar praticamente sem perdas de nível. Seria a mesma coisa que dizer que temos dois resistores em série, sendo R1 de valor muitas vezes menor do que o resistor XC; logo, todo o sinal da entrada ou “tensão” ficaria sobre XC e passaria para o circuito à frente. O filtro passa-baixa ou LPF (Low Pass Filter), como o próprio nome já diz, tem a finalidade de deixar passar as baixas frequências e eliminar as altas frequências. A seguir, mostraremos 2 filtros passa- baixa. Para entender como isso se processa, na figura 1 podemos substituir o capacitor C1 por um resistor variável que representa a reatância capacitiva de C1, que varia seu valor de acordo com a frequência de entrada (IN), como mostra a figura 3. Conforme a frequência vai aumentando, a reatância ou “resistência” do capacitor vai diminuindo, fazendo com que o valor de XC diminua, até virar praticamente um curto, reduzindo assim, o nível do sinal até este sumir. Novamente temos R1 em série com XC, mas agora XC possui uma resistência muito baixa. Isto significa dizer que toda a tensão A figura 1, mostra o primeiro filtro LPF, que consta de um resistor ligado serialmente a um capacitor, se considerarmos o caminho para a massa ou terra. No lado esquerdo do resistor (figura 1), temos um sinal sendo produzido por um gerador de frequência variável. No gráfico da figura 3, na parte de cima, temos o sinal de entrada do filtro. Inicialmente a frequência é baixa, começando com poucos hertz e depois vai aumentando até 1MHz. No sinal de saída (figura de baixo), temos o resultado desta variação de frequência que passa pelo filtro, ou seja, nas frequência baixas o nível do sinal é alto (entre o resistor e o capacitor), enquanto que com o aumento da frequência este vai perdendo nível, até atingir zero V de amplitude. FILTRO PASSA BAIXA (LPF) OUTIN C1 R1 GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUTIN R1 GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL XC IN 0Hz 20Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz OUT figura 1 figura 2 figura 3 33ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Assim, podemos esboçar um gráfico que represente o funcionamento das saídas OUT (entre os resistores) dos filtros LPF, onde é apresentado na figura 6: O filtro passa-alta, chamado de HPF (High Pass Filter) terá finalidade contrária do LPF, ou seja, seu objetivo será o de eliminar as baixas frequências e deixar passar as altas frequências. Também neste caso, mostraremos dois tipos de filtros HPF: No gráfico, a linha horizontal indica a frequência aumentando da esquerda para a direita e a linha vertical representa o nível do sinal (amplitude na saída) aumentando de baixo para cima. Com uma frequência baixa, a saída (OUT) do filtro LPF, tem um nível alto, representando quase 100% da amplitude do sinal de entrada (IN). A medida em que a frequência aumenta o nível de saída (OUT) do filtro LPF vai sendo reduzido, até chegar próximo de zero volt (frequências altas). cairá sobre R1, sendo que sobre XC, praticamente a tensão é de zero volt (mesma análise para o sinal). Na figura 4, temos um segundo tipo de LPF, que é formado por um indutor ligado serialmente a um resistor. Para este circuito, também podemos aplicar o gráfico da figura 3, que vale para todos filtros LPF. Na figura 7, temos o primeiro filtro HPF, que é formado por um capacitor em série com um resistor ligado a “massa”, só que agora é o capacitor que irá acoplar o sinal para frente; o sinal na entrada provem de um gerador de frequência variável. Baseando-se na figura 7, podemos substituir o capacitor C1, por um resistor variável, que representa a reatância capacitiva de C1, que varia seu valor de acordo com a frequência de entrada (IN), como mostra a figura 9. A reatância XL do indutor, terá resistência de baixo valor nas frequências baixas, deixando o sinal passar quase sem perder amplitude; aumentando a frequência a reatância XL do indutor aumenta (resistência XL aumenta), reduzindo o sinal de saída (entre os resistores) até atingir um nível próximo a zero volt. FILTRO PASSA-ALTA (HPF) No gráfico da figura 8, no desenho da parte de cima, vemos o sinal de entrada do fi ltro, tendo inicialmente frequência baixa, começando com frequência próxima a zero hertz e depois vai aumentando até 1MHz. No sinal de saída do filtro, após o capacitor (parte de baixo da figura 8), temos o resultado desta variação de frequência, ou seja, nas frequência baixas o nível do sinal é muito baixo, devido a alta reatância ou “resistência” do capacitor (que está em série com R1). Com o aumento da frequência do sinal na entrada do filtro, vai aumentando o nível de saída até atingir quase 100% (alta frequência na entrada). Neste filtro (figura 4), podemos também substituir o indutor por um resistor variável que representa a reatância indutiva XL, que irá variar de acordo com a frequência da entrada IN, como mostra a figura 5: L1 OUTIN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL R1 OUTIN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL R1 XL IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUT C1 R1 NÍVEL FREQÜÊNCIA 100% figura 4 figura 5 figura 6 figura 7 34 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na f igura 10, temos um segundo tipo de HPF, formado por um resistor ligado serialmente a um indutor. Para este circuito, também podemos aplicar o gráfico da figura 8, que vale para todos filtros HPF. Neste filtro (figura 10), podemos substituir o indutor por um resistorvariável, que representará a reatância indutiva XL, que irá variar de acordo com a frequência da entrada IN, como mostra a figura 11: A reatância XL do indutor nas altas frequências, equivale a uma grande resistência, deixando o sinal passar quase sem perda de amplitude; diminuindo a frequência a reatância XL do indutor também diminui, reduzindo o sinal, até este atingir um nível próximo a zero volt, como pode ser acompanhado pelo gráfico da figura 8. Com uma frequência baixa, a reatância do capacitor (XC) é de al ta resistência, não deixando praticamente o sinal p a s s a r . C o n f o r m e a frequência vai aumentando, a reatância do capacitor vai diminuindo, fazendo com que o valor de XC diminua, até virar um curto. Assim, vai aumentando o nível do sinal de saída (OUT) até este atingir 100% do nível do sinal de entrada (IN). A linha horizontal indica a frequência aumentando, da esquerda para a direita, e a linha vertical representa o nível do sinal (amplitude) aumentando de baixo para cima. Com uma frequência baixa, a saída (OUT) do filtro, tem um nível praticamente igual a zero volt, e a medida que a frequência aumenta, o nível de saída (OUT) do filtro HPF vai aumentando até chegar próximo de 100% da amplitude do sinal de entrada (IN) – nas frequências altas. Assim, podemos esboçar um outro gráfico que represente o funcionamento das saídas OUT dos filtros HPF, do mesmo modo que fizemos o gráfico da figura 6 para a saída dos filtros LPF. Este gráfico representa a saída dos filtros HPF, e pode ser visto na figura 12. IN 0Hz 20Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz OUT IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUTR1 XL NÍVEL FREQÜÊNCIA IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUT R1 XC IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUTR1 L1 figura 8 figura 9 figura 11 figura 10 figura 12 35ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Este valor de 70,7 % (ou 0,707) não é exato, ele corresponde ao inverso da raiz quadrada de 2; mas o que importa, é saber que ele corresponde à metade da potência do sinal de entrada. Quando estamos tratando de sinais de áudio, utilizaremos uma escala de medida proporcional logarítmica que é o decibel (dB), escala inventada por uma companhia de telefones, mas que é muito utilizada até os dias de hoje. Para podermos responder a essas perguntas, vamos primeiramente saber qual porcentagem do nível de entrada será admissível para os sinais na saída do filtro. Devemos pensar que um sinal nada mais é que uma determinada tensão que está variando no tempo, gerando quedas de tensão em determinados resistores. Para alguns casos, a frequência de 1kHz (1000 ciclos no segundo) é alta frequência, e para outros casos somente quando ultrapassamos 10MHz (10 milhões de ciclos em um segundo) é que é alta frequência. FREQUÊNCIA DE CORTE (fc) Os filtros LPF e HPF, até agora, não tiveram uma utilidade prática bem definida, já que suas funções básicas, eliminar ou selecionar uma parte das frequências dos sinais elétricos, não foram atendidas, pois tanto o LPF, como o HPF, servem para eliminar uma porção definida da faixa de frequências, não ficando claro o que é baixa ou alta frequência. Por isso, devemos selecionar dentro dos filtros LPF e HPF, a frequência inicial de atuação desse filtro. Essa frequência inicial, que “corta” a atuação do filtro, é chamada de frequência de corte (fc). Nos dias de hoje, se dissermos que um microcomputador possui uma frequência de trabalho de 10MHz, seria considerado lentíssimo; eles normalmente trabalham com frequências acima de 1GHz (1 bilhão de variações/segundo). Mas o que acontece com sinais de 100Hz ou de 1 kHz de frequência? A partir de que ponto da curva ascendente, os sinais poderão ser encontrados na saída? e com que amplitude? 50%? 90%? qual é a frequência de corte desse filtro? O nível, nos gráficos indicados, pode ser medido em tensão, corrente ou até potência e em alguns casos utilizará o decibel. Olhando a figura 12, podemos ver a curva característica da resposta em frequência de um filtro HPF. Sabemos por exemplo, para sinais com uma frequência de 1Hz na entrada do filtro, não teremos praticamente nenhum sinal na saída. Existe no gráfico do filtro uma relação entre a amplitude do sinal de saída do filtro em relação a amplitude do sinal de entrada do filtro. Os sinais de saída cuja amplitude seja menor que 70,7% da amplitude do sinal de entrada, serão excluídos pelo filtro, já que sua potência é muito pequena para este continuar sendo processado pelo circuito. Não vamos entrar em muitos detalhes sobre a escala dB, pois será matéria de módulos posteriores. Por hora, bastará saber que: 0dB equivale a 100% de sinal Podemos então falar que o sinal de saída deverá ter no mínimo -3dB do sinal de entrada, ou 70,7% de sua amplitude de entrada. Na figura 13, temos a curva de resposta em frequência de um filtro LPF, onde podemos destacar a frequência “fc” que é a frequência de corte do filtro, que corresponde a uma amplitude de saída de exatamente 70,7% em relação aos 100% de amplitude do sinal de entrada. Todas as frequências à esquerda de “fc”, que corresponde a área hachurada do gráfico, terão uma amplitude acima de 70% (saída do filtro) e com isso correspondem à faixa de frequência que será selecionada pelo filtro, o restante das frequências, acima de “fc”, serão eliminadas pelo filtro LPF, não totalmente, mais o suficiente para não mais interferirem no processamento do restante do sinal. Vamos pegar agora um outro filtro LPF, com uma fc um pouco maior do que o exemplo da figura 13. -3dB equivale a 70,7% de sinal Baseado nessas considerações, já podemos definir nossa frequência de corte (Fc) dos filtros LPF e HPF, a partir da curva de resposta em frequência. A “fc (frequência de corte) de um filtro, pode ser calculada a partir dos valores dos capacitores e indutores de que é feito o filtro, e são esses valores de capacitância e indutância que fará um filtro ter uma “fc” maior ou menor e com isso selecionar o uso do LPF ou HPF. -6dB equivale a 50% de sinal NÍVEL FREQÜÊNCIA 100% Fc LPF 70,7% 3dB NÍVEL FREQÜÊNCIA 100% Fc LPF 70,7% figura 13 figura 14 36 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 14, temos um outro filtro LPF, onde podemos notar que esta “fc” é maior que a “fc” do filtro da figura 13, mas também corresponde a 70% da amplitude do sinal de entrada (100%). Isto indica que todos os sinais com frequências abaixo da “fc”, passarão pelo LPF indo assim para a saída do filtro, continuando seu processamento pelo circuito. Já, os sinais de frequências abaixo da “fc” serão “bloqueados” pelo LPF, impedindo de saírem do filtro e continuarem presentes no circuito eletrônico. Como a frequência de corte (fc) é maior no filtro LPF, tem uma maior faixa de seleção (área hachurada). Agora, veremos como fica a frequência de corte (fc) de um filtro HPF: Na figura 15, temos a curva de resposta em frequência da saída de um filtro HPF. Nela, podemos destacar a frequência “fc” que é a frequência de corte do filtro. Podemos ver que ela também corresponde a uma amplitude de saída de exatamente 70,7% da amplitude do sinal de entrada, que vale 100%. Todas as frequências à direita de “fc”, que corresponde a área hachurada do gráfico, terão uma amplitude acima de 70% na saída do filtro e com isso, corresponde a faixa de frequência que será selecionada pelo filtro. O restante das frequências, abaixo de “fc” serão eliminadas pelo filtro HPF, não totalmente, mais o suficiente para não mais interferirem no processamento restante do sinal. Vamos agora analisar outrofiltro HPF, com uma “fc” um pouco menor do que o exemplo da figura 15. Na figura 16, temos um filtro que irá abranger uma faixa maior de frequências selecionadas pelo filtro. Vamos pegar um exemplo prático de 2 filtros HPF, para melhor demonstrar a utilidade dos filtros HPF. Na figura 17a temos um filtro HPF, cuja “fc” vale 800Hz (70% da amplitude do sinal de entrada). Pelo gráfico, podemos saber que a amplitude do sinal de entrada neste caso será de 5 volts (equivalente a 100%); para sinais de entrada com 5 volts de amplitude e com frequência de 60 Hz, teremos na saída um sinal de 60Hz, totalmente amortecido, com uma amplitude de apenas 0,8 volt (conforme o gráfico); já os sinais que entrarem no filtro com 5 volts de amplitude e com uma frequência de 1kHz, sairão do filtro com praticamente os mesmo 5 volts de amplitude. Este primeiro filtro (fig. 16a), pode servir para filtrar os ruídos de 60 Hz introduzidos num circuito alimentado pela rede elétrica por exemplo. Na figura 17b, temos um outro filtro HPF cuja “fc” vale agora 5kHz. Neste filtro, se o mesmo sinal de 60 Hz que foi aplicado no anterior, for aplicado neste filtro, ele também será bloqueado, não saindo praticamente nenhum nível de sinal para a saída (zero volt). Já os sinais de frequência de 1kHz, que no filtro anterior passavam sem sofrerem nenhuma redução de amplitude, neste filtro serão atenuados para apenas 0,5 volt de amplitude na saída deste filtro. Agora, os sinais que entrarem no filtro com frequências acima de 5kHz (fc) não serão bloqueados e poderão sair do filtro e serem normalmente processados pelos circuitos posteriores. Como exemplo, sinais com frequência de 10kHz, sairão do filtro praticamente com 100% da amplitude que entraram no filtro. Este segundo filtro, pode ser usado como separador de sinais de Como dissemos, a “fc” de um filtro, é calculada a partir dos valores dos capacitores e indutores de que é feito o filtro, e são esses valores de capacitância e indutância que fará um filtro ter uma “fc” maior ou menor, e com isso selecionar o uso do nosso HPF. FREQÜÊNCIA Fc NÍVEL 100% HPF 70,7% 3dB NÍVEL FREQÜÊNCIA 100% Fc HPF 70,7% HPF Fc Fc 5,0V 5,0V 3,5V 0,8V 3,5V 0,5V 60 601k 1k(Hz) (Hz)10k (800Hz) (5kHz) Fc Fc LPF 5,0V 5,0V 3,5V 3,5V 0V 60 601k 1k(Hz) (Hz) 1,5V 0,8V 10k (800Hz) (5kHz) figura 15 figura 16 figura 17a figura 17b figura 18a figura 18b 37ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 áudio de alta frequência, usados normalmente nos falantes de pequenas dimensões, usados para reprodução dos sinais de áudio de frequências altas ou agudos, chamados de tweeters. Vamos agora, analisar dois exemplos de filtros LPF. Na figura 18a temos um LPF, cuja “fc” também vale 800Hz. Pelo gráfico, sabemos que a amplitude do sinal de entrada será de 5 volts (equivalente a 100%). Para os sinais de entrada com frequência de 60 Hz, teremos na saída do LPF o mesmo sinal sem amor tec imen to , com uma amp l i t ude de aproximadamente 100% (conforme o gráfico); já os sinais que entrarem no filtro, com 5 volts de amplitude e frequência de 1kHz, sofrerão uma atenuação, saindo com apenas 1,5 volts de amplitude. Este primeiro filtro (fig. 18a) é justamente o oposta do filtro HPF da figura 17a; com a mesma “fc”, o LPF bloqueia as frequências que o HPF deixa passar e vice e versa. Nestes exemplos da figura 17, tínhamos apenas a curva de resposta em frequência de saída dos filtros HPF, e não seu circuito elétrico; isso significa, que eles poderiam ser construídos com capacitores ou indutores, conforme os exemplos das figuras 7 ou 10; mas isso não importa, pois para um filtro HPF ou LPF, o que realmente importa, é sua curva de resposta em frequência da saída do filtro. Na figura 18b, temos um outro filtro LPF, cuja “fc” vale agora 5kHz; neste filtro se for aplicado o mesmo sinal de 60 Hz (que foi aplicado no filtro anterior), não será bloqueado, saindo praticamente 100% do nível de entrada. Já os sinais de frequência de 1kHz, que no filtro anterior eram atenuados, neste filtro sairão sem sofrer nenhuma redução de amplitude; já os sinais de 10kHz com 5 volts de amplitude, na entrada do filtro, serão atenuados para apenas 0,8 volt de amplitude (na saída do filtro). Para sinais que entrarem no filtro com frequências abaixo de 5kHz (fc) não serão bloqueados, e sairão do filtro para serem normalmente processados pelos circuitos posteriores. Na figura 21, temos o primeiro filtro BPF. Ele é composto de um capacitor ligado em série com um indutor, e com isso, fechar o circuito à massa através de um resistor. Note que a entrada do filtro, está ligada ao capacitor C1, portanto, o sinal que entrar no filtro deverá passar primeiro por C1 e depois deverá passar também pelo indutor L1, para só depois chegar a saída (OUT). Podemos então O filtro passa-banda ou passa-faixa, chamado de BPF (Band Pass Filter), recebe este nome por deixar passar ou separar uma determinada banda de frequência ou faixa (banda estreita). A banda, sempre estará entre uma frequência um pouco mais baixa e outra um pouco mais alta que a primeira. Apesar de existir muitos filtros passivos BPF, vamos mostrar dois filtros mais comumente usados. A grande diferença deste LPF, em relação ao LPF da figura 18a, é que este, seleciona uma faixa maior de frequências do que o anterior. Este filtro LPF, terá um comportamento oposto do filtro HPF da figura 17b. Na figura 20, temos um sinal de entrada de 5 volts de amplitude com uma frequência de 1kHz. De acordo com a curva da figura 18a na saída desse LPF, teremos um sinal atenuado de mesma frequência, mas com apenas 1,5 volt de amplitude, como mostramos na figura 20, na parte inferior (OUT). Para completar nosso estudo de filtros HPF e LPF vamos comparar dois sinais de entrada de frequências diferentes e através da curva de resposta em frequência da figura 18a chegarmos aos sinais de saída do filtro LPF: FILTRO PASSA-BANDA (BPF) Vamos agora analisar outro sinal de entrada, mostrado na figura 20, e aplicá-lo ao mesmo filtro LPF da figura 18a. Na figura 19 temos na parte de cima (IN) um sinal senoidal de 60 Hz que está entrando no filtro LPF, cuja curva de resposta em frequência é a figura 18a, pelo gráfico podemos ver que as frequências de 60 Hz, não sofrerão atenuações e portanto o sinal de saída terá em torno de 5 volts, como podemos observar na figura 19; o sinal de baixo (OUT) será igual ao de entrada e com a amplitude de 4,7 volts (pouco menor). Terminamos aqui o estudo dos filtros LPF e HPF, bem como sua frequência de corte (Fc). IN OUT 5 volts 4,7 volts 60 Hz IN OUT 5 volts 1,5 volts 1 kHz figura 19 figura20 38 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 23, temos o gráfico das formas de ondas do sinal de entrada (em cima identificado como IN) e a forma de onda do sinal que sai do filtro na parte de baixo (forma de onda indicada como OUT). substituir o capacitor e o indutor por resistores v a r i á v e i s , s e n d o q u e e s t e s r e s i s t o r e s , representarão suas reatâncias. Vamos agora, na figura 24, ver outro filtro BPF. Nesta figura, caso o sinal de entrada seja acoplado diretamente na saída através do resistor R1, a seleção deste filtro será dada pelo capacitor e pelo indutor, ligados paralelamente a saída do filtro e estes ligados à massa. Podemos perceber que, para as baixas frequências, a reatância capacitiva (XC) é alta (resistência alta) e o capacitor se comporta como um resistor de alto valor atenuando o sinal na saída do filtro, o mesmo fenômeno acontece na altas frequências, apesar queneste caso, a reatância XC é baixa, sendo a reatância indutiva (XL), alta, ou seja, o indutor se comporta como um resistor de alto valor. Agora, quando temos na entrada do filtro frequências médias, tanto XL como XC, assumem valores médios e ambos se comportam como resistores de valores médios, atenuando levemente o sinal de entrada, permitindo que o mesmo chegue na saída com níveis “aceitáveis”. Olhando atentamente o gráfico da figura 23, podemos ver que este filtro BPF seleciona uma faixa de frequência intermediária, nem alta e nem baixa, sendo o ponto Fr (maior nível) chamado de frequência de ressonância. Em cima, temos o sinal do gerador que entra no filtro, com uma amplitude constante mas com uma frequência variando desde alguns hertz (próxima a zero hertz) até 1 Mhz; Na resultante após o filtro, podemos visualizar uma atenuação no lado esquerdo e direito da forma de onda (OUT). Nes te caso , também podemos substituir o capacitor C1 e o indutor L1 por res is tores var iáve is , cu jas resistências serão equivalentes as suas reatâncias. Na f igura 25, temos o c i rcu i to equivalente do filtro BPF da figura 24. Se não existisse o capacitor C1 e o indutor L1, todo sinal que entrasse no filtro sairia com praticamente a mesma amplitude da entrada, independente da frequência da entrada. Agora com a presença de C1 e L1, o sinal de saída será acoplado a massa, formando um Na figura 22, temos o circuito equivalente ao filtro BPF, onde XC e XL representam as reatâncias do capacitor e do indutor respectivamente. Como a figura indica, essas reatâncias são variáveis e dependem diretamente da frequência do sinal de entrada; outro detalhe importante é que essas reatâncias são inversamente proporcionais entre si, ou seja quando uma aumenta a outra diminui e vice e versa. OUT L1 C1 R1 IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUTIN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL R1 XLXC IN 0Hz 20Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz OUT (Freqüência de ressonância) Fr OUT L1 C1 R1 IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL figura 21 figura 22 figura 23 figura 24 39ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 3° Caso: as frequências médias: Apesar disso, o capacitor apresentar-se-a agora com uma reatância XC baixa, ou seja, como um resistor de baixo valor, acoplando os sinais de entrada à massa. Para melhor entender o funcionamento dos dois filtros BPF, vamos redesenhá-los usando os modelos de chave aberta e chave fechada (curto) para representar as reatâncias nas altas e baixas frequências. As figuras com a letra “a” representam o primeiro BPF, e as figuras com a letra “b” representam o segundo BPF. Para as frequências médias (entre a baixa e a alta), tanto XC como XL se comportam como resistores de valores médios e irão funcionar como um divisor resistivo com R1, atenuando um pouco essa frequência média da entrada, permitindo que ela saia do filtro com uma amplitude “razoável”. 2° Caso: as altas frequências: Na figura 27, podemos ver o comportamento do filtro BPF para as altas frequências, onde a reatância capacitiva XC se comporta como um curto (ou resistor de baixo valor) e já a reatância indutiva XL, se comporta com uma chave aberta (ou resistor de alto valor). No primeiro filtro, podemos ver que apesar da reatância XL se comportar como um curto, a reatância XC se comporta como uma chave aberta impedindo o sinal da entrada de chegar na saída. No segundo BPF, podemos perceber que nada impede que o sinal da entrada chegue à saída, mas a reatância XL se comporta como um curto aterrando a saída e levando todo sinal de baixa frequência à massa. Portanto nos dois BPF's, para sinais de baixa frequência, a saída permanecerá com nível baixo de tensão. 1° Caso: as baixas frequências: Nesta figura 26, podemos ver o comportamento do filtro BPF para as baixas frequências, onde a reatância indutiva XL se comporta como um curto (ou resistor de baixo valor) e já a reatância capacitiva XC, se comporta com uma chave aberta (ou resistor de alto valor). divisor “resistivo” com as reatâncias XL e XC; como o valor dessas reatâncias depende da frequência do sinal que entram no filtro, a amplitude final variará de acordo com essa frequência. No segundo BPF podemos perceber que nada impede que o sinal da entrada chegue à saída, mas a reatância XC se comporta como um curto, aterrando a saída e levando todo sinal de alta frequência à massa. O gráfico da figura 23, também serve para esse filtro BPF. Para as baixas frequências, podemos afirmar que haverá praticamente um curto na saída do filtro, devido à reatância XL, comportar-se como um resistor de muito baixo valor, levando essa baixa frequência para massa. Nas altas frequências, a reatância XL será um “resistor” de alto valor e não mais levar para a massa os sinais da entrada. Portanto nos dois BPF's, para sinais de alta frequência, a saída também permanecerá com nível baixo de tensão. No primeiro filtro, podemos ver que apesar da reatância XC se comportar como um curto, a reatância XL se comporta como uma chave aberta impedindo o sinal da entrada de chegar à saída. Na figura 28, podemos ver o comportamento do filtro BPF para as frequências médias, onde a reatância indutiva XL se comporta como um resistor de médio valor e a reatância capacitiva XC, também se comporta como um resistor de médio valor. No primeiro filtro, podemos ver que as reatâncias XL e XC se comportam como resistores, formando um divisor resistivo com R1. Então, a amplitude do sinal na saída do filtro, não será igual a zero, havendo uma seleção de uma faixa de frequência média, que OUTR1 IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL XCXL OUT R1 R1XLXCIN GERADOR XL XC OUTIN GERADOR OUT XL XC IN GERADOR R1OUT R1 XLXCIN GERADOR OUT R1 R1XLXCIN GERADOR XL XC OUTIN GERADOR figura 25 figura 26a figura 26b figura 27a figura 27b figura 28a figura 18b 40 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 No segundo BPF, podemos perceber que XL e XC estão em paralelo formando um único resistor, que formará também um divisor resistivo com R1 e similarmente ao primeiro BPF, teremos na saída uma faixa de frequências médias selecionadas pelo BPF. A frequência em que a reatância (resistência) do indutor L1 e do capacitor C1 são iguais é chamada de frequência de ressonância (fr). Nessa frequência, teremos XC = XL, então o nível de tensão da saída do filtro é máxima, como pode ser observado no gráfico da figura 23 . Com este gráfico (figura 29) de resposta em frequência dos BPF's podemos ver a faixa de seleção do filtro, cujo topo corresponde a frequência de ressonância fr. passarão pelo BPF. Portanto nos dois BPF's para sinais de frequência média, teremos na saída uma faixa de frequências médias com pequena atenuação, cujo valor dependerá de C1 e L1. Podemos esboçar um gráfico de resposta em frequência para os filtros BPF, com os níveis de saída do sinal em comparação com a frequência dos mesmos. Na figura 30, temos um primeiro filtro Trap, ele é composto de um capacitor ligado em paralelo com um indutor, sendo que o circuito fecha-se à massa através de um resistor. Note, que a entrada do filtro está ligada simultaneamente ao capacitor C1 e ao indutor L1, portanto, o sinal que entrar no filtro poderá passar tanto por C1 como por L1 para chegar a saída (OUT). Podemos então substi tuir o capacitor e o indutor por resistores variáveis que serão equivalente às suas reatâncias. Na figura 32, temos o gráfico das formas de ondas do sinal de entrada. O sinal de cima identificado como IN, e o sinal de baixo como OUT. O filtro rejeita-faixa, ouarmadilha (Trap), é um filtro com uma função completamente invertida do BPF, pois enquanto este seleciona uma faixa de frequência, o “trap” bloqueia uma faixa de frequência, rejeitando a mesma do circuito. Como o “trap” é o oposto do BPF, sua construção é bem parecida com o BPF. Na figura 31, temos o circuito equivalente ao filtro “trap” onde XC e XL, representam as reatâncias do capacitor e do indutor respectivamente, como a figura indica, essas reatâncias são variáveis e dependem diretamente da frequência do sinal de entrada, outro detalhe importante é que essas reatâncias são inversamente proporcionais, ou seja, quando uma aumenta a outra diminui e vice- versa. FILTRO REJEITA FAIXA (TRAP) NÍVEL FREQÜÊNCIA Fr OUT C1 R1 IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL OUT R1 IN GERADOR DE FREQÜÊNCIA AJUSTÁVEL XC XL IN 0Hz 20Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz OUT (Freqüência de ressonância) Fr figura 29 figura 30 figura 31 figura 32 41ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Olhando atentamente o gráfico da figura 32, podemos ver que este filtro “trap”, rejeita uma faixa de frequência média, nem alta e nem baixa. Veremos agora na figura 33, um segundo filtro “trap”. Neste caso, o sinal de entrada está acoplado diretamente na saída através do resistor R1. A seleção deste filtro será dada pelo capacitor e pelo indutor ligados em série a saída do filtro, ligando-a na massa. Neste caso, também podemos substituir o capacitor C1 e o indutor L1 por resistores variáveis que serão equivalentes às suas reatâncias: Se não existisse o capacitor C1 e o indutor L1, todo sinal que entrasse no filtro sairia com praticamente a mesma amplitude da entrada, independente de sua frequência. Agora, com a presença de C1 e L1, o sinal de saída será acoplado à massa, formando um divisor “resistivo” com as reatâncias XL e XC. Como o valor dessas reatâncias depende da frequência dos sinais que entram no filtro, a amplitude dos mesmos variará de acordo com essas frequências. O gráfico da figura 32, também serve para este filtro “trap”. Podemos ver que as baixas frequências, não são atenuadas na saída do trap, devido a reatância XC se comportar como um resistor de alto valor para a massa. Note que o indutor se comporta como uma baixa resistência (curto) para as baixas frequências; mas como está em série com o capacitor que apresenta alta resistência, a associação série entre uma baixa e alta resistência resultará na alta resistência. Em cima, temos o sinal do gerador que entra no filtro com uma amplitude constante, mas com uma frequência variando de poucos hertz até 1 MHz. Nas altas frequências, ocorre o mesmo fenômeno, apesar de neste caso XC ser um “resistor” de baixo valor, agora é a reatância XL que se comporta como um resistor de alto valor desacoplando os sinais da entrada à massa. Para melhor entender o funcionamento dos dois filtros “trap”, vamos redesenhá-los usando os modelos de chave aberta e chave fechada (curto). Para representar as reatâncias nas altas e baixas frequências, as figuras com a letra “a” representam o primeiro “trap” e as figuras com a letra “b” representam o segundo “trap”. 1° Caso: as baixas frequências Já nas frequências intermediárias tanto XC como XL se comportam como resistores de valores médios e irão funcionar como um divisor resistivo com R1, atenuando essa frequência média, não permitindo que os mesmos saiam do filtro. Na figura 34, temos o circuito equivalente do filtro “trap” da figura 33. Seu funcionamento é explanado a seguir: Na figura 35, podemos ver o comportamento do filtro “trap” para as baixas frequências, onde a reatância indutiva XL se comporta como um curto (ou resistor de baixo valor); já a reatância capacitiva XC, se comporta com uma chave aberta (ou resistor de alto valor). Em baixo, temos o sinal que sai do filtro (OUT), onde podemos perceber que para as baixas frequências a reatância indutiva (XL) é pequena, e o indutor se comporta como um resistor de baixo valor, acoplando o sinal na saída do filtro. O mesmo fenômeno acontece na altas frequências, apesar que, neste caso, a reatância indutiva (XL) será alta; já a reatância capacitiva (XC) é baixa, e neste caso, é o capacitor que se comporta como um resistor de baixo valor, acoplando o sinal da entrada na saída. Agora, quando temos as frequências médias, tanto XL como XC tem valores médios e ambos comportam-se como resistores de valores médios, atenuando o sinal de entrada, não permitindo que o mesmo chegue na saída com níveis altos, atenuando-os. No primeiro filtro, apesar da reatância XC se comportar como uma chave aberta impedindo o OUTR1 L1 C1 IN GERADOR DE FREQUÊNCIA AJUSTÁVEL OUTR1 IN GERADOR DE FREQUÊNCIA AJUSTÁVEL XC XL GERADOR GERADOR OUTR1 IN XC XL OUT R1 IN XC XL figura 33 figura 34 figura 35a figura 35b 42 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 sinal da entrada de chegar na saída, a reatância XL se comporta como um curto levando o sinal da entrada para a saída. Na figura 38, temos o gráfico de resposta em frequência para os filtros “trap”, mostrando os níveis de saída do sinal, em comparação com a frequência dos mesmos. Portanto nos dois “trap's”, para sinais de baixa frequência, a saída permanecerá com praticamente o mesmo nível de tensão do sinal da entrada. Na figura 37, podemos ver o comportamento do filtro “trap” para as médias frequências, onde a reatância indutiva XL se comporta como um resistor de médio valor e a reatância capacitiva XC, também se comporta como um resistor de médio valor. No segundo “trap” percebemos que XL e XC estão em série formando um único resistor que formará também um divisor resistivo com R1, e como no primeiro “trap”, teremos na saída uma faixa de frequências médias atenuadas e rejeitadas pelo mesmo. No segundo “trap”, podemos perceber que nada impede que o sinal da entrada chegue na saída e como a reatância XC se comporta como uma chave aberta, o sinal presente na entrada passa para a saída. Portanto nos dois “trap's”, para sinais de alta frequência, a saída também permanecerá com praticamente o mesmo nível de tensão do sinal de entrada. 3° Caso: as frequências médias No segundo “trap” podemos perceber que nada impede que o sinal da entrada chegue na saída, pois a reatância XL se comporta como uma chave aberta, permitindo todo o sinal para a saída. Na figura 36, podemos ver o comportamento do filtro “trap” para as altas frequências, onde a reatância capacitiva XC se comporta como um curto (ou resistor de baixo valor); já a reatância indutiva XL, se comporta com uma chave aberta (ou resistor de alto valor). 2° Caso: as altas frequências Como vimos anteriormente, a frequência em que a reatância do indutor L1 e a reatância do capacitor C1 são iguais é chamada de frequência de ressonância (fr), nesta frequência teremos XC = XL, então o nível de tensão da saída do filtro é mínimo, como pode ser observado no gráfico da figura 32; essa frequência também é chamada de frequência central (fc), pois ela está exatamente no centro da faixa selecionada pelo filtro (BPF ou trap). Portanto, nos dois “trap's” para sinais de média frequência teremos na saída uma faixa rejeitada de frequências, cujos valores dependerá de C1 e L1. No primeiro filtro, podemos ver que as reatâncias XL e XC se comportam como resistores, formando um divisor resistivo com R1. Então a amplitude do sinal na saída do filtro será atenuada, havendo uma rejeição de uma faixa de frequências médias, que não passarão pelo “trap”. No primeiro filtro, podemos ver que apesar da reatância XL se comportar como uma1 resistores 10k ohms 1W 2 resistores 220k ohms 1/4W 1 capacitor de 4,7uF x 250V KIT M2-2 Interruptor Crepuscular M2-3 FONTE DE ALIMENTAÇÃO 30V - 1,6A KIT M2-3 Kit Fonte Ajustável 2V a 30V - 1,6A 2 resistor 2,2k ohms 1/4W 3 resistores 1ohms 1/4W 3 resistores 6,8k ohms 1/4W 1 resistor 1k ohms 1/4W 1 resistor 10k ohms 1/4W 1 potenciômetro 100k mini 2 capacitores 470uF x 40V ou mais 2 capacitores de 100k poliester 8 diodos 1N4007 3 diodos 1N4148 1 capacitor de poliester 10k 1 diodo LED 5mm 1 transistor TIP 122 2 transistor BC547 ou BC548 1 dissipador para TIP 122 1 placa de circuito impresso M2-2 INTERRUPTOR CREPUSCULAR ligar os componentes do tracejado fora da placa e após montado, soldar os dois pontos no lugar da lâmpada NEON D5 BZX55C47 D6 BZX55C47 R5 220k R1 220k LDR1 100k D1 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 D2 1N4007 C1 4,7uF x250V Rd1 330 Rd2 10k 1W LED1 alto-brilho Q2 BC337D8 12V Rede Elétrica 110Vac 2 zener de 47V 1/2W 1 zener de 12V 1 LDR miniatura 1 transistores BC337 4 diodos 1N4007 entrada 30Vac D3a D3b D1a D1b D2a D2b D4a D4b 8 x 1N4007 Na placa, existe lugar para 4 diodos. Soldar pares de diodos em paralelo após soldar os diodos cortar as sobras dos terminais horizontais entrada 30Vac D3a D3b D1a D1b D2a D2b D4a D4b 8 x 1N4007 Na placa, existe lugar para 4 diodos. Soldar pares de diodos em paralelo após soldar os diodos cortar as sobras dos terminais horizontais 2,2k2,2k 10k 0 % 5 % 1 0 % 1 5 % 2 0 % 2 5 % 3 0 % 3 5 % 4 0 % 4 5 % 5 0 % 5 5 % 6 0 % 6 5 % 7 0 % 7 5 % 8 0 % 8 5 % 9 0 % 9 5 % 1 0 0 % __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ _/ __ _/ __ _ __ _/ __ _/ __ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ __ /_ _ D A T A D A P R O V A I N T E R M E D IÁ R IA D A T A D A P R O V A F IN A L A P R O V E IT A M E N T O A P R O V E IT A M E N T O % % A P R O V E IT A M E N T O G E R A L - T R A Ç A D O E M V E R M E L H O A P R O V E IT A M E N T O B L O C O S D E E X E R C ÍC IO S - T R A Ç A D O E M A Z U L A P R O V E IT A M E N T O E M E Q U IP E - T R A Ç A D O V E R D E CASO O TRAÇADO VERMELHO CAIA ABAIXO DESTE NÍVEL, UTILIZAR-SE DAS DÚVIDAS VIA INTERNET CASO O TRAÇADO VERMELHO CAIA ABAIXO DESTE NÍVEL, UTILIZAR-SE DAS AULAS DE REFORÇO CASO O TRAÇADO VERMELHO CAIA ABAIXO DESTE NÍVEL, UTILIZAR-SE DO SERVIÇO SOPA revisado junho-2008 GABARITO PARA TODOS OS EXERCÍCIOS DOS BLOCOS E PROVAS ELETRÔNICA www.ctaeletronica.com.br GABARITO TODOS OS MÓDULOS Temos várias tabelas, onde cada uma corresponde a um tipo de componente, com seu respectivo defeito; teremos então uma tabela para resistor alterado, outra para capacitor com fuga, etc. Em cada tabela temos vários códigos para cada final de componente; por exemplo R123 alterado: Temos que procurar na tabela de resistor alterado, o código para final 3. Este gabarito é para ser utilizados em todos os exercícios de análise de defeitos, quando o código for solicitado. Os componentes defeituosos deverão ser encontrados, baseando-se apenas no seu final. Se o componente defeituoso for C108, devemos procurar apenas pelo final 8. RESISTORES e POTENCIÔMETROS COM DEFEITO FUSISTOR, FUSÍVEL, PTC e NTC (R - FR - Ra - etc.) R5 alterado FR503 aberto EXEMPLOS Rxx6 Rxx0 Rxx3 Rxx4 Rxx7 Rxx8 Rxx9 Rxx2 Rxx1 Rxx5 Rxx1 Rxx2 Rxx3 Rxx0 Rxx8 Rxx6 Rxx9 Rxx4 Rxx5 Rxx7 ABERTO ALTERADO Pxx1 Pxx2 Pxx3 Pxx4 Pxx5 Pxx6 Pxx7 Pxx9 Pxx0 Pxx8 POTENCIÕMETRO COM CURSOR ABERTO revisado junho-2008 Cxx1 Cxx3 Cxx4 Cxx5 Cxx6 Cxx9 Cxx0 Cxx2 Cxx7 Cxx8 Cxx9 Cxx4 Cxx7 Cxx6 Cxx2 Cxx8 Cxx0 Cxx1 Cxx3 Cxx5 Cxx1 Cxx2 Cxx3 Cxx4 Cxx5 Cxx6 Cxx7 Cxx8 Cxx9 Cxx0 CURTO ABERTO COM FUGA CAPACITORES COM DEFEITO FIXO ou VARIÁVEL (C - CV - Ca - etc.) C5 em curto CV318 com fuga EXEMPLOS xDxx8 xDxx3 xDxx5 xDxx1 xDxx4 xDxx7 xDxx2 xDxx9 xDxx0 xDxx6 xDxx3 xDxx5 xDxx1 xDxx2 xDxx4 xDxx8 xDxx0 xDxx9 xDxx7 xDxx6 xDxx1 xDxx9 xDxx0 xDxx2 xDxx4 xDxx5 xDxx3 xDxx7 xDxx8 xDxx6 xDxx1 xDxx4 xDxx2 xDxx3 xDxx6 xDxx7 xDxx8 xDxx9 xDxx0 xDxx5 ABERTO COM FUGA CURTOALTERADO DIODOS, VDR, SCR, TRIAC e LDR COM DEFEITO COMUM, ZENER, LED, etc. (Z - ZD - LD - VR - etc.) D15 aberto LD218 em curto EXEMPLOS OBS: Para circuitos sem defeito, defeito não listado ou mais de um defeito possível: Vxx4 Vxx1 Vxx2 Vxx3 Vxx5 Vxx6 Vxx7 Vxx0 Vxx8 Vxx9 BAIXA EMISSÃO Vxx1 Vxx2 Vxx4 Vxx6 Vxx9 Vxx0 Vxx5 Vxx8 Vxx3 Vxx7 SEGMENTOS OU GRADES ABERTAS VÁLVULAS, DISPLAY, TRC E LCD COM DEFEITO Vxx3 Vxx2 Vxx4 Vxx5 Vxx1 Vxx6 Vxx7 Vxx8 Vxx9 Vxx0 FILAMENTO OU LÂMPADA “QUEIMADA” Vxx8 Vxx2 Vxx4 Vxx0 Vxx5 Vxx9 Vxx3 Vxx6 Vxx1 Vxx7 FUGA - CURTO ALTA EMISSÃO Defeito no canhão R do TRC Defeito no canhão G do TRC Defeito no canhão B do TRC revisado junho-2008 Q6 com curto C-E T103 junção B-E aberta EXEMPLOS Qxx0 Qxx7 Qxx2 Qxx1 Qxx3 Qxx4 Qxx5 Qxx8 Qxx6 Qxx9 Qxx1 Qxx2 Qxx3 Qxx4 Qxx5 Qxx6 Qxx7 Qxx8 Qxx9 Qxx0 CURTO C-E CURTO TOTAL ABERTO COL Qxx1 Qxx9 Qxx6 Qxx4 Qxx3 Qxx2 Qxx7 Qxx8 Qxx0 Qxx5 CURTO B-E Qxx3 Qxx8 Qxx7 Qxx4 Qxx5 Qxx6 Qxx0 Qxx1 Qxx2 Qxx9 ABERTO B-E Qxx5 Qxx7 Qxx3 Qxx1 Qxx2 Qxx4 Qxx6 Qxx9 Qxx0 Qxx8 FUGA B-E Dreno = Coletor Gate = Base Source = Emissor PARA FET TRANSISTORES COM DEFEITO COMUM, UNIJUNÇÃO e FET (Q - T - Tr - etc.) Qxx7 Qxx3 Qxx0 Qxx2 Qxx5 Qxx4 Qxx1 Qxx6 Qxx8 Qxx9 FALTA GANHO Qxx5 Qxx0 Qxx1 Qxx2 Qxx3 Qxx4 Qxx6 Qxx7 Qxx8 Qxx9 FUGA C-E Qxx1 Qxx5 Qxx7 Qxx2 Qxx3 Qxx4 Qxx6 Qxx8 Qxx9 Qxx0 CURTO C-B Qxx1 Qxx2 Qxx3 Qxx6 Qxx0 Qxx4 Qxx5 Qxx7 Qxx8 Qxx9 FUGA C-B Sxx6 Sxx0 Sxx4 Sxx8 Sxx5 Sxx9 Sxx7 Sxx1 Sxx2 Sxx3 Sxx7 Sxx0 Sxx3 Sxx6 Sxx9 Sxx5 Sxx4 Sxx2 Sxx8 Sxx1 Sxx1 Sxx2 Sxx3 Sxx4 Sxx5 Sxx6 Sxx0 Sxx8 Sxx9 Sxx7 CONTATO COLADO “NA” CONTATOS QUEBRADOS CONTATO COLADO “NF” OU BOBINA ABERTA BOBINA EM CURTO OU CHAVE COM FUGA CHAVES E RELÉ COM DEFEITO (Sw - Ch - RL - etc.) RL5 com bobina em curto Sw128 quebrada EXEMPLOS ICX1 ICX3 ICX9 ICX7 ICX2 ICX8 ICX6 ICX0 ICX4 ICX5 IC1x1 IC2x1 IC3x1 IC4x1 IC5x1 IC7x1 IC6x1 IC8x1 IC9x1 IC1x2 IC3x2 IC4x2 IC6x2 IC8x2 IC9x2 IC5x2 IC7x2 IC2x2 IC1x3 IC3x3 IC4x3 IC8x3 IC2x3 IC6x3 IC5x3 IC7x3 IC9x3 ICxx4 ICxx7 ICxx5 ICxx8 ICxx6 ICxx9 ICxx0 IC 1 a 99 COM DEFEITO IC 1x1 / 9x1 COM DEFEITO IC 1x2 / 9x2 COM DEFEITO IC 1x3 / 9x3 COM DEFEITO IC xx4/xx5/... COM DEFEITO IC26 com defeito CI801 em curto U503 com defeito IC104 em curto EXEMPLOS CIRCUITOS INTEGRADOS COM DEFEITO REGULADORES, OPERACIONAIS, DIGITAL, etc. (Q - T - Tr - etc.) OBS: Os integrados de 1 a 99 devem usa r a p r i m e i r a t a b e l a , d e acordo com seu final; os integrados maiores de 100, deve verificar além do final, o número inicial: O integrado 201 deve olhar a tabela do final “1” e depois o inicio 2 (2x1); n e s t e c a s o s e r i a a s e g u n d a t a b e l a n a s e g u n d a l i n h a c o m Txx6 Txx8 Txx2 Txx4 Txx1 Txx5 Txx9 Txx0 Txx7 Txx3 Txx4 Txx3 Txx6 Txx1 Txx2 Txx5 Txx7 Txx9 Txx0 Txx8 BOBINA ABERTA BOBINA EM CURTO TRANSFORMADORES ALTO-FALANTES(TR- etc.) TR5 bobina em curto Tr3 bobina aberta EXEMPLOS revisado junho-2008 7ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 1 Mas, além de realizar trabalho,chave aberta impedindo o sinal da entrada de chegar na saída, a reatância XC, comportar-se-a como um curto, levando o sinal da entrada para a saída. Nesse gráfico de resposta em frequência dos “trap” (figura 38), podemos ver a faixa de rejeição do filtro, cujo centro corresponde à frequência de ressonância “fr” ou frequência central (fc). Os cálculos para se chegar a essa frequência, bem como calcular a largura dessas faixas poderá ser pesquisado pelo aluno na internet, como complemento de estudo. Nos módulos posteriores voltaremos a falar um pouco mais destes filtros e de suas aplicações. Abaixo, podemos ver os controles de um equalizador. GERADOR GERADOR OUTR1 IN XC XL OUT R1 IN XC XL GERADOR GERADOR OUTR1 IN XC XL OUT R1 IN XC XL NÍVEL FREQUÊNCIA Fc FfinalFinicial Largura 100% 70% figura 36a figura 36b figura 37a figura 37b figura 38 43ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura ao lado temos um filtro LC, passa-banda ou BPF. ainda podemos ver que no circuito, o valor do capacitor poderá ser variado, o que significa que o filtro atuará em determinada frequência, ou seja, selecionará uma determinada emissora que queremos sintonizar. A s s i m , o s f i l t r o s o u c i rcui tos ressonantes poderão ser utilizados nas mais diversas aplicações da área eletroeletrônica. Nos filtros abaixo, identifique que faixa de frequências teremos na saída e após coloque as respostas como LPF, BPF, HPF, TRAP. 1 3 5 7 2 4 6 8 44 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 f nível f nível f nível f nível f nível f nível f nível f nível 9 11 13 15 10 12 14 16 Nos filtros abaixo, desenhe a forma de onda de banda passante (semelhante a figura 38 e anteriores) 1 - LPF 2 - TRAP 3 - BPF 4 - HPF 5 - HPF 6 - LPF 7 - HPF 8 - BPF f nível f nível f nível f nível f nível f nível f nível f nível 9 13 10 14 11 15 12 16 R E S P O S T A S http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_LC http://tecnociencia.inf.br/comunidade/index.php?option=com_content&task=view&id=226&Item id=138 docentes.fam.ulusiada.pt/~d1095/Filtros_Elec_0607.pdf Pesquisas na internet sobre filtros e circuitos ressonantes: Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-09 à M2-12. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 45ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 4 TRANSFORMADORES Redutor - elevador e auto-transformador Núcleo e perdas no transformador Fase de um transformador Ligações do transformador na rede elétrica Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, transformando tensões, correntes e modificando os valores das impedâncias elétricas de um circuito elétrico. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. TRANSFORMADORES Recebem em seu primário (entrada) uma tensão em corrente alternada, que será retirada no secundário (saída) com um valor menor, ou seja, reduz a tensão de entrada. Transformadores elevadores de tensão: O transformador consiste de duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um "caminho", ou circuito magnético, que "acopla" essas bobinas. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética. Transformadores redutores de tensão: Autotransformador Recebem em seu primário (entrada) uma tensão em corrente alternada, que será retirada no secundário (saída) com um valor maior, ou seja, eleva a tensão de entrada. Tanto a tensão de entrada como a de saída compartilham o mesmo enrolamento, que é pr imár io e s e c u n d á r i o a o mesmo tempo. Pode s e r e l e v a d o r o u redutor de tensão, como veremos mais a d i a n t e . V e m o s abaixo, as chapas internas dos transformadores Funcionamento do transformador: Como já vimos no estudo sobre indução, quando um condutor é emergido dentro de um campo magnético teremos a criação de uma d.d.p. em seus extremos. Se este campo manter-se constante e o condutor estacionário, nos extremos dos fios não haverá d.d.p.(diferença de potencial), mas, caso haja variações na intensidade do campo magnético ou ainda o movimento do condutor dentro deste campo, teremos induzido nos terminais do fio, tensões proporcionais aos movimentos realizados. Resumidamente, podemos dizer que neste caso, tivemos uma conversão elétrica para magnética e magnética para elétrica. Usando-se desse princípio, se aplicarmos uma corrente alternada (a corrente vai e vem) em uma bobina, teremos a criação de um campo magnético variável (aumenta e diminui). Aproximando um indutor ou bobina dentro deste campo criado pela primeira bobina, teremos uma indução neste último indutor. A indução criada irá gerar uma d.d.p. que acompanhará as variações de fluxo magnético, ou seja, teremos uma AC (corrente alternada) na segunda bobina com as características da AC aplicada na primeira. 46 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Acompanhado a figura 3, temos a bobina L1 como primário e L2 como secundário. O campo criado pela bobina L1 atinge a bobina L2 a uma certa distância. Se aumentarmos a distância entre o campo e a bobina (figura 4), teremos uma menor indução sobre L2, pois a uma distância maior a c a p a c i d a d e d e i n d u ç ã o d o c a m p o v a i enfraquecendo. Na figura 1, temos duas bobinas enroladas em dois bastões. A primeira bobina (primário) recebe uma AC (tensão alternada-corrente alternada) de um gerador, produzindo uma corrente elétrica, da qual será criado um campo magnético que atuará sobre a segunda bobina (secundário). O campo magnético se converte em elétrico (corrente alternada) na segunda bobina. Desse campo elétrico (d.d.p.), teremos a circulação de corrente na resistência ligada a bobina (secundário). Para que o campo magnético criado pelo primário atinja eficazmente o secundário, deveremos aproximar o máximo uma bobina da outra ou coloca-las no mesmo núcleo (Bastão na qual as bobinas são enroladas - figura 2). Na figura 5, temos a aparência física de um transformador, cujo símbolo pode ser visto na figura 7a. Entre as bobinas temos dois traços verticais, os Núcleo de um transformador O núcleo nada mais é do que um material com alta permeabilidade, que conduzirá as linhas de força do campo magnético gerado pelo primário para o secundário, afim de produzir uma ligação magnética-elétrica eficaz. Neste caso, as duas bobinas (primário e secundário), são enroladas sobre um material “condutor” e o campo gerado pelo primário será conduzido para o secundário através deste material “condutor”, cuja permeabilidade é alta, pois o objetivo é o de conduzir as linhas de força. Corrente primária Corrente secundária resistência de carga fonte de tensão alternada PRIMÁRIO SECUNDÁRIO S N S N L1 L2 L1 L2L1 L2 FIOS DO PRIMÁRIO NÚCLEO DE FERRO FIOS DO SECUNDÁRIO NÚCLEO DE PLÁSTICO, PAPELÃO OU CERÂMICA FIOS DO PRIMÁRIO FIOS DO SECUNDÁRIO SIMBOLOGIA Estes traços representam o ferrite SIMBOLOGIA figura 1 figura 2 figura 3 figura 4 figura 5 figura 6 figura 7a figura 7b 47ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Como esse campo magnético é alternado (da mesma forma que a corrente do primário), irá induzir no secundário uma diferença de potencial que pode ser vista na figura 8d. A tensão induzida no secundário tem a mesma polaridade do primário, ou seja, positivo em cima e negativo embaixo. A tensão induzida no secundário será aplicada a carga ligada no mesmo, resultando em uma circulação de corrente (figura 8e). Análise detalhada do transformador: quais representam o núcleo do transformador. Na figura 6, temos outro tipo de transformador, cujo símbolo correspondente pode ser visto também na figura 7b. A tensão aplicada no primário é oriunda de um gerador de corrente alternada, portanto, haverá a inversão de polaridade aplicada na bobina do primário, resultando na mudança de sentido do campo e consequentemente na mudança de polaridade do secundário, fazendo circular na carga uma corrente com sentido inverso ao anterior (figura 8f). Na figura 8c, temos a criação do campo magnético devido a circulação de corrente no primário. Esse campo, irá atuar em todo espaço em volta das espiras do primário, induzindo assim um campo magnético sobre o secundário do transformador. Na figura 8e, temos o gerador aplicando uma FEM (Força Eletro-Motriz) no primário, induzindo no Na figura 8b, podemos ver a corrente circulando pelo primário do transformador depois que a chave foi fechada. Podemos perceber que a corrente elétrica sempre circulará do polo positivo para o negativo, apesar de que o fluxo de elétrons sai do polo negativo sendo atraído pelo polo positivo. Na figura 8a, um gerador AC alimenta o primário de um transformador. Com a chave principal fechada e considerando que a tensão seja positiva no lado superior do primário e negativa no lado inferior, teremos uma corrente circulante na bobina no sentido do positivo para o negativo (figura 8b). Desta corrente surgirá um campo magnético (figura 8c), o qual atuará no secundário, criando por indução, uma d.d.p. (figura 8d). FEM APLICADA AO PRIMÁRIO PRIMÁRIO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO CORRENTE NO PRIMÁRIO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO GERAÇÃO DE UM CAMPO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO FEM INDUZIDA NO SECUNDÁRIO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO CORRENTE NO SECUNDÁRIO SECUNDÁRIO FCEM N S FEM INDUZIDA CARGA FEM APLICADA I figura 8a figura 8b figura 8c figura 8d figura 8e figura 8f 48 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Solução do 1° exercício: Relação de espiras Primário-Secundário: Neste exercício temos 800 espiras no primário e 200 no secundário isso nos dá uma relação de 4 vezes mais espiras no primário que no secundário (800 ÷ 200 = 4), portanto a tensão do primário é 4 vezes a tensão do secundário. Logo, se tenho 200Vac no primário devo ter 50 Vac no secundário (200 ÷ 4 = 50). Na figura 9, temos no primário do transformador um enrolamento com 1000 espiras. Cada espira teria uma energia (tensão) de 0,11V (110 ÷ 1000 = 0,11), considerando a tensão aplicada de 110Vac. No secundário teremos, para cada espira, uma tensão de 0,11V. Como o total de espiras no secundário é de 2000 espiras, teremos uma tensão de 220Vac final. 5 ) Qua l a tensão do secundár io de um transformador ligado a uma tensão de 100Vdc, que tem 100 espiras no primário e 50 espiras no secundário? 1) Qua l a tensão do secundár io de um transformador, ligado a uma tensão de 200Vac que tem 800 espiras no primário e 200 espiras no secundário? Neste exercício temos um transformador redutor de tensão que transforma uma tensão de 240Vac para 12 Vac, ou seja ele tem uma proporção de redução de 20 vezes (240 ÷ 12 = 20), como tenho 2000 espiras no primário e tenho que manter a proporção de 20 vezes devo enrolar 100 espiras no secundário (2000 ÷ 20 = 100). 2) Quantas espiras tenho que enrolar no secundário de um transformador cuja tensão do primário seja 240Vac e a do secundário 12Vac, se tenho 2000 espiras no primário? 3) Qua l a tensão do secundár io de um transformador que tem 250 espiras no primário e 1000 espiras no secundário, caso o mesmo seja ligado a uma tensão de 110Vac? 4) Quantas espiras o primário de um transformador deve ter para reduzir uma tensão de 220Vac para 9Vac, se no secundário temos 140 espiras? secundário uma FEM com a mesma “polaridade” do primário do primário. Essa FEM induzida irá provocar uma corrente I circulante pela carga e também pelo enrolamento secundário, gerando assim um campo magnético que também irá induzir no primário uma FCEM (Força Contra Eletro-Motriz) de polaridade invertida (figura 8g), se opondo à FEM do gerador e com isso, aumentando o consumo de energia (em forma de corrente) do gerador. Quanto maior for a corrente do secundário (carga com maior consumo) maior será a FCEM induzida no primário, aumentando mais o consumo do gerador, na forma de corrente. Outro exemplo pode ser visto na figura 10. Nesta figura, a tensão de entrada não foi definida, mas temos a relação de espiras, sendo 200 espiras no primário e 100 espiras no secundário. A tensão aplicada no primário será dividida pelo número de espiras do mesmo, ou seja, 200 espiras. No secundário teremos a multiplicação deste resultado pela quant idade de espiras do secundário, ou seja, 100 espiras. Note que no secundário, teremos a metade da tensão aplicada no primário, uma vez que a quantidade de espiras do secundário é a metade do primário. Portanto, este é um transformador redutor de tensão. A relação de espiras (quantidade de espiras) do primário com o secundário será fundamental para definirmos a tensão induzida no secundário. Para fixar o entendimento do aluno vamos resolver alguns exercícios: Solução do 3° exercício: Neste exercício temos um transformador com 250 espiras no primário e 1000 no secundário, nos Solução do 2° exercício: N S CORRENTE INDUZIDA CAMPO MAGNÉTICO CAUSADO PELA CORRENTE DO SECUNDÁRIO CARGA 1000esp 2000esp Es = 220VCAEp = 110VCA V 200esp 100esp R1 = 1kWEp = ? figura 8g figura 9 figura 10 49ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Solução do 4° exercício: dando uma proporção de 4 vezes mais espiras no secundário (1000 ÷ 250 = 4) do que no primário. Isso mostra que nosso transformador é um elevador de tensão, já que tem mais espiras no secundário que no primário. Como está ligado a uma tensão de 110Vac, para manter a proporção teremos que ter 440Vac no secundário (110 x 4 = 440). Neste exercício temos um transformador redutor de tensão de 220Vac para 9Vac, nos dando uma proporção de 24,44 vezes (220 ÷ 9 = 24,44). Como temos 140 espiras no secundário, para manter a proporção devemos enrolar 3.422 espiras no primário (140 x 24,44 = 3.422). Potência entre primário e secundário: Observação: Quando um transformador é ligado a uma tensão contínua aparecerá no secundário, um pico de tensão no momento que ligamos e outro no momento que desligamos o transformador da fonte (aumento da corrente no instante que liga e diminuição de corrente no instante que desliga), mas, durante o tempo em que o mesmo permanecer ligado a uma tensão contínua, não teremos tensão no secundário (zero volt). O mesmo acontece para os transformadores elevadoresde tensão; só que neste caso, teremos no secundário uma corrente fornecida menor que a corrente do primário e proporcional a relação de tensão, ou seja, uma tensão 5 vezes maior no secundário terá um fornecimento 5 vezes menor na corrente em relação ao primário e vice versa. A potência do primário ou força magnetomotriz, é igual a força magnetomotriz do secundário. Isto quer dizer, que um transformador redutor de tensão, deverá ter uma potência no primário igual a do secundário, mas como? Ora, supomos uma tensão de 100V aplicada no primário de 100 espiras. Supomos ainda, que exista uma corrente de 1A neste primário. No secundário, teremos 20 espiras, resultando em 20V no secundário. A potência do primário pode ser calculada multiplicando a tensão de 100V pela corrente de 1A, resultando em 100 watts. Como dissemos, a potência do secundário será igual a do primário, ou seja, 100 watts. Como sabemos, a tensão do secundário é de 20V e considerando que existe uma potência de 100 watts, a corrente fornecida pelo secundário será de 5A (100W ÷ 20V = 5A). Perdas nos transformadores A perda nos transformadores pode ser definida como a relação de potência do primário com o s e c u n d á r i o , p o d e n d o s e r e x p r e s s a e m porcentagem. A potência no primário deverá ser igual a do secundário. De um modo geral os transformadores tem em torno de 10 e 15% de perda ou 85 a 90% de eficácia. As perdas influenciam diretamente na diminuição da tensão e corrente do secundário e pode acontecer de várias formas. Perdas por correntes parasitas: A perda por correntes parasitas ou correntes de foucault acontecem devido o núcleo ser de material “condutivo” e receber uma indução, apesar de pequena. A indução no núcleo gera correntes parasitas dentro do material, dificultando o fluxo magnético e gerando assim, uma perda. A figura 11, ilustra tal fato. Solução do 5° exercício: Perdas por histerese: No alinhamento dos domínios microscópico das moléculas que é forçado pela aplicação de uma d.d.p. ou de um campo magnético, ocorre com determinado atraso entre o campo elétrico e o alinhamento das moléculas, formando o campo magnético. Neste exercício temos um transformador redutor de tensão que possui 100 espiras no primário e 50 no secundário mantendo uma relação de metade da tensão do primário no secundário (100 ÷ 50 = 2). Mas como estou ligando este transformador a uma fonte de tensão contínua (100Vdc) e crendo que é constante (sem variação), não teremos nenhuma tensão no secundário, depois do mesmo ser ligado, mantendo no secundário uma tensão de 0V. Como o campo eletromagnético criado pelo primário é variável (ora em um sentido, ora em outro), teremos a cada mudança de sentido do fluxo este atraso que representaria uma resistência a passagem de fluxo magnético, gerando assim, perdas. Este tipo de perda recebe sua classificação devido ao material, de que são formados os enrolamentos de um transformador, serem de cobre. O fato está relacionado a perdas pelo aquecimento do primário Perdas pelo cobre: CORRENTES PARASITAS CAMPO MAGNÉTICO VARIÁVEL figura 11 50 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 pelo efeito joule. Como sabemos, um material condutor quando aquecido oferece uma resistência maior a passagem de corrente. Quanto maior a corrente do primário e consequentemente maior o efeito joule, maior será a perda. Apesar de ser irrisória, esta perda existe. Como sabemos, o campo do transformador não se restringe ao seu espaço físico, ou seja, a influência desse campo em condutores próximos ao transformador induz tensões e consequentemente, consumo de energia, gerando assim, perdas por estas fugas externas do campo eletromagnético criado pelo transformador. Na figura 16, temos um transformador cujas fases do primário e do secundário também estão marcadas com um ponto na parte de cima, indicando que o secundário está em fase com o primário. Mas, a carga do secundário está ligada de modo invertido no secundário, invertendo assim o A fase dos transformadores nos circuitos, pode ser representada simbolicamente por pontos (.) ou pequenas “bolas pretas”. Na figura 14a, temos um ponto sobre o primário e outro no secundário, indicando que estes tem a mesma fase, ou seja, o pino 1 está em fase com o pino 3. Na figura 14b, segundo os pontos, o pino 1 esta com a mesma fase do pino 4. Nas figuras abaixo, temos mais exemplos de transformadores e suas fases. Na figura 12, temos a figura de um transformador. No primário, temos uma onda senoidal cujo fase se encontra a 0º do secundário, ou seja, o secundário e primário tem a mesma fase. Em alguns circuitos a fase não é muito importante, mas para outros é fundamental. Perdas por induções externas: Na figura 15, temos um transformador cuja fase do primário está marcada com um ponto na parte de cima; no secundário, a fase também está marcada com um ponto, que também está na parte de cima. Quando temos um potencial positivo na parte de cima do primário, corresponde também um potencial positivo no secundário, indicando que o enrolamento do secundário está em fase com o primário, isto pode ser observado pela forma de onda sobre o primário e sobre o secundário.A figura 13, mostra o secundário com fase invertida em relação ao primário (defasamento de 180º), sendo que para isto bastou tomar o pino 3 do transformador como referência terra. Fase de um transformador Entrada 1 3 A 2 4 Saída A CARGA Entrada 1 3 CARGA A 2 44 Saída B 1 1 2 2 3 3 4 4 Entrada Saída CARGA Entrada Saída figura 12 figura 13 figura 14a figura 14b figura 15 figura 16 51ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Nas figuras 21 e 22, podemos ter uma comparação entre os tipos convencional de transformador e o auto-transformador: sentido da circulação da corrente no secundário; por isso, a tensão na carga estará defasada em 180° em relação a tensão do primário como mostram as formas de onda sobre o transformador. Na figura 17, temos também um transformador cujas fases dos enrolamentos está marcada com um ponto preto, mas, neste caso, o primário tem o ponto na parte superior e o secundário tem o ponto na parte inferior do enrolamento indicando que a fase do secundário está invertida (180°) em relação a fase do primário, com isso quando for positivo o potencial da parte de cima do enrolamento do primário o secundário terá um potencial negativo na parte de cima do enrolamento, como pode ser observado pela forma de onda sobre os enrolamentos. Auto-transformador Na figura 22, temos 6000 voltas no primário e 1000 voltas no secundário. A relação é de 6 para 1. Como no primário temos 120V e 1A, no secundário teremos 20V e 6A (não considerando perdas). Agora, na figura 21 temos o auto-transformador com as mesmas características, ou seja, o primário tem 6000 espiras e o secundário é uma subdivisão de 1000 espiras, gerando uma tensão no secundário de 20V com corrente de 6A para a carga. Em alguns casos, há a necessidade de se obter duas fases em 180º (uma em relação a outra) no secundário (figura 18). Para isso, usa-se um terceiro fio, dividindo o enrolamento secundário. Esse ponto será a referência terra, enquanto nos outros temos as duas fases opostas. Na figura 20, temos um auto-transformador elevador de tensão, pois no menor enrolamento temos o primário recebendo a uma AC (corrente alternada) e o secundário será todo o enrolamento. O resultado será uma tensão maior no secundário, mas com uma corrente menor; igual aos transformadores convencionais. Este tipo de transformador que pode ser visto na figura 19. Trata-sede um enrolamento único dividido em duas (ou mais) partes. O enrolamento primário será toda a bobina e o enrolamento secundário, será a parte usada desta bobina para alimentar a carga. Neste caso, usamos o transformador como redutor de tensão; a relação de potência, tensão e corrente é idêntica a dos transformadores convencionais. Entrada CARGA Saída Entrada Saída Saída A 1 3 2 5 4 B Enrolamento Primário 1 3A 2 Enrolamento Secundário Carga Enrolamento secundário 1 3B 2 Enrolamento Secundário Carga 6.000 VOLTAS I 1.000 VOLTAS 1A 5A 1A 6A 1 3 2 Carga B 120V 20V V figura 17 figura 18 figura 19 figura 20 figura 21 52 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Ligações de transformadores na rede elétrica Na figura 23b, temos o mesmo transformador da figura 23a, só que agora vamos ligar numa rede elétrica de 220Vac. Para compatibilizar esta tensão com o número de espiras do primário, devemos ligar o enrolamento primário inteiro na tensão de alimentação, pegando os 2 fios mais externos, como mostra a figura 23b. Na figura 24, temos um desenho que mostra a ligação física dos componentes associados ao transformador. Temos o transformador com os 3 fios do primário, sendo 2 fios, indo a uma chave seletora de voltagem (chave H-H) que irá comutar entre o fio do meio do enrolamento com o fio mais externo que corresponde ao enrolamento completo; o terceiro fio do primário está ligado a uma chave “liga- desliga” e depois indo diretamente a “tomada” que será ligado a rede elétrica. O outro fio da “tomada” está ligado ao fusível de proteção que está ligado ao pino central da chave seletora. Já na figura 25b, temos o mesmo transformador mas ligado a rede de 220Vac; como cada enrolamento deve receber 110Vac, devemos ligar os 2 enrolamentos em série, mas com as fases invertidas para poder receber a tensão de 220Vac. Podemos notar que na carga circula uma corrente de 6A, mas no enrolamento secundário temos somente 5A. Isso é devido ao efeito de auto- indução, do qual é a base de funcionamento deste tipo de transformador. E devido esse efeito teremos uma circulação de corrente no primário contrária a do secundário, fazendo com que os 6A sobre o enrolamento secundário seja subtraído de 1A do primário, resultando em 5A. Em comparação com o transformador da figura 22, o auto-transformador tem vantagens e desvantagens. As vantagens são: menor quantidade de fio, menor perda, pois como a corrente no enrolamento secundário é menor, havendo menores perdas. Devido a fabricação do auto-transformador ser mais simples, este se torna mais barato. A desvantagem, é que este tipo de transformador não tem isolação do secundário para com o primário. Agora, vamos ver a configuração do transformador com 4 fios no primário. Na figura 25a, temos um transformador cujo o primário é dividido em 2 enrolamentos iguais e isolados entre si. Novamente temos uma relação de espiras compatível com 110Vac para cada enrolamento; para ligar o transformador na rede de 110Vac devemos ligar os 2 enrolamentos em paralelo, respeitando as fases de cada um, como mostra esta figura. Na figura 23a, temos um transformador cujo primário é subdividido em duas partes iguais (3 fios), sendo que o número de espiras de cada metade é compatível com uma tensão de 110Vac , en tão se qu i se rmos l i ga r es te transformador a uma rede de 110Vac, devemos ligar apenas uma metade a rede elétrica, como mostra a figura 23a. Nas figuras abaixo temos os esquemas de ligação básica dos transformadores com 3 fios no primário (110V / 220V): 6.000 VOLTAS 1.000 VOLTAS 6:1 1A 120V A CARGA 6A 20V V 110Vac On/Off fusível 110Vac 110Vac Primário Secundário 220Vac On/Off fusível Primário Secundário ON/OFF ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE TRANSFORMADOR COM 3 FIOS NO PRIMÁRIO FUSÍVEL 220Vac Enrolamento primário110Vac figura 22 figura 23a figura 23b figura 24 53ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Já na figura 26, temos a ligação física deste transformador com seus componentes para ser ligado a rede elétrica. O transformador agora, tem seu primário (4 fios) ligados diretamente à chave seletora (H-H de 6 polos), nos terminais central e externo (só de um lado). O plug terá um dos terminais ligado a chave “On-Off” que depois vai ser ligado junto com um dos fios do transformador ligado a parte externa da chave se le tora, o out ro terminal da “tomada” vai passar pelo fusível e depois ser ligado ao outro fio do t r a n s f o r m a d o r d e enrolamento diferente. Para completar a ligação da chave seletora, temos um “jumper” pondo em “curto” os 2 últimos polos externos da chave, de modo que na posição de 220V a chave colocará em série os enrolamentos do primário e em 110V deixará os enrolamentos em paralelo. fusível 110Vac On/Off Primário Secundário fusível 220Vac On/Off Primário Secundário ON/OFF FUSÍVEL 220Vac Curto110Vac ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE TRANSFORMADOR COM 4 FIOS NO PRIMÁRIO; DOIS ENROLAMENTOS EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1) Qual o número de espiras do primário de um transformador elevador de tensão cuja tensão do primário seja 12Vac e o secundário tenha 2000 espiras e uma tensão de 110Vac? 3) Qual deve ser a potência de um transformador redutor de tensão ligado a rede elétrica de 220Vac, e que deve fornecer uma corrente no secundário de 2 A; sabendo que ele possui 3000 espiras no primário e 110 espiras no secundário? 4) Qual a corrente do secundário de um transformador elevador de tensão ligado a uma tensão de 25Vac e que está dissipando uma potência de 20 watts, sabendo que ele possui 500 espiras no primário e 3000 espiras no secundário, lembramos também que ele tem uma perda média de 10% de potência? 5) Faça a interligação destes componentes para ligar o transformador na rede elétrica com uma chave seletora de 110V/220V, para um primário de 4 fios: 2) Qual deve ser a potência mínima do transformador redutor de tensão, ligado a uma rede de tensão de 110Vac, e que deve alimentar uma fonte de 20Vac e gerar uma corrente de 1,5 A? Solução do 1° exercício: Neste exercício temos um transformador elevador de tensão de 12Vac para 110Vac, nos dando uma proporção de 9,17 vezes (110 ÷ 12 = 9,17), temos 2000 espiras no T O M A D A CHAVE SELETORA S E C U N D Á R IO TRANSFORMADOR F U S ÍV E L figura 25a figura 25b figura 26 54 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Solução do 2° exercício: Solução do 4° exercício: Neste exercício novamente se trata de potência, e neste caso também só temos a corrente do secundário, mas não temos a tensão do secundário, como sabemos a tensão do primário e temos os n° de espiras do primário e secundário podemos calcular a relação de espiras e a partir da tensão do primário chegarmos a tensão do secundário. Temos 3000 espiras no primário e 110 espiras no secundário resultando numa proporção de 27,27 vezes (3000 ÷ 110 = 27,27), como a tensão do primário é 220Vac para manter a proporção teremos 8Vac no secundário (220 ÷ 27,27 = 8). agora já podemos calcular a potência do secundário P = V x I , então P = 8 x 2 = 16 W, agora lembrando que 20% da potência do primário se perde teremos 80% = 16 e 100% deverá ser igual a 20 (usando uma regra de 3 simples), então o transformador terá uma potência de 20 W. Neste exercício já sabemos a potência do transformador e queremos a corrente do secundário, temos então que saber em primeiro lugar a tensão do secundário que nãoé fornecida pelo exercício, mas pela relação das espiras podemos calcular, temos 3000 espiras no secundário e 500 espiras no primário nos dando uma proporção de 6 vezes (3000 ÷ 500 = 6), como temos 25Vac e o transformador é elevador de tensão teremos 150Vac no secundário (25 x 6 = 150). Devemos agora transferir a potência do primário para o secundário, como a taxa de perda de potência foi fornecida com 10% e a potência do primário é de 20W teremos 20 - 2 (10%) = 18W de potência consumida no secundário como P = V x I ,então I = P ÷ V = 18 ÷ 150 = 0,12 A ou 120 mA de corrente no secundário. Neste exercício estamos tratando de potência, que é a energia fornecida (ou consumida) por segundo, em circuitos elétricos a potência pode ser expressa pelo produto da tensão pela corrente ( P = V x I ), então para podermos calcular a potência devemos saber a corrente e a tensão do primário do transformador. Como o exercício nos fornece a corrente e a tensão do secundário vamos primeiramente saber a potência consumida pelo secundário, que será P = V x I = 20 x 1,5 = 30 W. Agora podemos concluir que para fornecer 30 W para o secundário o transformador deve gerar 30W é claro!, mas não podemos esquecer que existe as perdas de energia por correntes parasitas, histerese, etc.; que totalizam normalmente 20% da energia fornecida pelo primário, restando apenas 80% da energia do primário para ser transferida para o secundário, portanto devemos considerar que a potência mínima do transformador deverá ser 38 watts (30 = 80% então 100% = 37,5). Solução do 5° exercício: secundário, mantendo a proporção devemos enrolar 218 espiras no primário (2000÷ 9,17 = 218). Solução do 3° exercício: http://wisetransformadores.com.br/?produtos http://www.mspc.eng.br/elemag/transf0120.shtml http://www.transformadoreslider.com.br/prodind.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Transformador http://www.mspc.eng.br/elemag/transf0110.shtml http://eletronicos.hsw.uol.com.br/questao291.htm Pesquisas na internet sobre transformadores: Transformadores de grande porte, utilizados em substações ou abaixadores de tensão para as redes de cidades. TOMADA C H A V E S E L E T O R A SECUNDÁRIO T R A N S F O R M A D O R FUSÍVEL Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-13 à M2-16. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 55ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Em 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos. Os primeiros elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes iniciou pesquisas no efeito semicondutor, a p r i n c í p i o c o m o curiosidade, pois foi percebido ao acaso pelo cientista. DOPAGEM DE SEMICONDUTORES Através de combinações com outros materiais p o d e m o s m u d a r a s c a r a c t e r í s t i c a s d o material semicondutor (silício ou germânio). E s s e p r o c e s s o é chamado de dopagem e acontece em uma parte em 10 milhões, porém, esta pequena parcela de d o p a g e m é s u f i c i e n t e p a r a m u d a r significativamente as características de um semicondutor, que de mau condutor passa a bom condutor, além de poder ter um estado iônico positivo ou negativo chamado de cristal tipo N (negativo) ou P (positivo). Os materiais semicondutores, como o próprio nome sugere são matérias cuja condutividade esta entre os limiares dos condutores e dos isolantes. Possuem 4 elétrons na camada de valência, sendo semicondutores por esta razão. O átomo necessita de 8 elétrons na camada de valência para ser estável (gás nobre). Nessa condição, um átomo não tem qualquer ligação com outro átomo tanto de material igual como diferente (ligações simples e compostas). Quanto mais próximo de 8 elétrons na camada de valência (última camada) um átomo pode ter, mais isolante ele vai ser, ou seja, menor condutividade. Os condutores tem em média 3 ou menos elétrons na camada de valência e os isolantes tem em média 6 elétrons. Os semicondutores não tem nem 3 (condutores) e nem 6 (isolante) elétrons na camada de valência, mas sim 4 elétrons, o que explica o fato de serem semicondutores. Embora Hughes não conhecesse o trabalho de James Clerk Maxwell, descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Em função de suas experiências acabou por inventar o detector eletromagnético por efeito semi-condutivo, o diodo. Cristal do tipo N SEMICONDUTORES Dois tipos de semicondutores são largamente usados na eletrônica, são eles: silício e germânio. O germânio tem 32 elétrons na eletrosfera, sendo 4 na camada de valência (figura 1a). Já o silício tem 14 elétrons na eletrosfera, sendo 4 na camada de valência (figura 1b). O nome cristal é derivado do desenho formado nas l i g a ç õ e s c o v a l e n t e s e n t r e o s á t o m o s semicondutores. Na ligação covalente, um elétron de um átomo de germânio, por exemplo, combina com outro elétron de outro átomo de germânio, f o r m a n d o u m a ligação covalente. E s s e p a r d e elétrons passa a pertencer aos dois átomos de germâ- nio ao mesmo tem- po; então um áto- mo de germânio combinará com mais quatro áto-mos de germânio formando quatro AULA 5 SEMICONDUTORES - DIODOS Cristal do Tipo N e Cristal do tipo P Diodo semicondutor Circuitos elétricos com diodo Circuitos com diodos e resistores Exercícios propostos K K = 2, L = 8, M = 18, N = 4 K = 2, L = 8, M = 4 KL LM MN GERMÂNIO SILÍCIO Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge figura 1a figura 1b figura 2 56 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Os íons negativos do material tipo N próximos a junção irão ficar neutros devido a perda do elétron excedente. Por sua vez, o elétron deslocado irá neutralizar as lacunas próximas da junção do material tipo P. Com isso, o restante dos elétrons livres e lacunas mais distantes da junção ficam isolados por esta barreira criada devido a neutralizar dos átomos próximos a junção, não havendo, portanto, fluxo corrente, o que aconteceu somente no momento da junção. APLICAÇÃO DE DDP (DIFERENÇA DE POTENCIAL) NO DIODO O cristal do tipo P (positivo) é obtido da mesma maneira que o tipo N e pode ser visto na figura 4. A diferença é que ao invés de colocar um material pentavalente, colocaremos um material trivalente, resultando em uma lacuna na ligação covalente devido a falta de 1 elétron para formar a estabilidade, onde um elétron livre é facilmente atraído por esta ligação. Um símbolo negativo vai ser atribuído ao átomo trivalente que neste caso é o alumínio, pois a vinda de 1 elétron, criou uma ionização negativa neste átomo. Na figura 3, temos átomos de silício combinado com um átomo de fósforo. O fósforo é um átomo pentavalente (possuí 5 elétrons na camada de valência) e combinará com o silício que é tetravalente (4 elétrons na camada de valência). Dessa combinação teremos um elétron do fósforo que ficará fracamente ligado ao núcleo, pois os 4 elétrons de silício precisam de 4 elétrons do fósforo para atingir a estabilidade, e como o fósforo tem 5 elétrons, 1 estará fracamente ligado ao núcleo e neste estado, qualquer energia externa pode extrair este elétron. Ficou criado então um cristal do tipo N. O átomode fósforo nesta condição é chamado de átomo doador, pois pode doar elétrons. Um símbolo positivo será atribuído a este átomo, pois o mesmo perdeu um elétron, ficando ionizado positivamente. Cristal do tipo P ligações covalentes (figura 2) totalizando 8 elétrons para cada átomo, atingindo assim a estabilidade. O arranjo espacial dos átomos forma uma estrutura cristalina tridimensional. DIODO A figura 5, mostra a união do cristal tipo N com o tipo P, dando origem ao componente chamado diodo. No momento da união haverá um fluxo dos elétrons livres do material tipo N próximos a junção para as lacunas próximas a junção do material tipo P. A aplicação de uma d.d.p. nos terminais do diodo pode alargar ou estreitar a barreira c r iada pe la junção dos cristais, dependendo da p o l a r i d a d e d a t e n s ã o aplicada (veja na figura 6, a largura da barreira sem potencial aplicado). Polarização reversa Chamamos de polarização reversa (figura 7), a aplicação de uma tensão positiva no material tipo N e negativa no material tipo P. Os efeitos disto será um aumento na barre i ra , chamada também de camada de carga espacial ( cce ) . I sso acon tece porque o potencial positivo aplicado ao material tipo N atrai os elétrons livres, enquanto o potencial negativo neutraliza as lacunas do material tipo P. O nível em que isto ocorre depende da tensão aplicada e quanto maior a tensão, maior será a Átomo de fósforo (impureza pentavalente) Elétron excedente das ligações de valência. Silício ou Germânio Si Si Si Si P Átomo de Alumínio (impureza trivalente) Lacuna, falta do elétron para formar a ligação de valência Silício ou Germânio Ge Ge Ge Ge Al Íon positivo da impureza pentavalente íon negativo da impureza trivalente Lacuna Elétron Camada de carga Espacial Campo elétrico originado pelos Íons ligados à rede cristalina CCE E P Lacuna Majoritária Lacuna Minoritária Elétron Majoritário Elétron Minoritário N E C.C.E Junção Junção C.C.E P N C.C.E P N figura 3 figura 4 figura 5 figura 6 figura 7 57ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 10a, temos o símbolo do diodo. O terminal próximo ao traço vertical é chamado de catodo (N) e o outro terminal de anodo (P). O símbolo do diodo sugere o sentido de corrente que deverá ser estabelecido para a polarização direta do diodo. Veja na figura 10b, o esquema simbólico do diodo sendo ligado com polarização direta. A polarização reversa é conseguida invertendo o diodo da mesma figura. Na figura 11, temos um gráfico da polarização direta do diodo. A linha mais grossa faz uma relação de tensão aplicada e corrente, sendo a coordenada horizontal a representação de tensão, enquanto a vertical representa a corrente no diodo. Do cruzamento das coordenadas a direita (polarização direta), vemos que até um certo deslocamento horizontal (tensão aplicada) da linha mais grossa, praticamente não há deslocamento vertical (corrente circulante). A partir de um determinado potencial (média de 0,6V), teremos a subida vertical da linha, representando o aumento de corrente (polarização do diodo). Do cruzamento das coordenadas a esquerda temos a linha se deslocando horizontalmente sem subir (não há corrente), mas ao chegar em determinado nível de tensão reversa, haverá a quebra das ligações covalentes nos material tipo P e N, resultando em uma circulação de corrente (subida da linha). O nível de tensão reversa suficiente para promover tal processo depende de características específicas de cada diodos e normalmente é uma tensão muito mais alta do que a da polarização direta. Normalmente essa tensão máxima reversa, deverá ser maior do que a maior tensão aplicado ao diodo em determinado circuito. Obs: caso o diodo seja submetido a tensões barreira criada e vice versa. É importante observar que neste caso, com um aumento na barreira, não houve circulação de corrente do polo positivo ao negativo da bateria; o diodo comportou-se como uma chave aberta. Polarização direta Significa aplicar uma tensão positiva no material tipo P e negativa no material tipo N, resultando num estreitamento da barreira. O efeito disto é que o potencial negativo irá repelir os elétrons l iv res do mater ia l t ipo N, empurrando-os para a junção, enquanto o potencial positivo faz o mesmo com as lacunas do material P. Na figura 8, temos o diodo sem polarização, onde podemos observar a largura da barreira. Na figura 9, temos o efeito da polarização direta no diodo, onde vemos a diminuição da largura da barreira. A partir de um determinado potencial (situado em torno de 0,6V para os diodos de silício e 0,2V para os de germânio), teremos o deslocamento dos elétrons (fluxo) do material tipo N para as lacunas do material tipo P, devido ao estreitamento da barreira. Esse fluxo ou corrente não cessam, pois a d.d.p. aplicada se encarrega de manter a barreira diminuta. É importante observar que nesta configuração houve um fluxo de elétrons do polo negativo ao positivo da bateria; o diodo se comportou como uma chave fechada, e sobre ela criou-se apenas uma diferença de potencial de 0,6V (barreira direta do diodo). Obs: A tensão de 0,6V na polarização direta, é necessária para a polarização do diodo e manter- se-a independente da corrente circulante, pois o aumento da tensão aplicada significará pequeno aumento da tensão sobre o diodo. Na verdade, deve existir alguma carga ou resistor em série com o diodo para que se possa limitar a corrente circulante por este diodo, visto que afirmamos que é uma chave fechada. Para que a barreira do diodo possa ser vencida e possa circular corrente na polarização direta, necessitaremos de pouco mais de 0,5V. Caso o fluxo de corrente aumente pelo diodo, haverá uma maior tensão sobre a barreira que poderá chegar a 0,65V ou até 0,75V (não poderá ultrapassar 0,8V). Uma das características dos diodos é sua corrente direta, ou seja, a corrente máxima que suportará em polarização, tendo o resistor (ou a carga), função importante nesta limitação da corrente. C.C.E P Ni i Eint Eext Junção C.C.E P N P A K SENTIDO DE CONDUÇÃO DO DIODO I A = ANODO K = CATODO N Tensão de Ruptura (Break Down) Vd = tensão direta Id = corrente direta Vr = tensão reversa Ir = corrente reversa Id VdVr Ir figura 8 figura 9 figura 10a figura 10b figura 11 58 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 As figuras 14 (diodo de silício) e 15 (diodo de germânio), ilustram o comportamento do diodo polarizado (em polarização direta – chave fechada). Na figura 13b, o diodo está reversamente polarizado, e sendo assim, não há corrente circulante pela malha, comportando-se como chave aberta. Esta característica acontecerá com todos os diodos reversamente polarizados (desde que a tensão reversa não ultrapasse a tensão de ruptura). CIRCUITOS ELÉTRICOS COM DIODOS Vamos começar a análise por circuitos elétricos apenas com diodos e resistores, trabalhando com tensões contínuas. Inicialmente analisaremos um circuito série com 1 diodo e 1 resistor. Na figura 13a, temos um resistor ligado serialmente com um diodo. Sobre os dois componentes temos aplicada uma d.d.p de 20Vdc. O anodo do diodo está voltado para o resistor e este último ligado ao potencial positivo, ou seja, o diodo recebe uma polarização direta, pois o catodo do diodo está preso no terra (0V) e com isso, teremos uma tensão de 0,6V no seu anodo, resultante da soma de 0V + a queda do diodo 0,6V = 0,6V. Podemos ver que está circulando uma corrente I pelo circuito, já que existe uma queda de tensão de 19,4V sobre o resistor (20V - 0,6V).Já a figura 16, ilustra o comportamento do diodo com uma tensão reversa. DIMENSIONAMENTO DE CIRCUITOS COM DIODO E RESISTORES Os métodos empregados para a associação de A seguir, daremos vários exemplos de circuitos com resistores e diodos para mostrarmos os métodos de dimensionamento das tensões em circuitos série e também paralelo. reversas maiores que ele pode suportar, poderá ocorrer o aquecimento do mesmo, provocado pela tensão reversa aplicada e corrente circulante, e com este aquecimento da junção PN, leva-o a um curto total ou rompimento da junção. Características físicas dos diodos Na figura 12, temos vários tipos de diodos encontrados no comércio de componentes eletrônicos. Sendo diodos de pequenas correntes diretas ou de grandes correntes. Temos ainda diodos que devem trabalhar com grande tensões reversas e pequenas correntes diretas. Ainda teremos diodos que deverão responder às variações de tensão de forma mais rápida ou lenta. A (anodo) K (catodo) SKE 1/ 04 DIODO DE POTÊNCIA A (anodo) K (catodo) A (anodo) K (catodo) A (anodo)K (catodo) A (anodo) K (catodo)A (anodo) K (catodo) A (anodo) K (catodo) I é importante diodo saturado 0,6V 20V V é importante diodo cortado20V 20V 0,6V ou 0,7V 0,6V ou 0,7V A K DIODO DE SILÍCIO O diodo estará saturado quando sua seta apontar para uma tensão mais negativa em relação a tensão do anodo Polarização direta 12V 0,2V ou 0,3V 0,2V ou 0,3V A K DIODO DE GERMÂNIO Polarização direta 12V 12V 12V A K DIODO DE SILÍCIO Polarização reversa +12V O diodo estará cortado quando sua seta apontar para uma tensão mais positiva em relação a tensão do anodo figura 12 figura 13a figura 13b figura 14 figura 15 figura 16 59ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 18a, o diodo D1 está em paralelo com o resistor R2 e ambos em série com R1. A tensão necessária para a polarização do diodo D1 é de 0,6V. Caso R2 tenha um valor muito baixo de resistência, poderemos ter uma tensão sobre R2 e também sobre o diodo menor que 0,6V, não permitindo assim, que o diodo seja polarizado. Para saber se o resistor R2 permite ou não a polarização de D1, faremos o cálculo da tensão considerando o diodo D1 fora do circuito (figura 18b). Caso a queda de tensão sobre R2 seja maior que 0,6V, o diodo será polarizado, caso contrário, não circulará corrente por ele. Podemos afirmar também, que se existe uma queda de tensão de 0,6V sobre R2/D1 e uma queda de tensão de 9,4V sobre R1, podemos dizer que a resistência de R1 é praticamente 15 vezes maior do que a resistência equivalente entre R2/D1 (veja as proporções de quedas de tensões), valendo para o circuito paralelo (R2/D1) um valor aproximado de 700 ohms. Isto significa dizer que para gerar esta resistência equivalente, o valor da resistência do diodo para a malha é menor que 1000 ohms. Na figura 17, temos o diodo D1 polarizado diretamente entre dois resistores. A polarização do diodo resultará em uma queda de tensão fixa de 0,6V sobre ele. O restante da fonte será dividido entre os resistores R1 e R2, ou seja, 10V - 0,6V (queda do diodo) = 9,4 ÷ 2 (total de unidades dos resistores) = 4,7V (queda de tensão em cada resistor). Consequentemente, no ponto A temos 5,3V e 4,7V no ponto B. Para calcular estas tensões, subtraímos do valor da fonte (10V) a queda do diodo que será fixa em 0,6V. O resultado será dividido pelo total de unidades dos resistores, resultando na queda de tensão sobre cada resistor. resistores série e/ou série-paralelo, são os mesmos estudados na apostila módulo 1, com a diferença que os diodos se comportarão como uma chave fechada (com uma queda de 0,6 V entre seus terminais) quando diretamente polarizados e uma chave aberta, quando reversamente polarizados. Exemplo 01: diodo em série A queda de tensão no resistor R2, considerando seu valor com 10k, e D1 fora do circuito, será de 5V, ou seja, o diodo D1 será polarizado, comportando- se como uma chave fechada com queda de 0,6V. Assim, fixa-se a tensão sobre R2 em 0,6V, que será a mesma do ponto A, como mostra a figura 18c. Com isso, uma parte da corrente circulante total do circuito que passa por R1, passará por R2 e o restante será desviado pelo diodo D1. Exemplo 02: diodo em paralelo Exemplo 03: diodo em paralelo Exemplo 04: diodo em série/paralelo Calcularemos a tensão no ponto A igual a forma calculada anteriormente, ou seja, retirando o diodo. Calculando a queda no resistor R2, resultará em 0,01V (figura 19b). Com esta queda o diodo D1 não será polarizado, e no ponto A teremos 0,01V (figura 19c). No circuito da figura 20a o diodo D1 está em série com o resistor R3 e ambos em paralelo com R2. A condução do diodo D1 depende do valor do resistor Na figura 19a, temos um exemplo semelhante ao anterior, só que neste caso o resistor R2 é de 10W. 5V A R1 10kW R2 10kW D1 Tensão mais que suficiente para saturar D1 +10V 0,6V Tensão será grampeada com 0,6V acima do catodo A R1 10kW R2 10kW D1 +10V?R1 10kW A R2 10kW D1 +10V 5,3V A B 4,7V +10V R1 1kW R2 1kW D1 5V0,6V ? A R1 10kW R2 10W D1 Tensão insuficiente para saturar D1 +10V 0,01V A R1 10kW R2 10W D1 +10V 0,01V Tensão será de 0,01V A R1 10kW R2 10W D1 +10V figura 18a figura 18b figura 18c figura 17 figura 19a figura 19b figura 19c 60 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Obs: este tipo de cálculo em que desprezamos o diodo e fazemos R2 paralelo com R3 (figura 20d) só pode ser feito caso R2 seja igual a R3. Caso isso não seja verdade, esse cálculo será uma aproximação da realidade, introduzindo erro nas tensões calculadas. O resultado pode ser visto na figura 20e, onde o tracejado indica a tensão de 5V e entre os pontos A e B temos a queda de 0,6V sendo distribuída com +0,3V para o anodo e -0,3V para o cátodo. O exemplo visto na figura 21, trata-se do mesmo circuito do exemplo anterior, com a diferença de que neste caso, a malha série/paralela está ligada ao positivo da fonte. O procedimento para calcular as tensões é igual ao anterior, pois, como já tínhamos calculado desligando D1 do circuito, teríamos 6,6V sobre R1 que seria suficiente para polarizar D1 então fazendo R2 paralelo com R1 (considerando D1 uma chave fechada) ficaremos com 1k de R e q u i v a l e n t e e d e p o i s d i m e n s i o n a n d o Requivalente com R3 teremos 5V de tensão sobre R1. Após, colocando a queda de 0,6V sobre D1 e dividindo 0,3V para o anodo e 0,3V para o catodo, chegaremos a 4,7V para o ponto B e 5,3V para o ponto B, como ilustra a figura 21. Como se pode notar a queda sobre R2 é de 6,6V, fazendo a proporção R1 receber 1x e R2, 2x, totalizando 3x, dividindo a tensão da fonte (10V) por 3 teremos 3,3V por 1x, como R2 vale 2x teremos 6,6V de tensão sobre R2. Com isso, D1 será polarizado (figura 20c) gerando a ligação paralela entre R2 e D1 + R3. Como o diodo com polarização direta se comporta praticamente como uma chave fechada, iremos calcular a resistência equivalente do circuito paralelo entre R2 e R3, ignorando D1 (chave fechada). O resultado foi de 1k de resistência equivalente; calculando a tensão no ponto A com este valor, teremos uma tensão de 5V (figura 20d). Em série com o resistor R3, temos D1 que apresentará uma queda de 0,6V. R2 como visto no exemplo anterior. Para saber se D1 irá conduzir, iremos separar D1 e R3 do circuito e calcular a queda em R2 (figura 20b). Devemos novamente lembrar que este método de cálculo para malhas paralelas com diodos, é aproximado e só é exato para 2 resistores “paralelos” iguais (R1 e R2). A figura 22a, reforça os procedimentos vistosaté aqui. A queda em R3 sem o diodo D1 é maior que 0,6V, ou seja, D1 será polarizado. Sua polarização reduz o potencial de 20V para 19,4V no ponto A, onde esta tensão é aplicada em duas malhas série, que terão tensões independentes uma da outra, Exemplo 05: diodo série/paralelo Exemplo 06: diodos série/paralelo ? A R1 1kW R2 2kW D1 +10V R3 2kW 6,6V A R1 1kW R2 2kW D1 Tensão mais que suficiente para saturar D1 +10V R3 2kW R1 1kW R2 2kW D1 0,6V +10V R3 2kW R1 1kW R2 2kW D1 +10V R3 2kW R1 1kW A B R2 2kW D1 5V +10V R3 2kW 5,3V 4,7V +10V R3 1kW R1 2kW D1 5V A B R2 2kW 5,3V 4,7V figura 20a figura 20b figura 20c figura 20d figura 20e figura 21 61ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 O resultado foi 8V no ponto A e 4V no ponto B, ou seja, D1 está polarizado, ligando as malhas série, como pode ser visto na figura 24c. como podemos ver na figura 22b, sendo essas duas malhas isoladas. Como a tensão do ponto A está presa em 19,4V pelo diodo D1, podemos analisar as 2 malhas série independentes do restante do circuito, tomando o ponto A como uma fonte de 19,4V. Para calcular os pontos B e D retiramos 0,6V da tensão de 19,4V e dividimos o resultado (18,8V) pelas unidades entre R1 e R2, resultando em 9,4V de queda de tensão para cada resistor; no ponto D teremos então 9,4V e no ponto B, 10V . No ponto C, o diodo D3 reduz a tensão de 19,4V para 18,8V com sua polarização, enquanto que a polarização de D4 vai gerar uma tensão de 0,6V no ponto E. Na figura 23 temos o circuito completo com todas as tensões marcadas. Exemplo 07: diodo entre duas malhas série A figura 24a, ilustra duas malhas série que podem estar em paralelo (caso D1 esteja polarizado) ou independentes (caso de D1 esteja cortado). A polarização para D1 depende de uma tensão maior no anodo em relação ao catodo em 0,6V. Antes de calcularmos as tensões deveremos saber se D1 irá ou não polarizar diretamente, e para isso, basta calcular as tensões nas duas malhas com o diodo fora do circuito (figura 24b). Na figura 24d, temos o resultado das 2 malhas paralelas; onde R1 é paralelo à R3 formando um resistor equivalente; então R1 vale 1x e R3 vale 2x totalizando 3x, fazendo a divisão de R3 (maior resistor) por 3x, chegaremos ao valor de 0,66k para o resistor equivalente. Agora R2 é paralelo a R4 formando um resistor equivalente também de 0,66k, já que seus valores são iguais a R1 e R3. A princípio, iremos calcular as tensões como se D1 fosse um curto. O resultado pode ser visto a seguir. R1 1kW R2 1kW D1 D3 D4 D2 A B C ED 19,4V 0,6V +20V R3 4kW R4 2kW R1 1kW R2 1kW D3 D4 D2 AA B C ED +19,4V +19,4V 18,8V 0,6V 10V 9,4V R4 2kW R1 1kW R2 1kW D1 D3 D4 D2 A B C ED 19,4V 18,8V 0,6V 10V 9,4V +20V R3 4kW R4 2kW +12V R1 1kW R2 2kW D1 A B ? ? R3 2kW R4 1kW +12V R1 1kW R2 2kW D1 R3 2kW R4 1kW 4V 8V +12V R1 1kW R2 2kW D1 A tensão é suficiente p/ polarizar o diodo então... R3 2kW R4 1kW figura 22a figura 22b figura 23 figura 24a figura 24b figura 24c 62 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 24e, temos a atuação do diodo, onde em seu “centro” teremos a tensão calculada de 6V, então dividindo essa tensão teremos a tensão de anodo será 6V + 0,3V = 6,3V, enquanto que no cátodo a tensão será obtida por 6V - 0,3V = 5,7V. Como os 2 resistores equivalentes são iguais, a tensão no centro será de 6V, dividindo a tensão de 12V da fonte por 2x. Essa tensão será a tensão no centro do diodo D1. Este método de cálculo que envolve malhas paralelas com diodo, como já foi dito anteriormente, é um método aproximado e como os resistores “paralelos” não são iguais (R1 e R3; R2 e R4), as tensões aqui calculadas apresentam um pequeno erro se comparada com as tensões reais de um circuito igual a este. Para o aluno saber quando pode ser aplicado este método ele deve verificar a diferença entre o menor resistor e o maior resistor do circuito. Erros menores que 10% (que é aceitável) o maior resistor não deverá ser 4x maior que o menor resistor. RESUMO: Os diodos reversamente polarizados, funcionarão como chaves abertas, não atuando no circuito, e para efeito de dimensionamento eles poderão ser retirados do circuito deixando uma “lacuna” em seu lugar. Já os diodos diretamente polarizados, colocados em malhas cuja diferença de potencial é maior que 0,6V, funcionarão como chaves fechadas. Para efeito de cálculo de dimensionamento devemos calcular as malhas como se fossem curtos, e somente depois atribuir uma diferença de potencial de 0,6 volts fixa sobre eles, independente da corrente circulante. No dimensionamento de circuitos série com resistores, em que os diodos estão diretamente polarizados, devemos primeiramente somar 0,6V para cada diodo do circuito e depois subtrair este total da tensão de alimentação do circuito, a tensão que resultar deverá ser dividida proporcionalmente aos resistores como num circuito série só de resistores. Já no dimensionamento de circuitos paralelos de resistores com diodos devemos primeiramente desligar os diodos do circuito e dimensionar o circuito para sabermos se existe tensão para polarizar o diodo, ou seja, tem que haver mais de 0,6V (polarização direta). Caso isto aconteça, devemos agora considera-los no circuito e fixarmos a tensão de 0,6 volts sobre ele. Caso tenhamos resistores paralelos com um diodo em série a um deles, deveremos tomar o diodo como um curto e depois dimensionar o circuito. Lembrando que este último procedimento é um método de cálculo aproximado e as tensões por ele encontradas terão uma diferença da tensão real. +12V R1 1kW R2 2kW D1 6V +0,3V - 0,3V 6,3V A B 5,7V R3 2kW R4 1kW +10V R1 300W D1 A B C D E F L K M N O O P Q R G H I J D3 D4 D5 D11 D12 D13 D14D6 D7 D8 D9 D10 D2 R2 1kW R4 2,2kW R3 1,2kW R5 10kW R6 3kW R8 100kW R10 1W R11 10MW R7 3kW R9 1kW Nos exercícios a seguir, coloque as tensões nos pontos em relação ao potencial negativo figura 24e +12V R1 1kW R2 2kW D1 R3 2kW R4 1kW figura 24d 6V 1 2 3 4 5 6 7 8 63ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +10V R1 1kW R2 2kW D1 D5 D4 D3 D6 D7 D8 D13 D12 D11 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D9 D10 D2 R3 3kW R5 2kW R4 2kW R6 5kW R7 10kW R8 200W R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 12kWR9 600W M1 N1 O1 P1 Q1 R1 S1 T1 U1 V1 W1 X1 Y1 Z1 A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2 H2 I2 J2 +12V R1 300W R3 10kW R7 10kW R4 2kW R8 22kW R2 1kW R6 22kW R10 10kW R12 47kW R14 100kW R5 10kW R9 22kW R11 100kW R13 47kW S T U V W X Y Z A1 D1 D3 D4 D5 D3 D2 +9V R1 10kW R4 1,2kW R8 1,2kW R5 2k2W R9 2,2kW R3 100W R2 100kW R7 2,2kW R11 1,2kW R13 100W R15 2,2kW R6 1,2kW R10 2,2kW R12 2,2kW R14 1,2kW B1 C1 D1 E1 F1 G1 H1 I1 J1 K1 L1 D2 D3 D4 D5 D6 D1 9 13 10 14 11 15 12 16 17 18 19 20 21 22 23 24 64 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +20V R1 2kW D1 D4 D9D6 D11 D7 D12 D14 D15 D8 D13 D5 D10 D2 D3 R5 2kW R4 1kW R3 2kW R6 5kW R9 1kW R7 600W R10 1kW R8 10kW R11 1kW R12 2kW R15 2kW R16 4kW R13 1kW R14 1kW R2 3kW K2 L2 M2 N2 O2 P2 Q2 R2 S2 T2 U2 V2 W2 X2 Y2 Z2 +10V R1 2kW R2 2kW D1 D5 D4 D3 D6 D7 D8 D13D12 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D9 D10 D11 D2 R3 3kW R5 20W R4 2kW R6 5kW R7 10MW R8 200kW R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 120 WR9 600W A3 B3 C3 D3 E3 F3 G3 H3 I3 J3 L3 M3 N3 P3 Q3 R3 S3 T3 U3 V3 W3 X3 Y3 Z3 http://pt.wikipedia.org/wiki/Semicondutor http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/meta.php?meta=Semicondutores www.esev.ipv.pt/tear/Recursos/Hits.ASP?...28%2FSemicondutores... http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_semicondutor http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic_220.shtml www.lsi.usp.br/~bariatto/fatec/aca/aula2-diodos.pdf http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic_210.shtml Pesquisas na internet sobre semicondutores e diodos: 1) 1,2V / 0,6V 2) 9,4V 3) 6,65V / 6,05V 4) 3,6V / 3V / 2,4V / 1,8V / 1,2V 5) 0V / 0V 6) 0,68V / 0,09V 7) 10V / 10V 8) 10V / 0V 9) 12V / 11,4V / 11,4V 10) 2V / 8,25V 11) 8,25V / 3,75V 12) 5,7V / 6,3V 13) 0,09V / 0,09V / 0,09V 14) 5,78V / 5,78V / 5,3V 15) 5,8V / 2,7V / 3,2V 16) 0,9V / 1,5V 17) 7,1V / 6,5V / 0,6V 18) 1,8V / 1,2V / 0,6V 19) 9,4V / 5V / 0,6V 20) 9,4V / 8,8V / 8,2V 21) 1,8V / 1,2V / 0,6V 22) 7,8V / 7,2V / 6,6V 23) 9,4V / 6,4V / 5,8V 24) 5,6V / 5V / 0,6V 25) 19,4V / 18,8V / 18,2V / 0V 26) 19,4V / 1,2V / 0,6V 27) 0V / 0V / 0V 28) 19,4V / 18,8V / 0,6V 29) 11V / 11,6V / 5,5V 30) 5,6V / 5V / 0,6V 31) 10V / 9,5V / 0V 32) 9,4V / 0,6V / 0,6V 33) 9,4V / 8,8V / 8,2V / 7,6V 34) 9,4V / 0,6V 35) 1,22V / 0,62V / 0,02V 36) 9,4V / 0,8V / 0,2V 37) 10V / 9,5V / 9,5V A sequência das tensões serão colocadas de cima para baixo e da esquerda para direita: respostas do dimensionamento de tensões das páginas anteriores e desta: 30 25 31 26 32 27 33 28 34 29 35 36 37 Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-17 à M2-20. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 65ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 ANÁLISE DE DEFEITOS COM DIODOS Diodo aberto: Este defeito poderá manifestar-se somente quando o diodo estiver diretamente polarizado e possuindo entre seus terminais tensão acima de 0,6V. Neste defeito a junção PN está interrompida e portanto o diodo se comporta como uma chave aber ta independente de sua polarização, não permitindo nenhuma circulação de corrente mesmo se estiver diretamente polarizado sob qualquer tensão. Este defeito geralmente ocorre quando o diodo foi submetido a uma corrente muito “alta” (bem acima de sua corrente nominal) ou quando for submetido a uma tensão reversa muito acima do que possa suportar. Diodo com fuga: este defeito manifesta-se na polarização direta, quando a tensão sobre o diodo é pouco maior que zero volt e um pouco menor que 0,6V. Também manifesta-se na polarização reversa, quando o diodo, que deveria ser uma chave aberta, apresenta determinada resistência entre seus terminais. Quando a junção PN é rompida, faz parte dos cristais se recombinem, ficando com uma constituição parecida com um resistor que poderá ser de baixo ou alto valor, mas com características parecidas com um diodo, então o diodo passará a conduzir corrente elétrica quando está inversamente polarizado, igual a um resistor, ou ainda quando estiver diretamente polarizado. Este defeito ocorre geralmente quando o diodo é submetido a tensões reversas bem acima da tensão nominal para a qual foi fabricado. Para os diodos essa análise é um pouco mais “delicada” como veremos a seguir: Diodo em curto: neste defeito os cristais P e N se recombinaram formando um material condutor de baixa resistividade; em outras palavras o diodo passará a funcionar como um resistor de “baixíssimo” valor (próximo a 0W); com isso o diodo será um curto, e mesmo reversamente polarizado, não terá tensão sobre seus terminais (curto total). Este defeito também ocorre quando o diodo é submetido a “fortes” correntes, levando o mesmo ao aquecimento excessivo, mas não tão forte para causar ruptura, fazendo assim seu material estrutural se recombinar. Exemplo1: Na figura 25a, o diodo D1 esta diretamente polarizado; sua polarização deixaria a tensão do ponto A com 0,6V acima do terra, ou seja, 0V (terra) + 0,6V (queda do diodo) = 0,6V. O diodo pode ser considerado um componente de análise mais complexa que o resistor, pois em análise de defeitos poderá apresentar-se aberto, alterado, em curto e com fuga. Já para os resistores, basicamente só tínhamos 2 defeitos possíveis: resistor aberto ou alterado. Diodo alterado: Este defeito poderá manifestar-se somente quando o diodo estiver diretamente polarizado e possuindo entre seus terminais tensão acima de 0,6V. Apresenta uma degeneração de seus cristais, fazendo com que o diodo perca suas características de P e N, sendo que entre seus terminais apareça uma tensão maior que 0,6V, ou seja, passa a ter uma determinada resistividade, que pode chegar de alguns ohms a mais de 100k. Nesse caso de alterado, a resistência interna não poderá ser maior que 1Mohm, pois se isso ocorresse, poderia ser considerado como diodo aberto. A seguir temos alguns circuitos com defeito, com descrições detalhadas de como chegar ao componente defeituoso. Para mostrar alguns métodos de análise de defeitos em circuitos com diodos e resistores, partiremos dos circuitos mais simples para os mais complexos. AULA 6 ANÁLISE DE DEFEITOS EM DIODOS SEMICONDUTORES Vários tipos de defeitos nos diodos com resistores em malhas série e paralelas +10V D1 D1 Diodo aberto R1 1kW R1 1kW A 10V figura 25a figura 25b 66 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 2a: Na prática, podemos dizer que se observarmos detalhadamente a medição feita na tela do multímetro, muitas coisas poderemos concluir. Se a tensão medida, for de zero volt e não varia, temos uma probabilidade de quase 100% de ser o diodo em curto. Mas, caso a tensão indicada em zero volt, produzir pequenas variações, podemos afirmar que o resistor está aberto. Esta pequena variação que estamos mencionando, ocorre também quando temos as pontas do multímetro em aberto, recebendo pequenas interferências e alterando levemente a tensão de zero indicada no display. 2c: Finalmente, poderemos determinar o problema alterando a referência de medição do multímetro. Medindo o ponto A temos zero volt, que poderia ser D1 em curto ou R1 aberto. Mas fica a dúvida. Colocando agora a ponta vermelha do multímetro no potencial positivo e a ponta preta no ponto de medição A, caso a medição resulte em 10V, o diodo D1 estará em curto. Mas se continuarmos medindo zero volt, o resistor R1 é que estará aberto. Exemplo 2: A figura 26 é o mesmo circuito da figura 25, só que a tensão no ponto A agora é 0V. Exemplo 5: Na figura 29, agora temos um circuito com 2 resistores e um diodo em série com os resistores. Como o nosso circuito é um circuito série então basta colocar as tensões e analisar a proporção entre os resistores e a polarização do diodo, como pode ser visto na figura 29b. Essa tensão de 0V no ponto A, pode ser resultado de um curto em D1 ou R1 aberto. Este defeito é muito difícil de ser analisado, e veremos várias formas de fazer isso: Sobre R1 temos 2,4V (10V - 7,6V), para marcarmos a tensão sobre um componente utilizamos uma seta Mas como pode ser visto, a tensão do ponto A se encontra com 10V -tensão da fonte - indicando que D1 não está polarizado, funcionando como uma chave aberta, mesmo diretamente polarizado, indicando que D1 está aberto, como ilustra a figura 25b. 2b: Neste defeito, levantando D1 e novamente medindo o ponto A. Caso a tensão seja de 10V, R1 estará bom, mas D1 estará em curto. Caso a tensão seja de 0V, R1 estará aberto. Exemplo 3: Continuamos com o mesmo circuito dos exemplos anteriores, agora o diodo D1 da figura 27 está polarizado, o que é normal para as condições de polarização em que D1 se encontra, mas sobre ele podemos notar uma tensão de 0,2V, ou seja, abaixo do normal, indicando que D1 está com fuga. Exemplo 4: Na figura 28, o diodo D1 está polarizado e podemos notar, que existe sobre o mesmo uma tensão de 6V, indicando que pelo diodo está havendo corrente, mas sua condutividade é menor, ou seja, D1 está alterado, resultando em uma queda de tensão maior sobre o mesmo. Para analisar circuitos com defeitos, devemos sempre ter o mesmo procedimento, que é de colocar as tensões sobre os componentes. As tensões medidas nos pontos A e B nos servem apenas de instrumento para chegarmos as quedas de tensões sobre os componentes. NÃO DEVEMOS calcular as tensões que o circuito teria caso não estivesse com defeito. +10V D1 D1 em curto ou R1 aberto R1 1kW A 0V +10V D1 D1 com fuga R1 1kW A 0,2V +10V D1 alterado R1 1kW A 6V +10V D1 R1 1kW R2 1kW A B 7,6V 7V figura 27 figura 26 figura 28 figura 29a 67ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Exemplo 6: O circuito da figura 30a, é idêntico ao exemplo anterior, mas com tensões diferentes no ponto A e B. sobre o componente indicando uma diferença de potencial, cuja a ponta indica o potencial maior (+) e o início da seta indica o potencial menor (-). Para marcar a tensão sobre R1 utilizamos uma seta apontada para cima pois a tensão em cima de R1 é 10V (+) e embaixo de R1 a tensão do ponto A é 7,6V(-) que é a tensão mais negativa. Esta seta de indicação além de indicar a tensão sobre o componente também indica o sentido de circulação da corrente, que será o sentido oposto ao da seta pois a circulação da corrente elétrica se dá no sentido do potencial positivo para o negativo. Na figura 30b, temos o mesmo circuito com as quedas de tensões indicadas pelas “setas”. Voltando a nossa análise do defeito estávamos colocando as tensões sobre os componentes com uma seta indicativa para facilitar a análise. R1 tem 2,4V e R2 tem 7V sobre ele (7V – 0V). Já D1 tem 0,6V de queda de tensão. Fazendo a análise, começaremos com D1, que está diretamente polarizado (seta de tensão apontada para o anodo) e a queda de tensão sobre ele é 0,6V indicando que o diodo deve estar polarizado corretamente; então a princípio, descartamos um defeito no diodo. Vamos agora analisar os resistores; como estão em série, a análise é a mesma feita para circuitos só de resistores, como visto na apostila de módulo 1, R1 recebe uma tensão de 2,4V e R2 com 7V dando uma proporção para R3 em torno de 3x, a tensão de R1 (7V ÷ 2,4V). Como R2, tem o valor igual a de R1 (1kW), então as tensões também deveriam manter a proporção de 1 para 1, com isto podemos concluir que R2 está alterado (o que tem a tensão maior), conforme mostra a figura 29b. Do mesmo modo que analisamos o exemplo anterior, vamos analisar este exemplo. Em primeiro lugar, colocar as quedas de tensão sobre os componentes com as “setas” para indicar as tensões como já foi explicado no exercício anterior. Teremos então para R1 uma queda de tensão de 7V (10V – 3V); em R2 teremos uma queda de tensão de 2,4V (2,4V – 0V), e por fim em D1 teremos 0,6V (3V - 2,4V) de queda de tensão, como pode ser visto na figura 30b. Agora continuaremos a análise com os resistores, R2 tem a menor queda de tensão (2,4V) e será nossa referência, R1 tem 7V de tensão e proporcionalmente a R2 será 3x maior que R1 (7V ÷ 2,4V); como R2 tem o valor igual a de R1 (1kW). Então, as tensões sobre eles também deveriam manter a proporção de 1 para 1, com isto, podemos concluir que R1 está alterado (o que tem a tensão maior), conforme mostra a figura 30b. Exemplo 7: Neste exemplo também temos o mesmo circuito dos exemplos anteriores, como mostra a figura 31a. Na figura, temos as tensões medidas no circuito com defeito. Já sabemos que o primeiro passo, para analisar defeitos, é colocar as tensões sobre os componentes, como é feito na figura 31b. Vamos começar a análise por D1, que está polarizado diretamente (tensão maior no anodo, conforme indica a “seta”) e como está com uma queda de tensão de 0,6V sobre ele, podemos considerar que D1 está polarizado normalmente. Devemos co loca r as t ensões sob re os +10V D1 R1 1kW R2 1kW R2 alterado A B 2,4V 0,6V 7V + + + - - - +10V D1 R1 1kW R2 1kW A B 3V 2,4V +10V D1 R1 1kW R1 alterado R2 1kW A B + - + - + - 7V 2,4V 0,6V +10V D1 R1 1kW R2 1kW A B 5V 5V figura 30a figura 31a figura 30b figura 29b 68 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 componentes, fazendo a diferença entre as tensões acima e abaixo do componente e marcá-las na figura com uma seta indicando a tensão mais positiva (maior potencial). R1 tem 5V sobre ele, já que na parte de cima temos 10V da fonte e na parte debaixo temos 5V no ponta A, R2 também tem 5V de tensão já que na parte de cima temos 5V do ponto B e embaixo temos 0V da “massa”, já D1 não apresenta nenhuma queda de tensão (0V) já que as tensões do ponto A e B são iguais a 5V. Começamos a análise justamente D1, pois não queda de tensão sobre ele, e olhando o circuito, vamos verificar que tanto R1 como R2 apresentam quedas proporcionais, indicando que existe corrente circulante. Assim, afirmamos que D1 está em curto, permitindo a passagem de corrente pela malha sem apresentar 0,6V sobre ele. Exemplo 8: Neste exemplo temos um circuito diferente, onde dois resistores estão em série, sendo que D1 está em paralelo com um dos resistores (R2). Na figura 32a, temos as tensões medidas no circuito com defeito, onde em R1 tem 5V sobre ele, já que na parte de cima temos 10V da fonte e na parte debaixo temos 5V no ponto A . No resistor R2, também há 5V de tensão já que na parte de cima temos 5V do ponto A e embaixo temos 0V da “massa”. Consequentemente, D1 também tem 5V sobre ele, já que está paralelo a R2. Vemos que D1 está polarizado diretamente, já que a tensão mais positiva está em seu anodo (ponta da seta indicadora de tensão). Mas, como esta tensão de polarização (5V) é maior que 0,6V indica que D1 está aberto. Para confirmar que os resistores não estão com defeito podemos verificar que suas quedas de tensão são iguais (5V cada) e os seus valores de resistência também são iguais (10kW), mantendo a proporção (de 1 para 1), tanto para a tensão como para a resistência, como pode ser conferido na figura 32b. O resistor R1 tem 9,8V sobre ele, já que na parte de cima temos 10V da fonte e na parte debaixo temos apenas 0,2V no ponto A . O resistor R2 tem 0,2V de tensão já que na parte de cima temos 0,2V do ponto A e e m b a i x o t e m o s 0 V d a “ m a s s a ” . Consequentemente, D1 também tem 0,2V sobre ele, já que está em paralelo a R2. Podemos ver que D1, está diretamente polarizado, mas mal polarizado, já que a tensão mais positiva está em seu anodo é de somente 0,2V. Poderíamos ter aqui, Exemplo 9: Neste exercício, temos um circuito idêntico ao exemplo anterior, como podemos ver na figura 33a. Na figura, temos as tensões medidas no circuito com defeito, onde já sabemos que o primeiro passo será analisar as tensões sobre os componentes,a corrente elétrica também gera um novo campo, que tem propriedades diferentes do campo elétrico. Ele não atrai cargas elétricas e nem gera força elétrica a partir delas, como ocorre com o campo elétrico. Esse novo campo, tem a propriedade de criar força de atração ou repulsão apenas nas correntes elétricas e é chamado de CAMPO MAGNÉTICO. Todo material que está “imerso” em um campo magnético sofrerá ação das linhas de força magnética, que irão interagir com as correntes O mesmo princípio de linhas de forças elétricas, aplicado ao campo elétrico, pode ser aplicado ao campo magnético, conforme vemos na figura 1. O CAMPO MAGNÉTICO Na apostila anterior, estudamos o campo elétrico, formado à partir de cargas elétricas. Este campo é responsável por gerar uma diferença de potencial, criando uma tensão elétrica, e esta por sua vez, quando ligado a um condutor elétrico e mais alguns componentes eletro-eletrônicos, irão gerar corrente elétrica, realizando assim, trabalho na forma de calor, luz, som, etc. Historicamente, o campo magnético e suas propriedades magnéticas foram descobertos bem antes do campo elétrico. Posteriormente, foi descoberto que o campo elétrico e magnético são gerados a partir do mesmo princípio e que na realidade, ambos - elétrico e magnético - são um só campo, porém aplicados em referenciais diferentes. Só que esta história fica para depois... Voltando às propriedades do campo magnético, devemos salientar a propriedade de atração de materiais “ferrosos”, ou seja metais que são formados a partir do elemento ferro. Essa propriedade ficou conhecida como magnetismo ou atração magnética, pois o campo magnético atrai metais compostos por ferro, como já é do conhecimento de nossos alunos. Na prática toda pessoa já deve ter “brincado” com um pedaço de material, chamado de “imã”; que atraía pregos, parafusos, metais em geral. Esse material chamado de imã, tem “dentro” de suas moléculas “micro- correntes”, formadas pela movimentação dos elétrons; e essa corrente elétrica gera um ‘micro- campo magnético”, também chamados de “spins”. O arranjo natural das moléculas, faz com que esses micro-campos se somem formando um campo magnético macroscópico que passa a ser permanente para aquele material. Resumidamente os imãs naturais permanentes tem um campo magnético natural formado a partir das correntes elétricas internas às suas moléculas. Nessa figura podemos ver um ímã natural, com as linhas de forças magnéticas do campo magnético. No campo elétrico as cargas tinham polaridade “+” e “-”, no campo magnético as polaridades são chamadas de NORTE e SUL; conforme podemos ver na figura, as linhas de força saem do pólo norte e terminam no pólo sul. IMÃ figura 1 S N OBJETO SOB AÇÃO DO IMÃ, SENDO ATRAÍDO PELO MESMO IMÃ figura 2 INDUTORES EM CC E CAMPO INDUZIDO O campo magnético e suas atuações auto-indução - Indutância e Indutores Reatância Indutiva - O indutor como componente Indutor em corrente contínua (CC) Análise de malhas com defeitos Análise de malhas com dimensionamentos 8 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 elétricas desse material; tentando alinhá-las conforme o sentido das linhas de força. Quando o material imerso orientar suas moléculas conforme as linhas de força magnética, esse material também passa a produzir um outro campo magnético e com isso sofrerá atração (ou repulsão) do imã que gerou o primeiro campo magnético (figura 2). MAGNETISMO é a propriedade que certos corpos apresentam de atrair outros corpos, como o ferro e outros metais. Na natureza podemos encontrar a lgumas substâncias que possuem essa propriedade de forma acentuada, e são chamados de imãs naturais. Destes materiais o que mais se destaca é a magnetita. Olhando atentamente para a figura 3, podemos observar que os polos magnéticos da terra são exatamente opostos aos polos geográficos. Resumidamente podemos definir: Como já dissemos anteriormente os imãs apresentam dois polos que foram definidos como: polo SUL e polo NORTE; o polo norte de um imã atrai o polo sul de outro imã ou corpo magnetizado e, consequentemente, o polo norte do imã atrai o polo sul. Já polos iguais, de imãs diferentes, se repelem. A terra também tem em seu interior uma infinidade de correntes elétricas e portanto ela é um gigantesco imã que produz um campo magnético, na figura 3 podemos ver a terra com suas linhas de força magnética e seus polos magnéticos norte e sul. O campo magnético portanto, possui linhas de força magnética, e com isso podemos definir a grandeza FLUXO MAGNÉTICO como sendo a quantidade de linhas de força magnética por unidade de área, daí poderemos definir algumas unidades de medida: MAXWELL é a unidade de medida de uma linha de força magnética e portanto de fluxo magnético. Embora essa medida seja muito prática ela não é utilizada pelo Sistema Internacional (SI), que adotou o weber como medida de linhas de força magnética e fluxo magnético. 6O WEBER, cuja símbolo é “Wb”, equivale a 1x10 maxwell ou linhas de força magnética. Como o fluxo magnético depende do tamanho da área que ele atravessa, a medida de densidade de fluxo magnético é mais usada para expressar o valor do campo magnético. Para a unidade maxwell, a densidade de fluxo magnético é expressa em maxwell/cm², que equivale a 1 gauss, que é abreviado por “G”. Para campos magnéticos pequenos utilizamos a unidade gauss. Como já dissemos o SI não adota o maxwell e portanto nem o gauss. A unidade adotada pelo SI para medir densidade de fluxo magnético é o weber/m², que equivale a 1 TESLA, que é abreviado por “T”. O campo de 1 tesla equivale a campos magnéticos muito grandes, e por isso, recorremos a unidade gauss para representar os campos magnéticos, 1 tesla equivale a 10.000 gauss. Para melhor exemplificar vamos comparar o valor do campo magnético da terra que vale 0,57 gauss, mas se fosse representado em tesla teremos o valor -5 de 5,7 x 10 tesla. Como a terra se comporta como um grande imã, nós podemos usar essa propriedade para nos orientarmos em relação as posições geográficas; é o caso da bússola, que é um instrumento de orientação muito simples e ao mesmo tempo muito preciso. Ela é constituída basicamente por uma “agulha” imantada que se orienta pelas linhas de força magnética da terra. Portanto, seu polo norte (da bússola) sempre estará apontado para o polo norte geográfico, que é na realidade o polo sul magnético da terra. CAMPO MAGNÉTICO E TENSÃO ELÉTRICA Exatamente!!! Como já tínhamos comentado anteriormente o campo elétrico e o campo magnético são duas formas diferentes de interpretar a mesma energia; essa “energia” é c h a m a d a d e c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o . Resumidamente podemos dizer que a variação do campo elétrico gera um campo magnético e a variação do campo magnético gera um campo elétrico. Como já foi explicado, o campo magnético é gerado a partir da corrente elétrica, e quando uma corrente circula por um condutor, aparece um campo magnético ao seu redor. Contudo, para a corrente circular por um condutor é necessário a presença de um campo elétrico (gerando uma tensão elétrica), podemos então concluir que o campo magnético é gerado indiretamente pelo campo elétrico, ou melhor dizendo, por uma diferença do campo elétrico, que gera uma diferença de potencial (tensão). figura 3 9ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Quando a chave “S1” da figura 4 é fechada, a corrente começa fluir e um campo eletromagnético aparece conforme o desenho. Contudo, o campo eletromagnético não aparece imediatamente, começando a ser formado a partir do centrocomo é feito na figura 33b. +10V D1 D1 em curto R1 1kW R2 1kW A B + - + - + - 5V 5V 0V +10V D1 R1 10kW R2 10kW A 5V +10V D1 D1 aberto R1 10kW R2 10kW A 5V 5V 5V +10V D1 R1 10kW R2 10kW A 0,2V +10V D1 D1 C/ fuga R1 alterado R1 10kW R2 10kW A 9,8V 0,2V 0,2V OU figura 31b figura 32a figura 32b figura 33a figura 33b 69ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 dois defeitos, que seria uma fuga na polarização direta de D1 e também o resistor R1 alterado. Exemplo 10: Neste exercício temos um circuito diferente dos exemplos anteriores, como podemos ver na figura 34a. Voltando a nossa análise devemos transformar o circuito da figura 34c (onde D1 é uma chave fechada) num circuito exclusivamente série (figura 34d). Para isso, devemos calcular o Req da malha paralela R2 e R3. Isto só é possível devido a R2 e R3 serem igua is (como já fo i d iscu t ido anteriormente). Depois de calcular Req, que será igual a 1k, devemos substitui-lo pela malha paralela ficando com um circuito série. Neste circuito, poderemos comparar as quedas de tensões de R1 (3,1V) com Req (6,6V), como os resistores tem o mesmo valor, eles também deveriam ter a mesma queda de tensão, fato que não está ocorrendo, indicando que a malha correspondente a Req está com defeito, alterando o Req para 2k. Nesta f igura, temos as tensões sobre os componentes (indicadas pelas setas), em R1 teremos 3,1V (10V - 6,9V), em R2 teremos 6,9 V (6,9V - 0V), em R3 teremos 6,3V (6,3V - 0V) e finalmente em D1 temos 0,6V (6,9V - 6,3V). Vamos começar a análise pelo diodo, onde D1 está polarizado diretamente com 0,6V sobre ele, indicando provavelmente ele está em boas condições. O próximo passo seria analisar os resistores, mas neste caso não temos um circuito série e portanto não podemos fazer uma simples comparação entre as quedas de tensões sobre os resistores com o valor de suas resistências. O procedimento correto para a análise é transformar o diodo que está polarizado diretamente (com 0,6V) em chaves fechadas (curtos), como mostra a figura 34c. Após reavaliar o circuito, tentando transformar o circuito com malhas paralelas em um único circuito série, como temos na figura 34d. Antes de começarmos estas análises mais complexas, vamos visualizar as quedas de tensões sobre os resistores na figura 34b. Voltando a analisar a malha paralela formada por R2, D1 e R3, que está alterada para um Req de 2k, podemos ver que a única possibilidade para isto acontecer seria se um dos resistores (R2 ou R3) estivesse aberto; caso R3 estivesse aberto, D1 ficaria despolarizado, não tendo referência a “massa”, fato que não ocorre, já que D1 está Podemos perceber que a queda de tensão sobre R3 (6,3V) é o dobro da queda de tensão sobre R1 (3,1V) e o valor de suas resistências também mantém esta proporção de 2 para 1 (2k e 1k). Isto somente ocorrerá se a corrente circulante por R1 for a mesma corrente circulante por R3. Olhando então para o circuito (figura 34b) veremos que isto só poderá ocorrer se R2 estiver aberto, transformando o circuito R1, D1 e R3 em um circuito série, com isto não mais precisaríamos continuar a análise já encontrando o componente defeituoso (R2 aberto). Mas, somente alunos com uma certa experiência irão visualizar este defeito de forma rápida. Vamos continuar a análise do modo mais comum para que todos os alunos tenham condições de aprender a encontrar os componentes com defeito em malhas mais complexas. D1 +10V R1 1kW R2 2kW A B 6,9V 6,3V R3 2kW +10V D1 R1 1kW R2 2kW A B R3 2kW 3,1V 6,9V 6,3V 0,6V R1 1kW R1 1kW R2 2kW R2 2kW AA D1D1 BB R3 2kW R3 2kW +10V R1 1kW A B D1 Req 1kW +10V 3,1V 6,6V Alterou P/ 2kW +10V D1 R1 1kW R2 2kW A B R3 2kW R2 aberto figura 34b figura 34e figura 34a figura 34c figura 34d 70 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Exemplo 12: Na figura 36a temos um circuito um pouco mais complexo com vários resistores e diodos. Vamos começar a análise pelo diodo D1, que está polarizado diretamente com 0,6V, indicando que provavelmente ele está em boas condições. O próximo passo seria analisar os resistores, mas como neste caso também não temos um circuito série, não podemos fazer uma simples comparação entre as quedas de tensões sobre os resistores com o valor de suas resistência. Voltando a analisar a malha paralela formada por R1, R2 e D1, que está alterada para um Req de 1,6k, podemos ver que a única possibilidade para isto acontecer seria se um dos resistores (R2 ou R3) estiver alterado; caso um dos resistores estivesse aberto o resistor equivalente teria alterado para o dobro do seu valor (2k) que é o valor de um só resistor, e dependendo do caso, iria despolarizar D1. Resta então que o defeito é um dos resistores alterados (ou ambos), então teremos R1 ou R2 alterado, como mostra a figura 35e. Vamos então, substituir D1 que está corretamente polarizado, por uma chave fechada, e analisar novamente o circuito (figura 35c). Também neste caso iremos analisar as tensões sobre os componentes para começarmos a análise do defeito, como pode ser visto na figura 36b. Sobre D1 e R3, que estão em paralelo, teremos 15,2V; sobre R1 teremos 2,1V; sobre D2 teremos 0,6V e sobre R2 teremos 2,1V. Sobre D3 teremos 0,6V; em R4 teremos 3,6V e finalmente sobre D5 teremos 0,6V. polarizado com 0,6V sobre ele. Resta então, que o defeito é R2 aberto, como já tínhamos deduzido (como mostra figura 34e). Exemplo 11: Este circuito é parecido com o exemplo anterior, só que a malha paralela está ligada diretamente a fonte de 12V. Na figura 35a, temos o circuito com as tensões correspondentes ao defeito. O primeiro passo é observar as tensões sobre os componentes, como mostra a figura 35b, onde temos 7,5V sobre R1, 6,9V sobre R2, 4,5V sobre R3 e finalmente 0,6V sobre D1. Agora que já temos todas as tensões sobre os componentes começaremos a analisar os diodos; D2, D3 e D4 estão diretamente polarizados e com 0,6V de tensão sobre eles, indicando que deverão estar em bom estado. Já D1, está também diretamente polarizado, mas com 15,2V de tensão sobre ele, indicando que o mesmo está com defeito, Como temos um circuito com malha paralela devemos transformar o circuito da figura 35c (onde D1 é uma chave fechada), num ci rcui to exclusivamente série (figura 35d). Devemos calcular o Req a malha paralela R1 e R2, que somente é possível porque R1 e R2 são iguais (condição necessária para uma correta análise). Depois de calcular Req, que será igual a 1k, devemos substitui-lo pela malha paralela ficando com um circuito série. Neste circuito poderemos comparar as quedas de tensões de R3 (4,5V) com Req (7,2V), como os resistores tem o mesmo valor, eles também deveriam ter a mesma queda de tensão, fato este que não está ocorrendo, indicando que a malha correspondente a Req está com defeito, alterando o Req para 1,6k. +12V D1 R2 2kWR1 2kW B A 4,5V 5,1V R3 1kW D1 R2 2kWR1 2kW B A R3 1kW 7,5V 4,5V 6,9V 0,6V R3 1kW Req 1kW +12V 7,2V 4,5V A B D1 Alterou P/ 1,6kW D1 R2 2kW R1 2kW B A R3 1kW +12V D1 R2 2kW R1 2kW B A R3 1kW +12V R2 alterado R1 alterado OU figura 35a figura 35b figura 35c figura 35d figura 35e 71ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Exemplo 13: O circuito da figura 37a, parece mais simples que o do exemplo anterior, mas na verdade, não é. Parte do circuito anterior podia ser dividido em 2 malhas sériee este, da figura 37a, não pode ser considerado um circuito série e nem paralelo. Bem, vamos começar colocando as tensões sobre os componentes (como sempre deve ser feito), como mostra a figura 37b. Sobre R1, R2, R3 e R4 teremos as mesmas quedas de tensão iguais a 6 volts. Já sobre D1, não temos nenhuma queda de tensão (0V), já que a tensão de seus terminais são os pontos A e B que possuem 6V. Nossa análise deve sempre começar pelos diodos e D1 não está polarizado, pois tem 0V sobre ele, quando isso ocorre temos 2 hipóteses: ou o circuito não permite sua polarização ou o diodo está em curto. Vamos verificar a primeira hipótese e para isso devemos verificar qual o comportamento do circuito sem o diodo. resta saber se seu defeito será um diodo aberto ou alterado. Na prática, saber qual o defeito do componente não é muito importante, já que de qualquer forma ele deverá ser trocado. Mas, para nós que estamos desenvolvendo o raciocínio em exercícios dos mais diversos, será interessante saber qual defeito específico de um componente. Neste caso, como a queda de tensão sobre D1 é muito grande podemos afirmar que o defeito será D1 aberto. Se o diodo não existisse (como na figura 37c) ficaríamos com 2 circuitos série, sendo o primeiro formado por R1 e R2, que fazendo seu dimensionamento chegaremos a 1x para R1 e 2x Só para confirmar nosso defeito, vamos analisar os resistores do circuito. Neste caso, também não temos um circuito série, mas se prestarmos um pouco de atenção, perceberemos que R1, D2 e R2 formam um sub-circuito série (como mostra a figura 36b) e com isso, os resistores poderão ser analisados pela suas tensões proporcionais a suas resistências. Sobre R1 temos 2,1V e também sobre R2 temos 2,1V e isso será proporcional a sua resistências que são iguais (1kW) mantendo a proporção de 1 para 1 de suas tensões. A segunda sub-malha série é formada por D3, R4 e D4; mas esta malha possui um só resistor e por isso não podemos aplicar a análise por proporção. +20V D1 D2 D3 D4 R3 4kW C D E A B 4,8V 4,2V 0,6V 2,7V 2,1V R1 1kW R4 2kW R2 1kW +20V D1 D2 D3 D4 R3 4kW C D E A B R1 1kW R4 2kW R2 1kW 15,2V 15,2V 2,1V 2,1V 0,6V 0,6V 0,6V 3,6V D1 aberto D1 A B 6V 6V +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 A B +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 em curto 6V 6V 6V 6V 0V 4V 8V A B +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 em curto 4V 8V 8V 4V D1 figura 36a figura 36b figura 37a figura 37b figura 37c 72 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Se D1 está polarizado, ele deve se comportar como uma chave fechada. Com isso, podemos simplificar nosso circuito como sendo 4 resistores em paralelo 2 a 2, como mostra a figura 39c. Exemplo 14: A figura 38a, tem o mesmo circuito do exemplo anterior, vamos começar colocando as tensões sobre os componentes. Teremos 1x para R1 e 2x para R2, totalizando 3x que dividirá a tensão da fonte em 4V para cada 1x (12V ÷ 3). Então, no ponto A, teríamos 8V (2x de R2). A segunda malha série é formada por R3 e R4, da mesma maneira que na primeira malha também teremos 3x, 2x para R3 e 1x para R4, então teríamos no ponto B a tensão de 4V (1x de R4). Neste caso, teríamos uma polarização direta sobre D1 com 4V, que corresponde às quedas de tensão entre o ponto A e B, indicando que o defeito realmente é D1 aberto, e não D1 alterado, que desviaria corrente, aproximando as tensões dos pontos A e B. Na figura 39b, temos as tensões sobre os componentes, em R1 temos 6,9V, em R2 temos 5,1V, em R3 temos 7,5 V, em R4 temos 4,5V e finalmente em D1 temos 0,6V. Nossa análise deve começar com D1, que está diretamente polarizado e com 0,6V sobre ele, indicando que D1 deve estar “bom”. para R2 totalizando 3x que dividirá a tensão da fonte em 4V para cada 1x (12V ÷ 3). Então no ponto A, teríamos 8V (2x de R2). A segunda malha série é formada por R3 e R4, da mesma maneira que na primeira malha também teremos 3x, 2x para R3 e 1x para R4, então teríamos no ponto B a tensão de 4V (1x de R4). Neste caso, teríamos uma polarização direta sobre D1 com 4V de queda entre o ponto A e B, indicando que o defeito é, sem dúvida, D1 em curto. Nossa análise começa com D1, que está diretamente polarizado, só que tem 4V sobre ele, indicando que D1 está aberto ou alterado. Para confirmar o defeito, podemos pensar da seguinte maneira: se D1 estiver aberto, as tensões do circuito deverão ser aquelas no qual não existe D1. Portanto as tensões serão de 2 malhas série (R1 e R2 - R3 e R4). Vamos então, calcular as tensões nessas malhas série. Na figura 38b, temos as tensões sobre os componentes, em R1 temos 4V, em R2 temos 8V, em R3 temos também 8V. Já em R4, temos 4V e finalmente em D1 temos também 4V. Exemplo 15: O circuito da figura 39a, é idêntico ao dos últimos exemplos e como sempre vamos analisar as tensões sobre os componentes. Nosso circuito é bem complexo, onde a corrente circulante por R1 é desviada parcialmente para R4, indo se somar com a corrente circulante por R3. Não temos nenhuma malha série para poder analisar a proporção dos resistores, nos deixando com uma análise um pouco difícil. Nesses casos em que o circuito é complexo, devemos simplificar os componentes, usando modelos semelhantes e depois transformando nosso circuito em um circuito série equivalente para depois aplicarmos a análise das tensões do circuito. D1 A B 8V 4V +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 A B +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 aberto 4V 8V 8V 4V 4V D1 A B 5,1V 4,5V +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW D1 B A R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW 6,9V 7,5V 5,1V 4,5V 0,6V figura 38a figura 38b figura 39a figura 39b 73ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Devemos alertar ao aluno que este procedimento introduz erros de tensões que neste caso não ultrapassam 10%, o que é tolerável; mas para diodos que possuam tensões mais altas (2 ou 3 diodos juntos ou zener), este procedimento pode “mascarar” o defeito não permitindo uma análise correta. Voltando à nossa análise, estamos achando os Req, R1 paralelo com R3 forma um Req de 660W Como R1 vale 1x e R3 vale 2x, totalizando 3x, dividirá R3 (maior resistor) chegando a Req (2kW ÷ 3x = 660W). Em R2 paralelo a R4, teremos R4 vale 1x e R2 vale 2x, totalizando também 3x que dividirá R2, formando um Req também de 660W. O próximo passo, é passar para um circuito série que pode ser feito achando os resistores equivalentes (Req) para R1 paralelo a R3 e R2 paralelo a R4. Este procedimento é uma simplificação aproximada e não exata, pois na realidade R1 não está em paralelo a R3, mas para a análise de defeito este procedimento é válido, já que a queda de tensão no diodo D1 que interliga os resistores possui uma queda de tensão de apenas 0,6V. O próximo passo será substituir os Req nas malhas paralelas formando um circuito série, como pode ser visto na figura 39d. As quedas de tensões sobre os Req, deverão ser calculadas pela média de tensão dos pontos A e B, já que agora estes pontos foram unificados, portanto a tensão sobre R1/R3 será 7,2V e sobre R2/R4 será 4,8V. Temos agora um circuito série e os resistores (Req) deverão manter a proporção entre suas tensões e o valor de suas resistências. Podemos ver na figura 39d, que a queda de tensão na Req de cima é maior que a queda da Req de baixo. Como as resistências são iguais, as tensões deveriam também ser iguais; como isto não ocorreu indica que a Req de cima está alterada para aproximadamente 1kW, devido a proporção de sua tensão (660W é proporcional a 4,8V então 7,2V será proporcionala 1kW), como mostra a figura 39d. Voltando às malhas paralelas da figura 39c, podemos ver que o Req de cima corresponde a 2 resistores paralelos um de 1kW e outro de 2kW.� Como a malha alterou para 1kW podemos concluir que R3 está aberto, ficando nossa malha com apenas um resistor de 1kW, o que é compatível com o Req. Antes de encerrarmos nossa análise devemos sempre verificar se o defeito encontrado justifica as tensões sobre os componentes, e só depois poderemos ter certeza que realmente esse é o componente defeituoso. Neste caso, vamos retirar R3 do circuito, já que ele foi considerado um resistor aberto e verificar qual seriam as tensões agora. Ficaríamos com R2 em paralelo a R4, formando um Req de 660W, como já foi calculado anteriormente (considerando o diodo D1 como um curto), teríamos um circuito série formado por R1 de 1kW e Req de 660W. Req seria 1x e R1 seria 1,5x, valores esses proporcionais as suas quedas de tensão (4,8V ~ 1x e 7,2V ~ 1,5x). Então podemos confirmar que o componente defeituoso é R3 que está aberto, como mostra a figura 39e. RESUMO: Podemos fazer um apanhado de nossas análises, onde devemos sempre começar a análise de defeitos colocando as tensões sobre os componentes, depois devemos verificar as polarizações dos diodos, para saber se há algum com defeito, e os que estiverem “bons”, deverão ser considerados, para efeito de análise, uma chave fechada. Se o circuito “resultante” for um circuito série, faremos a análise dos resistores pela comparação da proporção entre suas resistências e as quedas de tensão sobre eles, chegando assim rapidamente ao componente defeituoso. Se o circuito não for série, devemos primeiramente tentar localizar no circuito pequenas malhas série que poderão ser analisadas em separado e com isso poderemos achar um componente defeituoso ou eliminar componentes que estão funcionando corretamente, fazendo assim uma simplificação do circuito e facilitando a análise. Por último se o circuito for mais complexo, devemos substituir as malhas paralelas por resistores equivalentes (lembrando das aproximações de diodos por “curtos”), tentando chegar a circuitos série e depois através de suas quedas de tensão fazermos a análise das proporções entre resistência e tensão (lembramos que este método só pode ser aplicado a resistores em circuito série), chegando através da lógica ao componente defeituoso. D1 B A +12V R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW R3 aberto B A R1 1kW R3 2kW R2 2kW R4 1kW Req 660W Req 660W +12V+12V+12V 7,2V 4,8V A B Alterou P/ 1kW D1 figura 39c figura 39d figura 39e 74 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +15V R1 300W R3 10kW R7 10kW R4 2kW R8 22kW R2 1kW R6 22kW R10 10kW R12 47kW R14 100kW R5 10kW R9 22kW R11 100kW R13 47kW S T U V W X Y Z A1 D1 D3 D4 D5 D3 D2 15V 14,4V 14,4V 4V 4V 10,2V 4,8V 15V 10V +20V R1 10kW R4 1,2kW R8 1,2kW R5 2k2W R9 2,2kW R3 100W R2 100kW R7 2,2kW R11 1,2kW R13 100W R15 2,2kW R6 1,2kW R10 2,2kW R12 2,2kW R14 1,2kW B1 C1 D1 E1 F1 G1 H1 I1 J1 K1 L1 D2 D3 D4 D5 D6 D1 2,2V 2,2V 2,2V 15,7V 15,1V 14,5V 20V 6,1V 5,7V 2,2V 2,2V +12V R1 300W D1 A B C D E F L K M N O O P Q R G H I J D3 D4 D5 D11 D12 D13 D14D6 D7 D8 D9 D10 D2 R2 1kW R4 2,2kW R3 1,2kW R5 10kW R6 3kW R8 100kW R10 1W R11 10MW R7 3kW R9 1kW 0,6V 1,8V 11,4V 5,2V 5,8V 0V 0V 0V 0V 0V 0V 11,4V 5,7V 2V 2,6V 0V 12V 0V 0V Localize o componente defeituoso, pelas indicações de tensões nos círculos 1 2 3 4 5 6 7 8 1211109 13 14 15 16 1) - D1 alterado 2) sem defeito 3) R3 alterado para 2,6k 4) R5 aberto 5) D11 com fuga 6) R9 alterado para 21k 7) R11 aberto 8) ligação do lado de cima do diodo aberto 9) sem defeito aparente 10) D3 em curto 11) D4 aberto 12) R12 aberto 13) R3 alterado 14) R5 alterado 15) R9 aberto 16) D6 em curto Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-21 à M2-24. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 75ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 7 DIODOS EM CORRENTE ALTERNADA RETIFICADORES - CEIFADORES - DOBRADORES Diodo retificador de meia-onda Filtragem com capacitor e onda-completa Retificador de pico - circuito grampeador Dobrador de meia-onda e onda-completa DIODO EM CORRENTE ALTERNADA Até agora, analisamos o comportamento do diodo e m c o r r e n t e c o n t í n u a , a n a l i s a n d o s e u dimensionamento e também análise de defeitos. Vamos agora descrever algumas aplicações do diodo em corrente alternada. Primeiramente, vamos estudar o diodo como retificador de tensão, pois esta é uma das principais utilizações deste componente. A RETIFICAÇÃO é a capacidade de transformar uma tensão ou corrente alternada em contínua (força aplicada ou corrente que atua em um mesmo sentido), que em geral é pulsante (sem capacitor ). Existem várias formas de retificar a tensão de um transformador, ou mesmo diretamente de um gerador de tensão alternada (rede elétrica por exemplo). Diodo retificador de meia onda Assim, teremos sobre a carga, somente picos de potencial positivo (tensão contínua pulsante), sendo rejeitados os picos de potencial negativo. Esta retificação é chamada de MEIA-ONDA, porque trabalha apenas com metade do ciclo completo (no caso os semi-ciclos positivos). Já para o instante de tempo T2, haverá uma tensão no transformador acima da 0,6V, o que permite a polarização do diodo D1, transferindo para a carga RL, uma tensão positiva, como mostra a figura 1B. Existe uma diferença de 0,6V entre a tensão gerada pelo transformador e a tensão levada à carga, que para as análises gerais será desconsiderada, onde d i remos s imp lesmente que a tensão do transformador foi passada para a saída. Primeiramente, devemos considerar o instante T1, onde não temos tensão aplicada ao transformador. Isto resultará tanto em uma tensão zerada no ponto “A” como no ponto “B”. Logo em seguida, começa novamente a aparecer tensão no secundário do transformador, só que negativa em relação a massa, impedindo que o diodo seja polarizado. Assim, não manifesta-se corrente pela carga RL, mantendo-se em zero volt, como mostramos do instante T5 ao T9, da figura 1B. Na figura 2, retiramos um dos pontos do transformador diretamente da massa, colocando o resistor R2 entre este ponto e a massa. Como o transformador de força induz uma tensão máxima de 20Vp, analisaremos o que acontecerá com a tensão no ponto “A” e “B”, pela figura 1A e 1B. O diodo D1 manter-se-á em condução praticamente até o instante T5, onde a tensão do seu anodo será a mesma da massa (zero volt), não mais sendo polarizado. Apesar disto, o aluno deverá ter como certo que o transformador continuará recebendo uma tensão de 20Vp induzida (ora com uma polaridade, ora com A figura 1, mostra-nos uma forma clássica de retificação em meia-onda. O diodo D1, na figura, terá como objetivo manter uma corrente em um único sentido pela carga RL. D1 TR1 RL A B T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 20V -Vp = -20V + + - T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 19,4V + + figura 1 figura 1b figura 1a figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 76 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIAINDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Já nos gráficos 2a, 2b e 2c, mostramos as formas de onda observadas nos pontos “A”, “C” e “B” da figura 2, neles temos as formas de onda em relação a massa do circuito e não do ponto inferior do transformador, que na figura 1 era nossa referência (massa). Percebam que este circuito da figura 3 é idêntico ao da f igura 02, tendo apenas remanejado visualmente, a posição dos resistores para o aluno perceber melhor o divisor resistivo formado por R1 e R2. Na figura 4, temos outra forma de ligar o diodo D1, permitindo que para a carga (RL) vão somente os semi-ciclos positivos do transformador. A figura 4A, mostra que no ponto “A” surgem apenas semi-ciclos de tensão positivos, pois quando o ponto “A” ficar positivo e o ponto “B” negativo, conduzirá o diodo, mantendo este ponto à massa, permitindo o aparecimento do potencial positivo no ponto “A”. Então, no instante T3, temos uma tensão de apenas +10V no ponto “A”, e não de 20 Volts como vimos anteriormente. Mas, se notarmos, a forma de onda do ponto “B” no mesmo instante (T3), veremos que está com -10V, ou seja, continuaremos a ter 20V induzidos no secundário do transformador. No meio-c ic lo seguinte haverá a mesma manifestação de tensão que houve no primeiro e a tensão será como antes. A resultante na saída “C”, será de uma tensão pulsante positiva, com retificação em meia onda. A diferença em relação a forma de onda da figura 1B, será que tínhamos semi-ciclos positivos com 20V de amplitude e aqui somente 10V (devido a queda de tensão em R2). Ainda outro fato interessante acontece, no meio- ciclo seguinte da rede elétrica, pois com o potencial negativo no ponto “A” e positivo no ponto “B”, não haverá a circulação de corrente pela malha e em consequência disto, a impedância criada pelo diodo D1 será altíssima. Assim o transformador não transferirá sua tensão para o circuito, apesar de continuar recebendo indução de 20V do primário (instantes de T5 a T9). outra), como mostramos na figura 1. Antes tínhamos 20 volts positivos no ponto “A” e zero volt no ponto “B” que estava aterrado; agora, na verdade, os dois enrolamentos do transformador apresentam a mesma “impedância” (ou resistência equivalente) em relação à massa. Podemos definir melhor o que seria isto, observando a figura 3, que mostra-nos o circuito equivalente com dois resistores, tendo seu ponto comum ligado à massa. No instante T6, tanto para a figura 2 como 3, define bem como seria manifestada a tensão de saída. O diodo D1 está cortado, e o circuito de menor resistência será via R2 que prenderá o ponto de baixo do transformador à massa (ponto “B”), não havendo manifestação de tensão neste ponto (figura 2B). Já no ponto “A”, a tensão ficará com - 20V, criando uma forma de onda desbalanceada em tensão (figura 2A).T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 10V T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 10V -Vp = -20V T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 -Vp = -10V D1 TR1 A C B R1 1k W R2 1k W D1 TR1 RL A B figura 2a figura 2b figura 2c figura 3 figura 4 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 CD1 TR1 R1 1k W R2 1k W A B figura 2 77ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 6, vemos detalhes de como o ripple se manifesta. Este ripple é definido como uma variação de tensão pico-a-pico, devendo ser a menor possível conforme a necessidade do equipamento alimentado. Nesta figura, vemos que o ripple varia de 15V até 20V, resultando em uma variação de 5Vpp (25% da tensão total da fonte). Recomendamos ao aluno repassar a matéria que foi abordada ainda no módulo 1 – aula 14, sobre a medição de formas de onda, em específico ripple de fonte. Os semi-ciclos retificados do circuito retificador de meia-onda poderão ser usados para fornecer a carga RL uma tensão contínua. Para isso, o uso do capacitor será indispensável. Se não fosse pelo consumo da carga RL que retira cargas de C1, enquanto não vem outro ciclo de energia, teríamos uma tensão sempre constante. Mas, na ausência do semi-ciclo, C1 perderá um pouco de sua carga pelo consumo da carga RL. Novamente, surge outro semi-ciclo e a carga perdida é reposta. Neste carrega e descarrega, teremos uma variação de tensão chamada de ripple com frequência de 60Hz. O nível desta variação depende da “distância” entre um pulso e outro, ou seja, do tempo em que C1 fica sem suprimento de carga. Nas figuras 5A e 5B podemos conferir as formas de onda na saída do circuito. Analisando o circuito da figura 5, vemos uma retificação e filtragem das mais utilizadas, onde o diodo D1 retificará os semi-ciclos positivos para a carga do capacitor C1, criando assim uma tensão para a polarização da resistência de carga R1. Quando os semi-ciclos retificados forem aplicados sobre C1, este se carregará com a tensão de pico dos mesmos, mantendo uma tensão contínua no catodo do diodo D1. Quando a polaridade do transformador se inverter, haverá surgimento de um potencial negativo no ponto “A” e positivo no ponto “B” cortando o diodo. Com isto o diodo terá uma alta resistência a manifestação da tensão, ficando o ponto de cima do transformador ligado ao resistor R1 e à massa, permanecendo em zero volt, surgindo agora o potencial positivo do transformador no ponto “B” (figura 4B), mantendo uma diferença de potencial de 20V sobre o transformador. Assim, teremos na figura 5A a forma de onda do ponto “A”, uma senoide de 40Vpp com seus semi- ciclos positivo e negativo. Já no ponto “B” aparecerá somente a tensão contínua com um leve ripple (ondulação), como mostramos na figura 5B. O ripple é uma variação da tensão da fonte que será maior ou menor dependendo da carga do capacitor ou ainda do consumo da resistência de carga. FILTRAGEM COM CAPACITOR Na figura 7, temos outro circuito retificador já mostrado na figura 4, mas agora com o capacitor C1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 20V + + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 20V + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp = 20V +Vp ~ 20V -Vp = -20V + + - Carga do capacitor Carga do capacitorDescarga do capacitor D1 TR1 RL A B C1 T RIPPLE Vp = 20V V = 15V V = 5Vppripple figura 4a figura 4b figura 5 figura 5a figura 5b figura 6 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 78 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 RETIFICAÇÃO EM ONDA COMPLETA Este tipo de circuito pode ser utilizado para criar tensões ou variações rápidas de tensões maiores, desde que o consumo seja baixo, não vindo a prejudicar ao armazenamento de tensão feito em C1. Neste circuito podemos ver pela figura 7A, que também temos um ripple na saída sobre o capacitor, cuja frequência de oscilação será a mesma da rede, que neste caso é de 60Hz. Podemos dizer que enquanto o ponto “A” do transformador cria uma tensão de +20V positivos, o ponto “B” do mesmo transformador estará recebendo uma tensão de -20V em relação a massa. No total teríamos induzido no secundário uma tensão de 40V, mas sendo aproveitados Suas formas de onda podem ser observadas nos gráficos das figuras 7A e 7B, que correspondem aos pontos A e B respectivamente. Na figura 7A, podemos ver a representação dos semi-ciclos positivos sendo retificados e filtrados, gerando uma tensão aproximada de 20V com um leve ripple. Neste mesmo instante, podemos ver que em “B” a tensão estará zeradadevido a condução do diodo D1, fixando este ponto na referência terra. Quando a polaridade de tensão deste transformador inverter, será mantida a tensão sobre o capacitor C1 em aproximadamente 20V, enquanto que o ponto “B” tornar-se-á positivo, somando +20V. Como o d i odo D1 f i ca completamente cortado neste meio tempo, haverá uma elevação de potencial neste ponto para aproximadamente 40V positivos em relação a massa. Apesar de parecer que o transformador gerou esta tensão, ela é resultado da somatória entre a tensão de 20V armazenada no capacitor C1, mais a tensão induzida no transformador de 20V, mantendo a diferença de potencial de 20V sobre o transformador. de filtragem, que irá tornar a tensão pulsante em uma tensão contínua. Em fontes de alimentação convencionais (apenas com retificação e filtragem), o ripple deverá ficar em torno de 10% da tensão máxima de alimentação. No caso de uma fonte de 12V, seria aceitável encontrar uma variação que iria de 11,4V até 12,6V. O ripple sempre deverá ser visualizado com o consumo máximo especificado para determinada fonte, pois fica claro que sem consumo, não haverá d e s c a r g a d o c a p a c i t o r d a f o n t e e consequentemente não haverá ripple. Para melhor exemplificar uma fonte convencional com retificação de meia onda, temos a figura 8: A retificação em onda completa é a capacidade de levar para a carga os dois semi-ciclos de tensão gerados pelo transformador, mas de forma retificada, ou seja, estes ciclos sempre positivos ou sempre negativos. A figura 9, mostra-nos um transformador de rede, que possui em seu secundário um enrolamento com center-tape, gerando uma tensão de 20V+20V (pronuncia-se “vinte mais vinte volts”), ou 40V, considerando os extremos do transformador, desconsiderando o pino central do transformador ou “center tape” (tape pronuncia-se “teipe”). D1 TR1 RL A B C1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp ~ 40V + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp ~ 20V Carga do capacitor Carga do capacitorDescarga do capacitor + + D1 1N4007 TR1 110Vac x 9Vac 500mA C1 1000f 16V m fusível +12Vdc D1 TR1 D2 RL C B A figura 7 figura 7a figura 7b figura 8 figura 9 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 79ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 As formas de onda respectivas dos pontos “A”, “B” e “C”, podem ser vistas nas figuras 11A, 11B e 11C somente +20V que serão retificados pelo diodo D1 e levados à resistência de carga RL. No semi-ciclo seguinte, podemos ver que em “B” (figura 9B) surge um potencial positivo (enquanto que em “A” negativo, como mostra figura 9A), fazendo o diodo D1 cortar e o diodo D2 conduzir levando novo semi-ciclo positivo à resistência de carga (RL). Ficamos assim no ponto “C”, com os dois semi- ciclos gerados pelo transformador levados a carga, resultando no que é mostrado na figura 9C. Com a repetição dos semi-ciclos positivos, haverá pequena interrupção na tensão de alimentação para a resistência de carga. Podemos observar pela figura 10A, que o ripple apresentado pela retificação em onda completa é bem menor que o ripple apresentado por uma retificação de meia onda, para uma mesma carga (RL). Colocando agora um capacitor de filtro a este circuito como vemos na figura 10, teremos também uma tensão contínua já com ripple menor, pois logo que um dos semi-ciclos termina, outro já começa. Na figura 11, temos mais um circuito de fonte com retificação em onda completa, onde vemos que o transformador deverá gerar uma tensão de pico de 20V, onde obteremos na saída (através do arranjo dos diodos) em uma retificação em onda completa. Essa configuração com 4 diodos é chamada de r e t i f i c a ç ã o e m p o n t e e é u s a d a c o m transformadores que não tem “center-tape” ou pra retificação direta da rede elétrica. Na figura 10A, temos a forma de onda do ponto “C”, onde temos uma tensão contínua com um ripple, cujas oscilações agora terão o dobro da frequência da tensão da rede (60Hz) ficando com um ripple de 120Hz. Já as formas de onda dos pontos “A” e “B” são as mesmas das figuras 9A e 9B. T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + + - -- T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 + + + -- T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + + - T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + -- T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + + - T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + C1 D1 TR1 D2 RL C B A T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 RIPPLE RL C B A D1 D3 D2 D4 figura 9a figura 9b figura 9c figura 10 figura 10A figura 11 figura 11a figura 1 figura 11b figura 1 80 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 respectivamente, mas é interessante perceber que tanto no ponto “A” como no ponto “B”, não haverá o ciclo negativo de tensão (com referência à massa). Isto ocorre devido o ponto de massa não estar ligado diretamente ao transformador e sim através de um diodo (D2 ou D4). Assim teremos uma retificação em onda completa dos semi-ciclos para a carga, como mostrado na figura 11C. Na figura 14 podemos ver a fonte de alimentação com retificação em onda-completa (em ponte) e com capacitor de filtro, que resulta na forma de onda sobre a resistência de carga indicada na figura 14C. Se o consumo da carga for muito alto, o ripple gerado poderá gerar problemas de distorções de sinal e daí torna-se necessário uma melhor filtragem da tensão da fonte. Uma saída para a filtragem é a utilização do choque de filtro que é um transformador (bobina) que bloqueará variações de médias ou altas frequências (ripples), diminuindo- os consideravelmente. Para melhor explicar o funcionamento dos 4 diodos em ponte, vamos considerar em primeiro lugar que o ponto “A” do transformador fique com um potencial positivo (figura 12a) e o ponto “B” com potencial negativo (como mostramos as formas de onda correspondentes aos pontos “A” e “B” na f igura 12b, mas em re lação ao própr io transformador e não a massa) haverá uma circulação de corrente I pelo diodo D1, passando pela resistência de carga e retornando pelo diodo D4 ao ponto “B” do transformador. Quando houver a inversão da polaridade do transformador ficando o ponto “A” negativo e o ponto “B” positivo, haverá uma circulação de corrente via D3 que passará pela resistência de carga no mesmo sentido anterior, retornando pelo diodo D2 ao transformador no ponto “A”. As formas de onda nos pontos “A” e “B” são as mesmas das figuras 11A e 11B, e a do ponto “C” é apresentada na figura 14C. Na figura 15, damos um exemplo de uma fonte retificada com 4 diodos em ponte (onda completa), onde sobre o capacitor C1 teremos um ripple geralmente em torno de 5% a 10% (dependendo do consumo da carga), mas sobre C2 teremos apenas um ripple abaixo de 5% que geralmente está na ordem de 2%, quando seus componente (C1,C2 e L1) são bem dimensionados para a tensão e consumo da carga. Este tipo de filtragem utilizado na figura 15, onde temos dois capacitores interligados por uma bobina (ou um resistor de baixo valor), é chamado de filtro T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 + + + -- T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + + - T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + -- T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + + - T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 +Vp -Vp + D4 D1 RL B B B A A A + - I D3 D2 RL B A + - I RL C B A C1 C2 L1 figura11c figura 12a figura 12b figura 13a figura 13b figura 14 figura 14c figura 15 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 + + + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 RIPPLE 81ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Devemos ainda lembrar que nas retificações em onda completa (em ponte ou não), a frequência de oscilação do ripple é o dobro da frequência da retificação em meia onda (60 Hz) sendo sempre de 120Hz para rede de 60Hz. em “PI” devido a sua configuração que lembra a letra grega. OUTRAS APLICAÇÕES COM DIODOS Retificador de pico A figura 16 mostra uma aplicação já conhecida por nós, ou seja, o retificador de pico. Consta-se de um diodo retificando o sinal da entrada, e um capacitor que filtrará os semi-ciclos retificados, gerando assim, uma tensão contínua. Caso o ripple de uma retificação em onda completa apresente uma oscilação de 60Hz, poderemos ter certeza que um dos diodos de retificação não está funcionando, este defeito poderá aumentar muito a amplitude do ripple, podendo até causar danos ao equipamento que utiliza esta fonte. Este tipo de circuito além de sua utilização em fontes de alimentação, é muito utilizado em circuitos de monitoração dos sinais, para determinar a amplitude do sinal através de um nível de tensão contínua, ou em circuitos de controle automático de ganho (CAG), que controla o ganho de um amplificador de acordo com a amplitude do sinal, para manter o “nível” do sinal amplificado sempre constante independente da amplitude inicial do sinal (sinais “fracos” ou “fortes”). Circuito grampeador Um fato interessante a ser observado é que a variação do semi-ciclo positivo tem uma amplitude dobrada na saída do circuito. Podemos conferir na figura 17 a forma de onda da saída deste circuito. Isto se deve pelo seguinte: Quando o semi-ciclo do sinal for negativo o diodo D1 irá conduzir, deixando a saída com quase zero volt (-0,6V), enquanto que na entrada temos a excursão normal do semi-ciclo negativo. Note que com a condução do diodo D1 teremos a carga do capacitor C1. Supondo que o pico negativo seja de - 10V, teremos na saída -0,6V (condução de D1) e sobre o capacitor C1 a tensão de 9,4 volts. Supondo que na entrada temos um aumento de 1V, ou seja, a tensão passa de -10V para -9V, na saída teremos um aumento de tensão correspondente de 1V, indo de -0,6V para 0,4V. Assim, quando a tensão estiver com zero volt na entrada tivemos uma subida de 10V (variação de -10V para 0V). Na saída também teremos uma subida de 10V, indo de -0,6V para +9,4V. Esta tensão de +9,4V ainda vai somar-se com o semi-ciclo positivo de +10V, gerando um pu l so de +19 ,4V na sa ída do c i r cu i t o . Resumidamente, a carga de 9,4V do capacitor C1 se soma ao pico de +10V devido o diodo D1 cortar nas variações ascendentes do sinal. Circuito dobrador de meia onda O circuito dobrador é mostrado na figura 18 e nada mais é do que a junção do circuito grampeador com o retificador de pico. O capacitor C1 e o diodo D1 fazem parte do circuito grampeador, gerando pulsos positivos dobrados no anodo do diodo D2 que os retifica e filtra no capacitor C2. Note que somente os pulsos positivos são usados para carregar C2, sendo portanto, um dobrador de meia onda. Este circuito é muito utilizado em fontes que precisam de uma tensão mais alta, a partir de tensões mais baixas, mas com baixa corrente devido a sua construção a partir de capacitores, com algumas modificações podemos construir, usando o mesmo princípio, circuitos triplicadores, quadruplicadores, etc. Mantendo sempre a proporção de componentes de 1 diodo e 1 capacitor por vezes que queremos multiplicar a tensão, para duplicar a tensão 2 diodos e 2 capacitores, para quadruplicar 4 diodos e 4 capacitores e assim por diante. No circuito da figura 17 o diodo D1 irá conduzir (“chave fechada”) quando o capacitor C1 acoplar os semi-ciclos negativos, enquanto que os semi-ciclos positivos deixam D1 cortado (“chave aberta”). Podemos dizer que os semi-ciclos negativos serão grampeados pelo diodo D1, pois na saída só teremos os semi-ciclos positivos. R1 D1 C1IN OUT R1 D1 C1 IN 0V OUT 2xVp -0,6V R1 D1 D2 C1 C2 IN 0V OUT 2xVp figura 16 figura 17 figura 18 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 82 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Este último tipo de dobrador de onda completa tem um poder de corrente bem maior do que o dobrador de meia onda, e por isso, ele foi tão utilizado para fontes de aparelhos eletrônicos de alto consumo. Apesar do dobrador estar caindo em desuso nas fontes, ele ainda é empregado em vários aparelhos e circuitos diferentes para diversos fins diferentes. Na figura 19, temos o dobrador de onda completa, sendo seu funcionamento o seguinte: quando tivermos o semi-ciclo positivo na entrada, o diodo D1 irá conduzir, carregando C1 com a tensão de pico. No semi-ciclo negativo D1 corta e D2 conduz, carregando C2 com a tensão do pico negativo. A carga de C1 se somará a carga de C2, entregando na saída um potencial dobrado em relação a tensão de pico da entrada. Os dois semi-ciclos da entrada (negativo e positivo) foram usados para termos na saída uma tensão dobrada, sendo este um circuito dobrador de onda completa. Dobrador de onda completa Este circuito foi o mais usado em fontes convencionais de aparelhos de TV e outros para dobrar a tensão da rede de 110Vac ( ~150Vp) para 300Vdc para manter a tensão de saída constante tanto para redes de 110Vac como para 220Vac. Quando a tensão da rede é 220Vac, não utilizamos o dobrador, apenas retificando a tensão de 220Vac (300Vp) para 300Vdc, e quando a tensão da rede for 110Vac usaremos o dobrador para também termos 300Vdc. Com o advento de fontes chaveadas paralelas no mercado, os circuitos dobradores não foram mais usados, já que este tipo de fonte consegue gerar tensões estabilizadas a partir de redes com tensões que podem variar desde 100Vac até 280Vac. D1 C1 C2 D2 IN 0V www.ufsm.br/desp/luizcarlos/aula7.pdf ivairsouza.com/circuitos_retificadores.pdf www.uel.br/cce/fisica/docentes/.../d4_atividade13_264e42e9.pdf http://www.scribd.com/doc/15265313/Retificador-de-Onda-Completa-Em-Ponte http://www.cp.cefetpr.br/chiesse/Eletronica/Circuitos_diodos.pdf http://forum.electronicapt.com/index.php?topic=1065.0 http://www.mspc.eng.br/eletrn/fontes_110.shtml Pesquisas na internet sobre retificadores meia-onda e completa, ceifadores e dobradores de tensão: figura 19 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1 figura 1figura 1 figura 1 Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-25 à M2-28. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 83ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 8 FORMAS DE ONDAS DE RETIFICAÇÃO DOBRADORES E CEIFADORES Opções de osciloscópios no mercado Vários tipos de defeitos nos diodos com resistores em malhas série e paralelas Quanto aos alunos do treinamento à distância que possuem osciloscópio, será tarefa fácil fazer os testes. Os exercícios propostos a seguir,somente poderão ser feitos com auxílio de um osciloscópio. Assim, pedimos aos alunos que estando no laboratório, tenham todos os componentes a mão para realizarem os testes mencionados. Para aqueles que estão longe e que não possuem o osciloscópio, os testes propostos requerem peças simples e as frequências mencionadas são baixas, permitindo a utilização de alguns softwares que existem no mercado. É o osciloscópio profissional mais básico, trabalhando com frequências que vão de 10MHz até 200 MHz. Seu preço no mercado varia de R$800,00 a mais de R$10.000,00 OSCILOSCÓPIO DIGITAL A frequência que pode ser mostrada neste osciloscópio mais simples é até 10kHz. Como o nome já diz, são osciloscópios que utilizarão o processamento e a tela de seu computador pessoal (PC), para mostrar as imagens. Apesar disto, empresas especializadas em PC scope (osciloscópios para PC), fornecem interfaces sofisticadas, com pontas específicas de osciloscópios e com frequências que podem chegar a 1 ou mais GHz. As conexões destes com o PC, era feito pela entrara serial, mas hoje utiliza-se a entrada USB. http://produto.mercadolivre.com.br/MLB- 1 2 5 1 8 8 1 1 8 - o s c i l o s c o p i o - p a r a - pcfrequencimetro-geradorvoltimetro-_JM Antes de começar a análise de circuitos retif icadores, ceifadores e dobradores utilizando o osciloscópio, vamos falar de qual equipamento adquirir no mercado. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO O grande problema deste tipo de equipamento é a captação do sinal externo e jogando-o para dentro do computador. Um dos circuitos mais simples, utiliza a entrada de microfone do PC, e à partir do sinal captado, coloca-o na tela através de um software gratuito que simula a tela de osciloscópio, apresentando as variações gerais, mais ou menos como faz o Windows Media Player quando mostra o gráfico das onda de áudio, quando uma música está tocando. O osciloscópio digital, apresenta-se mais portátil e trabalhando em frequências acima das mencionadas acima. Seus valores acabam sendo pouco mais caros em relação aos equivalentes em frequência analógicos. Sua grande vantagem está na memorização das imagens. M a s , q u a n d o q u e r o t r a b a l h a r c o m equ ipamentos ma is so f i s t i cados , ou processamento de imagens de alta definição, a frequência de trabalho do osciloscópio já sobe para cerca de 200 ou mais MHz. Portanto, minha necessidade e o que vou fazer com ele, definirá qual devo comprar. Existem vários tipos de osciloscópios, variando seu preço deste a gratuidade até milhares de reais. Os osciloscópios básicos, estes que vemos em nosso laboratório, possuem frequência de 20MHz em dois canais, o que satisfaria as necessidades de um técnico na maioria das aplicações de mercado. OSCILOSCÓPIOS PARA PC Ainda existe uma versão amadora, mas que consegue chegar até 100kHz, o que permite visualização de muitos sinais. Seu valor gira em torno de R$50,00 e pode ser encontrado no link abaixo: OSCILOSCÓPIOS - COMO COMPRAR? Como exemplo, um osciloscópio para PC de 200MHz, chega a custar R$1.500,00 84 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 85ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS Monte os circuitos a seguir e verifique se as formas de onda indicadas, são iguais as obtidas na sua medição: D1 D1 TR1 TR1 A A B R1 R1 1k 1k W W D1 TR1 A B R1 1k W A C B D1 TR1 A C B R1 1k W R2 1k W ref ref ref ref ref 47uF x50V 86 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 x1 VOLTS/DIV VOLTS/DIV 20 20 10 10 5 5 2 2 1 1 .5 .5 .2 .2 .1 .1 50 50 20 20 10 10 5 5 V V mV mV CAL CAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC DC GND GND AC AC CH1-POS CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 x1 VOLTS/DIV VOLTS/DIV 20 20 10 10 5 5 2 2 1 1 .5 .5 .2 .2 .1 .1 50 50 20 20 10 10 5 5 V V mV mV CAL CAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC DC GND GND AC AC CH1-POS CH1-POS D1 TR1 A B R1 1k W D1 D1 D1 D1 TR1 TR1 A A R1 R1 1k 1k W W ref ref-0,6V A B Nesta forma de onda, foi alterado apenas o tempo da chave TIME/DIV de 5ms para 2ms Nesta forma de onda, foi alterado apenas o tempo da chave TIME/DIV de 5ms para 2ms 87ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS CH1-POS D1 D1 TR1 A R1 1k W 47uF x50V Nesta forma de onda, foi alterado apenas o tempo da chave TIME/DIV de 5ms para 2ms D1 D2D4 D3 TR1 A R1 1k W D1 D2D4 D3 TR1 A R1 1k W 47uF x50V D1 D1 D2 D2 TR1 TR1 A A R1 R1 1k 1k W W 88 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORESA,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS x1 VOLTS/DIV 20 10 5 2 1 .5 .2 .1 50 20 10 5 V mVCAL TIME/DIV .2 .5 .1 50 20 10 5 2 1 .2.5 50 .1 20 10 5 2 1 .5 us s ms CAL DC GND AC CH1-POS D1 D1 D1 D1 D1 D2 D2 D2 D2 TR1 TR1 TR1TR1 A A A A R1 R1 R1R1 1k 1k 1k 1k W W WW 10nF D1 D2 TR1 A 330nF 33nF D1 TR1 A 330nF 330nF ref ref ref CEIFADOR LIMITADOR CEIFADORDOBRADOR DE MEIA ONDA DOBRADOR DE ONDA COMPLETA Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-29 à M2-32. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. DIODO ZENER O diodo zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução reversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN. Embora o nome diodo zener tenha se popularizado comercialmente, o nome mais preciso seria diodo de condução reversa, já que há dois fenômenos envolvidos: o efeito zener e o efeito avalanche. Na figura 1, temos a configuração de um diodo reversamente polarizado e na figura 2 podemos ver o gráfico que corresponde a condução do diodo zener. Note que do eixo vertical para a direita (ver gráfico da figura 2) o gráfico representa uma polarização direta. Neste caso, a polarização do diodo acontece com aproximadamente 0,6V. Do eixo vertical para a esquerda o gráfico representa a polarização reversa. Neste caso, o nível de tensão necessário para a polarização do diodo ou tensão zener é bem maior que o caso anterior e depende das características de cada tipo de diodo zener, definido na sua fabricação. Na figura 3b, temos o símbolo do diodo zener e na figura 3a um dos tipos físico do mesmo, onde pode- se notar que fisicamente o diodo zener é igual ao diodo comum. Porém, o código no seu corpo lhe garante as características de diodo zener. Quando o diodo é polarizado reversamente, sabemos que a barreira que separa os materiais P do N se torna maior. Por outro lado este potencial reverso consegue quebrar as ligações covalentes dos átomos do material semicondutor, gerando um aumento substancial no nível de energia dos materiais P e N. Em determinado nível de energia que depende do nível de tensão reversa, ocorrerá a "quebra da barreira" e consequentemente, o estabelecimento de uma corrente circulante. A tensão necessária para estabelecer a condução do diodo com polarização reversa é chamada de tensão zener. Dai o nome: diodo zener. A tensão de zener pode ser diretamente especificada no corpo do diodo, como é o caso da família BZ. Como exemplo, o diodo BZX79C3V6, corresponde a um diodo cuja tensão zener é 3,6 volts. Outra forma de especificar a tensão de zener é por meio de um código escrito também no corpo do diodo, como é o caso da família 1N. Como exemplo, o diodo 1N5240 corresponde a um diodo cuja tensão de zener é 10V; neste caso o código não diz a tensão de zener, para isso temos que 89ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 9 DIODO ZENER Características gerais Aplicações do Zener Análise de tensões com diodos zener’s Análise de defeitos com diodos zener’s Queda de tensão constante Resistor limitador de corrente circulação de corrente Vz mínima Vz nominal Vz máxima Iz mínima Iz máxima Iz Vz REGIÃO DE POLARIZAÇÃO REVERSA REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA figura 1 figura 2 A (anodo) K (catodo) K A figura 3a figura 3b APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 90 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C CIRCUITO CEIFADOR D1 DZ1 5,1V R1 IN +10V -10V OUT 5,7V -10V CIRCUITO CEIFADOR D1 DZ1 5,1V R1 IN +10V -10V OUT -5,7V +10V IN CIRCUITO LIMITADOR D1 D2 DZ1 5,1V DZ2 5,1V R1 +10V -10V OUT -5,7V +5,7V IN REGULADOR DE TENSÃO CONTÍNUA DZ1 5,1V R1 RL (CARGA) figura 4a figura 4b figura 5 figura 6 APLICAÇÕES COM DIODO ZENER Como no caso do diodo comum o diodo zener pode ser usado em diversas aplicações. Porém, sua principal aplicação está na regulagem de tensão. Vejamos alguns circuitos que fazem o uso do diodo zener: Circuito ceifador consultar uma tabela de características de díodos.. O circuito ceifador pode ser um ceifador de picos positivos ou negativos. Na figura 4a, temos um circuito ceifador de picos positivos com diodo zener. Neste circuito da figura 4a, podemos ver uma tensão senoidal de 10Vp entrando no circuito ceifador (IN). Quando o pico positivo atinge a tensão de 5,7V o diodo zener alcança sua tensão e é polarizado reversamente, não permitindo que a tensão de entrada suba além desse ponto. Como a tensão de entrada (IN) continua subindo a diferença entre a tensão de entrada e a tensão no ceifador irá cair sobre R1, já que o diodo zener em polarização irá gerar uma corrente circulante sobre R1, provocando a queda de tensão mencionada. Para o pico máximo de entrada (10Vp) teremos 5,7V sobre o conjunto ceifador (D1 e DZ1) e 4,3V sobre R1. A falta do resistor R1 (um curto em seu lugar), levaria à queima do diodo DZ1, já que por ele circularia uma corrente muito alta durante seu trabalho de não permitir uma tensão superior a 5,1 V sobre seus terminais. Já no ciclo negativo, o diodo D1 estará inversamente polarizado, funcionando como uma chave aberta e com isso praticamente a mesma tensão de entrada estará na saída. Logo, este circuito ceifador irá cortar (ceifar) apenas os picos positivos acima de 5,7V, como mostra as formas de ondas (IN e OUT) da figura 4a. O circuito da figura 4b é o mesmo circuito ceifador, só que agora os díodos estão invertidos e com isso o circuito ceifador irá cortar (ceifar) apenas os picos negativos abaixo de -5,7V, já que para tensões negativas - abaixo de -5,7V - irão polarizar o diodo zener DZ1. Já o ciclo positivo, irá polarizar inversamente o diodo D1, mantendo-o cortado. Circuito limitador Esta é a aplicação em que o diodo zener se destaca. Na figura 6, temos o circuito em questão. Na entrada, geralmente teremos uma tensão contínua maior que a tensão de ruptura do zener ZD1. Na saída do circuito da figura 25, teremos uma tensão contínua de 5,1V imposta pela polarização do diodo zener ZD1. A vantagem de utilizar o diodo zener, neste caso, é Regulador de tensão Já no ciclo negativo, o diodo D2 irá cortar e D1 será polarizado, permitindo também polarização de DZ1, abaixo das tensões de -5,7V, ceifando os picos negativos em -5,7V; com isso este circuito irá limitar a amplitude do sinal em 11,4Vpp (5,7Vp + 5,7Vp). Este circuitoimpõe uma amplitude máxima para a tensão na saída - após resistor R1. Como vemos na figura 5, o circuito nada mais é do que dois ceifadores, sendo um para os semiciclos negativos e outro para o semiciclo positivo. Quando estamos no ciclo positivo o diodo D1 está inversamente polarizado mantendo D1 e DZ1 cortados, apenas polarizando o circuito formado por D2 e DZ2, à partir da tensão de corte, que neste caso é de +5,7V (0,6V + 5,1 V). Com isso teremos o ceifamento dos picos positivos. 91ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 CH1 CIRCUITO ALIMENTADO POR DC DZ1 5,1V R1 L1 IN CH1 CIRCUITO ALIMENTADO POR AC DZ2 5,1V DZ1 5,1V R1 L1 ANÁLISE DE TENSÕES COM DIODOS ZENER +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V ? A +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A 3,3V+10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A 5V TENSÃO SUFICIENTE PARA ZD1 CONDUZIR figura 7a figura 8a figura 8b figura 8c figura 7b No circuito da figura 7a, o diodo ZD1 será polarizado diretamente quando a tensão sobre a bobina L1 for inversa (isto acontece quando interrompemos a circulação de corrente em circuitos indutivos, pois haverá uma tensão contra eletromotriz induzida na bobina quando CH1 for desligada). Assim, evita-se uma grande diferença de potencial sobre a chave CH1 e consequentemente faiscamentos intensos, protegendo assim a chave CH1. Nesta figura (supressor de faíscas para tensões DC corrente contínua), o diodo DZ1 pode ser substituído por um diodo comum, como o diodo comum suporta uma corrente bem maior, o resistor R1 também poderá ser abolido. Agora, se tivermos circuitos indutivos alimentados por tensão alternada devemos modificar o circuito da figura 7a para um circuito igual a da figura 7b. Portanto na figura 7b temos um supressor de faísca para tensões AC, cujo funcionamento é parecido com o circuito da figura 7a, sendo que agora vai suprimir tantos os picos negativos como positivos, com a polarização direta de um diodo e reversa do outro, acima de 5,1 V ou abaixo de -5,1 V. Neste circuito os díodos deverão ser obrigatoriamente zener's. ter uma tensão contínua estável (sem ripple), pois as variações de tensão na entrada não incidirão sobre a tensão de saída. Para isto, considera-se que a menor tensão da entrada não seja menor que a tensão de ruptura do zener, caso contrário aparecerá variação na saída. Supressor de faísca (snubber) O diodo zener quando polarizado diretamente apresenta 0,6V entre seus terminais, como um diodo comum. Portanto, devemos analisar a malha antes de começar o dimensionamento, para saber se o diodo zener será polarizado ou não, e se esta polarização será direta (como diodo comum) ou como zener (tensão de ruptura reversa). Diodo zener com polarização direta O procedimento usado para dimensionar circuitos que utilizam diodo zener é igual ao utilizado para dimensionar circuitos com diodo comum. Portanto, algumas considerações devem ser feitas: Na figura 8a, temos um exemplo de dimensionamento envolvendo diodo zener. Primeiramente, teremos de saber se ZD1 irá ou não po lar izar. Para isso , devemos primeiramente tirar o diodo zener do circuito,O diodo zener quando polarizado reversamente, deixará circular corrente por ele quando a tensão reversa sobre o mesmo for igual ou maior que sua tensão de ruptura. Portanto, deveremos analisar se a queda de tensão sobre ele é suficiente (tensão de zener) ou não, para sua polarização. Caso essa tensão seja menor que a tensão de zener, o diodo se comportará como uma chave aberta. A seguir daremos alguns exemplos de dimensionamento de circuitos com díodos zener para fixar esta metodologia: Diodo polarizado com tensão reversa Exemplo 01: APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 92 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C Voltando ao circuito original, já sabemos que sobre o diodo DZ1 temos 3,3V, e como seu anodo está ligado à “massa”, teremos no catodo a tensão de 3,3V, que é justamente o p o n t o “ A ” , t e r m i n a n d o a s s i m o dimensionamento do circuito, como vemos na figura 8c. Exemplo 02: como já fizemos em análises de diodos comuns. Na figura 8b, temos o circuito anterior com o diodo desligado do circuito, ficando um circuito série formado por 2 resistores; como os resistores são iguais, a queda de tensão sobre cada um deles será a mesma e com isto bastará dividir a tensão total da fonte por 2, chegando à tensão de 5V sobre cada resistor, então no ponto “A” teremos a tensão de 5V para o circuito sem o diodo DZ1. Como o diodo DZ1 será ligado justamente no ponto e na “massa”, ele receberá uma tensão inicial de 5V, polarizando inversamente o diodo como uma tensão superior a sua tensão de zener, o que produzirá neste polarização e travando sobre ele uma tensão de 3,3V. Temos neste circuito uma queda de tensão de 6,6V sobre R1 e de 3,3V sobre o paralelo entre R2 e DZ1. Como a queda de tensão sobre R1 é o dobro em relação a R2/DZ1, podemos afirmar que o valor da resistência de R1 é o dobro do valor da malha paralela. Assim, podemos definir que a resistência equivalente entre R2 e DZ1, será de 5k, o que concede ao diodo zener um valor de resistência de 10k. Assim, se temos 10k de resistência (zener) em paralelo com outro resistor de 10k (R2), resultará em um valor de 5k. Este exemplo (figura 9) difere do anterior somente na posição do diodo. Como vimos no exemplo anterior o diodo zener será polarizado, limitando a queda sobre R1 em 3,3V, deixando o ponto “A” com 6,7V. Exemplo 03: Na figura 10a, temos um novo circuito, formado por 3 resistores em série, um diodo paralelo a um dos resistores, que não mais será um circuito série, já que a corrente circulante por R1, se dividirá entre R2 e DZ1, voltando a ser a mesma em R3. Seguiremos a análise deste exemplo acompanhando a figura 10a. O primeiro passo é saber se o diodo zener ZD1 será ou não polarizado. Para isso devemos desligá-lo do circuito (figura 10b). Ficaremos assim, com 3 resistores em série de mesmo valor, dividindo a tensão da fonte em 3 tensões iguais de 4V. A queda no resistor em paralelo ao diodo (R2) será de 4V, ou seja, ZD1 será polarizado, travando a queda sobre R2 em 2,4V (tensão do zener). O restante da tensão da fonte (12V - 2,4V = 9,6V), serão distribuídos entre R1 e R3 igualmente (R1 = R3), gerando uma queda de 4,8V sobre cada resistor. Como R3 está ligado à massa e ao ponto “B”, teremos 4,8V e no ponto “A” teremos 7,2V (4,8V do ponto “B” + 2,4V de R2), como podemos ver na figura 10c. Podemos também verificar aqui, que o diodo zener assume determinada resistência. Se considerarmos que a queda de tensão sobre o zener DZ1 e R2 é de 2,4V, e que a queda nos outros resistores é de 4,8V, podemos dizer que os outros resistores possuem o dobro do valor por apresentarem o dobro da tensão. Considerando então que R1 é de 10k, já podemos afirmar que o circuito paralelo R2/DZ1, terá uma resistência equivalente de 5k. Como o valor de R2 é também de 10k, o valor da resistência interna do zener deverá ser também de 10k, para que dois valores de 10k +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A 6,7V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B 4V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B ? ? 8V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B 4,8V 7,2V figura 9 figura 10a figura 10b figura 10c 93ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V R1 10kW R2 10kW DZ1 2,4V A B ? ? R3 10kW +12V R1 10kW R2 10kW DZ1 2,4V A 6V R3 10kW +12V R1 10kW R2 10kW DZ1 2,4V A C 2,4VR3 10kW +12V R1 10kW R2 10kW DZ1 2,4V A B R3 10kW +12V R1 10kW R2 10kW A C +2,4V0V R3 10kW +12V R1 10kW R2 10kW A +1,2V R3 10kW +12V R1 10kW Req 5kW A +1,2V 4,8V10,8V 1X 2X D figura 11a figura 11b figura 11c figura 11d figura 11e figura 11gfigura 11f Na figura 11 c, temos o mesmo circuito da figura 11a, mas de modo mais simplificado para melhor manipular seus componentes e Para simplificar este novo circuito devemos transformá-lo num circuito alimentado por apenas 2 tensões. Assim, as tensões de OV e 2,4V abaixo de R2 e de R3 formarão um outro ponto virtual "D", como mostra a figura 11 f. Como os 2 resistores são iguais podemos calcular esta tensão como sendo a média entre as 2 tensões (OV de R2 e 2,4V de R3), resultando numa tensão média de 1,2V (OV+ 2,4V = 2,4V 2,4V + 2 = 1,2V, ou seja a média simples), como mostra a figura 11 f. Simplificando a figura 11 f, teremos um circuito agora com 2 resistores paralelos R2 e R3, cuja resistência equivalente será um resistor de 5k, formando um único circuito série, formado por R1 e Req, como mostra a figura 11gi. Neste novo circuito temos 2 resistores alimentados por uma queda de tensão total de 10,8V (12V - em paralelo, resultem em 5k na equivalência. Exemplo 04: Neste novo circuito da figura 11a, como nos outros casos, o primeiro passo é saber se DZ1 será polarizado e para isso, vamos desligar o diodo do circuito (mentalmente), como mostra a figura 11 b. Ficaremos então com dois resistores iguais, que dividirão a tensão da fonte de 12V em duas tensões de 6V para cada resistor, teremos então sobre R2 a tensão de 6V que será a mesma tensão sobre a malha do diodo zener (DZ1 e R3), indicando que se o diodo zener DZ1 estiver ligado no circuito ele ficará reversamente polarizado e com tensão superior à tensão de zener, levando-o à polarização. entender seu funcionamento. Podemos observar que este circuito não é um circuito simples, apesar de já sabermos a queda de tensão sobre DZ1, ainda não sabemos a queda de tensão nem sobre R3 e nem sobre R2, e não temos nenhum circuito série de resistores para simplificar este circuito. Este tipo de circuito que tem apenas 3 resistores e 1 diodo, apesar de poucos componente é um circuito complexo e de solução difícil. Se observarmos a malha formada por R3 e DZ1 veremos que é uma malha série, e com isso a ordem dos componentes hão irá alterar a corrente do mesmo, com isso podemos inverter R3 com DZ1, formando um ponto "C" virtual no circuito, que irá facilitar a análise deste circuito, como mostra a figura 11 d. Vamos agora ficar com um circuito alimentado por 3 tensões diferentes, acima de R1 teremos 12V que vem da fonte e abaixo de R2 temos O volt da massa; finalmente abaixo de R3 temos 2,4V do ponto virtual "C", como mostra a figura 11e. APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 94 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C 1,2V), onde Req receberá a proporção de 1x e R1 a de 2x totalizando 3x que dividirá a tensão de 10,8V, ficando com 3,6V para cada “x”, sobre Req teremos então 3,6V e somados com os 1,2V do ponto virtual “D” abaixo de Req ficaremos com 4,8V no ponto real “A”. A tensão do ponto “B” pode ser facilmente calculada a partir da tensão do ponto “A” subtraindo a tensão do diodo DZ1, que já sabemos que está polarizado e tem sobre ele a tensão de 2,4V (tensão de zener). R E S U M O : P o d e m o s r e s u m i r o dimensionamento de circuitos com diodos zener, como sendo o mesmo utilizado para diodos comum. Em primeiro lugar devemos retirar o diodo do circuito (mentalmente) e saber se ele está diretamente polarizado ou reversamente polarizado: Se ele estiver diretamente polarizado, mas com tensão abaixo de 0,6V, ele não será polarizado e comportar-se-á como uma chave aberta. Caso ele esteja diretamente polarizado com uma tensão acima de 0,6V ele será polarizado no sentido da “flecha” do seu corpo (do anodo para o catodo) comportando-se como uma chave fechada, mantendo 0,6V sobre os seus terminais, como um diodo comum. Quando ele estiver reversamente polarizado com tensão abaixo da sua tensão de zener, funcionará como uma chave aberta, não circulando corrente por ele. Já quando estiver polarizado reversamente com uma tensão igual ou superior à sua tensão zener, será polarizado no sentido inverso (do catodo para o anodo), mantendo sobre ele a tensão de zener. Depois de saber se o diodo é ou não polarizado, devemos retirar a tensão de queda sobre o diodo do total da tensão de alimentação da malha, dividindo o restante da tensão da malha pelos resistores que a compõe. Caso tenhamos malhas complexas, devemos simplificar essas malhas para circuitos séries equivalentes e através do método das proporções encontrar as tensões do circuito. Uma vez calculado a tensão do ponto “A”, podemos voltar ao circuito original e colocar agora as tensões nos pontos “A” e “B”, como mostra a figura 11h. Neste exercício nós aplicamos um novo método que é o da tensão média de polarização para circuitos alimentados com 2 tensões diferentes. Esse método só será possível se os 2 resistores envolvidos em cada malha forem de resistências iguais (R2 e R3). +12V R1 10kW R2 10kW DZ1 2,4V A B 4,8V 2,4V R3 10kW +12V R1 1kW R2 2kW D1 5,1V D5 D4 2,7V D3 D6 D7 12V D8 D13 D12 11V D11 D14 3,3V D15 7,2V D16 D17 5,6V D18 9,1V D19 5,6V D9 D10 D2 R3 3kW R5 2kW R4 2kW R6 5kW R7 10kW R8 200W R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 12kWR9 600W A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X EXERCÍCIOS DE DIMENSIONAMENTO DE TENSÃO Calcule e coloque as tensões corretas nos círculos abaixo: 1 2 3 4 5 6 7 8 figura 11h 95ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 9 22 25 10 23 26 11 24 27 12 13 +15V R1 2kW D1 D4 D9 7,2VD6 D11 D7 D12 11V D14 7,2V D15 7,2V D8 2,7V D13 4,7V D5 11V D10 D2 3,3V D3 5,6V R5 2kW R4 1kW R3 2kW R6 5kW R9 1kW R7 600W R10 1kW R8 10kW R11 1kW R12 2kW R15 4kW R16 2kW R13 1kW R14 1kW R2 3kW Y Z A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 H1 I1 J1 K1 L1 M1 N1 +20V R1 2kW R2 2kW D1 D5 3,3V D4 D3 5,6V D6 7,2V D7 D8 12V D13 2,7V D12 2,7V D14 D15 D16 4,7V D17 D18 2,7V D19 D9 D10 D11 D2 5,6V R3 3kW R5 20W R4 2kW R6 5kW R7 10MW R8 200kW R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 120kWR9 600W O1 P1 Q1 R1 S1 T1 U1 V1 W1 X1 Y1 Z1 A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2 H2 I2 J2 K2 L2 14 15 16 17 18 19 20 21 R1 1kW R1 1kW R1 1kW R1 2kW R1 5,6kW R1 2kW IN IN IN IN IN IN OUT OUT OUT OUT OUT OUT D1 D1 D2 D1 D1 D1 D2D1 ZD1 4V ZD1 4V ZD2 5V ZD1 5V ZD1 25V 10Vp 10Vp 10Vp 22Vpp 5Vp 22Vpp Desenhe as formas de onda dos circuitos mostrados abaixo: 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 + 1 0 V 4 ,6 V 4 ,6 V -0 ,6 V -5 ,6 V -0 ,6 V + 5 ,6 V + 0 ,6 V 1 ) 9 ,8 V / 4 ,6 V / 0 ,6 V 2 ) 3 ,9 V / 3 ,3 V / 0 ,6 V 3 ) 11 ,4 V / 6 V / 0 ,6 V 4 ) 11 ,4 V / 1 0 ,8 V / 1 0 ,2 V 5 ) 1 2 V / 1 1 ,5 V / 0 ,5 V 6 ) 11 ,6 V / 8 ,3 V / 1 ,1 V 7 ) 11 ,4 V / 9 ,4 V / 3 ,8 V 8 ) 1 2 V / 3 ,1 V / 3 V 9 ) 1 4 ,4 V / 1 1 ,1 V / 1 0 ,5 V / 0 V 1 0 ) 1 4 ,4 V / 9 ,7 V / 0 ,5 V 1 1 ) 7 ,8 V / 4 ,2 V / 3 ,6 V 1 2 ) 1 4 ,4 V / 1 3 ,8 V / 0 ,6 V 1 3 ) 7 ,5 V / 5 V / 3 ,7 5 V 1 4 ) 1 3 ,1 V / 1 2 ,5 V / 5 ,6 V 1 5 ) 2 0 V / 1 9 ,8 V / 0 V 1 6 ) 1 2 ,8 V / 0 ,7 V / 0 ,6 V 1 7 ) 8 V / 7 ,4 V / 6 ,8 V / 6 ,2 V 1 8 ) 1 7do condutor. 3) O campo magnético começa a mover-se do centro do fio para sua borda. INDUTÂNCIA 2) A corrente começa fluir pelo condutor. 4) O campo magnético em movimento induz uma tensão no próprio fio. Considerando que o campo magnético em movimento, induz tensão no próprio fio, esse se oporá à tensão original externa feita por “E1” e tende a produzir uma corrente induzida em sentido contrário a corrente original (veja figura 6). 1) A chave S1 é fechada. Assim será induzida uma tensão nos extremos desse condutor. Vejamos os processos básicos da sequência de indução: Como essa corrente induzida ocorre somente na variação do campo magnético, haverá portanto, uma corrente que irá se opor à original, causando assim uma oposição a essa corrente, e esta apresenta muita dificuldade em circular. Essa indução é chamada de FORÇA ELETROMOTRIZ INDUZIDA, mas como ela se opõe a variação da corrente poderemos chamá-la de FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ INDUZIDA. Então, quando um condutor em movimento é imerso em um campo magnét ico, acaba aparecendo uma diferença de potencial em seus extremos. Já que o condutor está em movimento, o campo magnético aplicado sobre ele é variável. Essa variação do campo magnético irá gerar um campo elétrico que poderá ser notado pela diferença de potencial sobre o condutor. AUTO-INDUÇÃO A indutância pode ser definida como a capacidade de induzir uma força eletromotriz quando ocorre uma variação no fluxo de corrente. Então, definimos a indutância como a capacidade de um componente ou circuito de induzir uma força eletromotriz. Se um componente ou circuito possui essa capacidade, ela continuará existindo, mesmo que não ocorram mudanças no fluxo de corrente. A unidade de medida da indutância é o henry (H), em homenagem a Joseph Henry, um físico do século XIX que fez importantes descobertas nesta área da ciência. Podemos dizer que ao aplicar uma corrente contínua circulante por um condutor, haverá a formação de um campo magnético que partindo do ponto central do condutor chegará à sua extremidade de forma muito rápida. Considerando que essa corrente contínua mantém um regime de trabalho constante (mesma corrente circulante), haverá um campo constante criado ao redor desse condutor. Na figura 4, podemos ver que existe uma fonte de alimentação ou bateria chamada de “E1” fazendo circular uma corrente através da carga “R1”. Notem o campo magnético gerado em torno do condutor. Podemos dizer que a intensidade de campo magnético, será proporcional a intensidade da corrente circulante. Na figura 5, mostramos que o campo magnético começa a se propagar a partir do centro, indo para extremidade do condutor. Após um determinado tempo, o campo magnético estará agindo no lado de fora do condutor. Quando o campo magnético está se movimentando do centro do fio para sua borda, pode ser encarado como um campo magnético, movendo-se nas extremidades do fio. Do ponto de vista teórico isso é equivalente ao condutor estar em movimento e o campo em repouso. O que importa na realidade é o movimento relativo entre eles. Durante o tempo em que ocorrem os transientes, ou seja, quando a corrente está indo do zero até algum valor desconhecido, ocorre o fenômeno chamado “auto-indução”. E1 Campo magnético CH1 R1 figura 4 seção transversal do fio campo magnético indica que a corrente está entrando na página figura 5 Movimento relativo do condutor direção da corrente original direção genérica do campo (indicador) corrente original corrente induzida figura 6 10 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Para um dado valor de indutância, o tempo necessário para que a corrente atinja seu valor máximo é diretamente proporcional a indutância. Podemos considerar o componente i ndu to r, como um condu to r enrolado em um corpo cilíndrico; isto possibilita uma maior concentração de campos, aumentando também a reatância indutiva. A forma de enrolar o fio no corpo cilíndrico acabou gerando a lgumas vezes o nome de “bobinas” para esse componente (Figura 7). Reatância indutiva é a oposição à passagem da corrente, quando da variação desta. Sabemos que a corrente não pode atingir o seu valor máximo instantaneamente, quando essa é obrigada a passar por um circuito indutivo. O tempo necessário para que isso aconteça dependerá do valor da indutância e de alguma resistência em série com esse indutor. INDUTORES Podemos definir qualquer condutor que tem um certo valor de indutância. Contudo, quando os condutores são pouco extensos, esses valores de indutância são muito pequenos e somente podem ser medidos por instrumentos extremamente sensíveis. Um componente p ro je tado para fornecer o valor de indutância e s p e c í f i c o é c h a m a d o d e INDUTOR. Podemos aumentar a indutância de uma bobina, aumentando o número de espiras. Outra forma de aumentar a indutância é utilizar o n ú c l e o d e m a t e r i a l f e r r o magnético, capaz de evitar a dispersão do campo magnético induzido. Na maioria das aplicações eletrônicas essa unidade é muito grande, sendo usado seus sub-múltiplos: mili-henry (mH) e micro-henry (mH). A letra usada para simbolizar a indutância é o “L”. Como exemplo podemos ter: L = 100 mH. Um henry é a capacidade de indutância que irá induzir uma força eletromotriz de 1 volt, quando a corrente varia na razão de 1 ampère em 1 segundo. A simbologia utilizada para indutor é apresentada na figura 8. INDUÇÃO Indução é a ação de induzir uma força eletro-motriz em um condutor, quando existe uma mudança no fluxo de corrente em um indutor; ou quando um campo magnético variável, agindo sobre um condutor, cria uma diferença de potencial em seus terminais. REATÂNCIA INDUTIVA Podemos notar que a variação de tensão de 0V para algum valor qualquer em um circuito com indutores, obriga a circulação de corrente que sofre uma oposição pelo indutor no momento de variação de corrente, ou seja, de 0A para algum valor qualquer. Essa oposição criada é chamada de reatância indutiva e é medida em ohms. O símbolo de reatância indutiva é “XL”, e a unidade de medida é o ohm, como já foi dito. Após alguns cálculos e experimentos, chegamos a uma fórmula que exprime o valor da reatância indutiva em relação a frequência da corrente elétrica e a indutância da “bobina”. Neste ponto de estudo, não vale a pena demonstrarmos os cálculos envolvidos para chegarmos a esta fórmula, já que a teoria de e l e t r o - m a g n e t i s m o , s o m e n t e p o d e s e r desenvolvida com ajuda de cálculos diferenciais um pouco complexos. Então enunciaremos apenas a fórmula, que é bem simples: XL = 2 x p x f x L f = frequências da corrente elétrica (Hz). Por esta fórmula podemos ver que quanto maior a frequência da corrente elétrica maior será a reatância e também quanto maior for o valor da indutância da “bobina” em questão, maior será a reatância. O valor resultante desta fórmula será o valor da reatância indutiva desta “bobina” medida em ohms (W), desde que seja obedecida as unidades da frequência em hertz e a indutância em henry. L = valor da indutância (H). p (pi) = uma constante que vale: 3,141592654... Podemos exemplificar esta fórmula aplicando-a a um circuito eletrônico, formado por uma bobina de 3,3uH, ligada a uma fonte de corrente senoidal A reatância indutiva é diretamente proporcional a frequência e a indutância, ou seja, se aumentarmos a frequência da corrente elétrica ou a indutância, aumentaremos a reatância indutiva e vice-versa.BOBINA figura 7 figura 8 11ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 XL = 2pfL = 2x3,14x10000x0,0000033,3 V / 2 ,7 V 1 9 ) 1 ,2 V / 0 ,6 V / 0 V 2 0 ) 1 9 ,4 V / 1 8 ,5 V / 1 7 ,9 V 2 1 ) 2 0 V / 1 7 ,5 V / 1 7 ,5 V APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 96 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C ANÁLISE DE DEFEITOS COM DIODOS ZENER +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A 2V +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A DZ1 com fuga R1 alterado 2V 8V OU +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A 5V +10V R1 10kW R2 10kW DZ1 3,3V A DZ1 aberto 5V 5V figura 12a figura 12b figura 13a figura 13b Os defeitos apresentados pelo diodo zener são iguais ao diodo comum. Daremos a seguir, alguns exemplos de análise de defeitos Sobre R1 temos 8V (10V - 2V), e sobre R2 e DZ1 (estão em paralelo) temos 2V. Para marcarmos a tensão sobre um componente utilizamos uma seta sobre o componente indicando uma diferença de potencial cuja a seta indica o potencial maior e o outro extremo, o potencial menor, como mostra a figura 12b. Do mesmo modo anterior, devemos começar colocando as tensões sobre os componentes, como mostra a figura 13b. Ficamos com 5V sobre R1 e também 5V sobre R2 e DZ1 (paralelos). Vamos começar analisando o diodo DZ1, que está inversamente polarizado com 5V sobre ele, que é uma tensão maior que sua tensão de zener (3,3V). Para justificar essa tensão mais "alta" sobre o diodo temos 2 possibilidades. A primeira e mais provável é que o diodo está "danificado" (aberto) e a segunda é que ele estaria "alterado". Para confirmar vamos supor que ele estivesse aberto, então o circuito se comportaria como se o diodo não existisse, sobrando um circuito série de 2 resistores. Como as quedas de tensões sobre R1 e R2 são iguais (5V em cada), e os resistores também são "iguais", confirma que o diodo DZ1 está aberto, como mostra a figura 13b. Exemplo 01: Na figura 12a, temos um circuito com 2 resistores e um diodo em paralelo com um resistor. Para analisar circuitos com defeitos, devemos sempre ter o mesmo procedimento, que é de colocar as tensões sobre os componentes; as tensões medidas nos pontos servem apenas de instrumento para chegarmos as quedas de tensões sobre os componentes. NÃO DEVEMOS calcular as tensões que o circuito teria caso não estivesse com defeito. A análise de defeito sempre deve começar pelos diodos; DZ1 está reversamente polarizado com 2V, tensão abaixo de sua tensão de zener, portanto ele deve estar cortado, funcionando como uma chave aberta, restando então um circuito série formado por 2 resistores (R1 e R2). Como os resistores são "iguais" deveríamos ter a mesma queda de tensão sobre eles. Como a tensão sobre R1 é maior que a queda de tensão sobre R2 podemos concluir que R1 está alterado. Devemos ainda verificar se uma fuga em DZ1 poderia provocar essa alteração nas tensões. Exemplo 02: Na figura 13a podemos observar o circuito defeituoso, muito parecido com o exemplo anterior. Exemplo 03: Na figura 14a, temos um circuito formado por 3 resistores em série (R1, R2 e R3) e um diodo paralelo a um dos resistores (R2); todos eles ligados a uma fonte de 12V. O primeiro passo para análise de defeito em um circuito, é saber quais as tensões sobre os componentes envolvidos no defeito, como podemos observar na figura 14b, que mostra o mesmo circuito com as tensões sobre os componentes. Uma fuga no diodo zener será equivalente a um resistor colocado em paralelo com este, sendo que independente de atingir ou não a tensão de zener, influenciaria as tensões gerais. Note que esta provável fuga do zener, ficaria emparalelo com R2, alterando o valor total da resistência equivalente "para baixo" justificando a tensão medida para o circuito. Com isso teremos duas possibilidades para o defeito apresentado, que seria R1 alterado ou DZ1 com fuga, como mostra a figura 12b. 97ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B 2V 4V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B R1 alterado 2V 2V 8V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B 6V 6V +12V R2 10kW R1 10kW R3 10kW DZ1 2,4V A B DZ1 em curto 6V 6V 0V figura 14a figura 14b figura 15a figura 15b Na figura 14a, temos o circuito inicial com defeito, onde é indicado as tensões dos pontos "A" e "B". Já na figura 14b, temos o circuito com as quedas de tensões sobre os componentes. O primeiro componente a ser analisado é o diodo DZ1, que está polarizado reversamente com 2V, que é a mesma tensão de R2, já que DZ1 e R2 estão em paralelo. Como o diodo está polarizado (reversamente) com uma tensão abaixo de sua tensão de zener, ele irá se comportar como uma chave aberta, permanecendo cortado; neste caso, resta no circuito apenas 3 resistores em série que poderão ser analisados pelas quedas de tensão sobre eles, que devem ter proporção ao valor de suas resistências. Como os 3 resistores tem o mesmo valor (10k), podemos detectar que R1 está alterado pois sobre ele há uma queda de 8V e já sobre R2 e R3 temos 2V sobre cada resistor, indicando que R2 e R3 estão "bons" (mesma resistência e mesma queda de tensão). Resta agora apenas um circuito série formado por R1 e R3; como os resistores são "iguais" teríamos de ter quedas de tensões iguais sobre eles. Em R1 e R3 temos a mesma queda de tensão (6V) indicando que ambos estão "bons", mas como dissemos anteriormente, sobre R2 temos 0V que é uma queda de tensão infinitamente menor que sobre R1 e R3. Como seria isso possível? um resistor não altera para menos e muito menos entra em curto (0V de queda de tensão). Verificando melhor o circuito da figura 15b podemos ver que paralelo a R2 temos DZ1, que se caso entrasse em curto levaria a uma queda de tensão de 0V sobre ele e consequentemente sobre R2. Assim, não encontramos nenhuma outra possibilidade de defeito a não ser DZ1 em curto, como mostra a figura 15b. OBSERVAÇÃO: Neste exercício, afirmamos que um resistor não altera para menos e nem entra em curto. Esta afirmação não é totalmente verdadeira já que na prática isso pode acontecer em raras e especiais ocasiões. Mas para efeito de análise, neste curso vamos considerar que este fato não acontecerá. Exemplo 05: O circuito da figura 16a, Para finalizar o exercício, precisamos ter certeza se não existe outro defeito que provoque as mesmas tensões. Outra possibilidade seria DZ1 com fuga diminuindo a tensão sobre R2, justificando os 2V sobre R2 e a tensão maior sobre R1, mas não justificaria a mesma queda de tensão sobre R3 (2V). Como R2 e R3 possuem a mesma queda, indica que ambos possuem a mesma resistência. Desta forma, podemos confirmar que o único defeito para este circuito é R1 alterado, como mostra a figura 14b. Exemplo 04: O circuito da figura 15a é o mesmo da figura 14a, mas as tensões nos pontos "A" e "B", são diferentes. O primeiro passo para a análise será colocar as quedas de tensões sobre os componentes do circuito, como mostra a figura 15b. Teremos então 6V sobre R1 e R3, e 0V sobre DZ1 e R2 (paralelos). Começamos pelo diodo DZ1, onde verificamos que não há queda de tensão neste (0V), o mesmo ocorrendo para o resistor R2. A falta da queda de tensão pode significar ausência de corrente ou curto total (no caso somente no zener, pois resistores não apresentam este defeito). é bem diferente dos outros aqui analisados pois é composto de 4 resistores, sendo dois em série (R1 e R2), do positivo para o negativo, e mais dois em série (R3 e R4), também do positivo para o negativo; interligando esses 2 circuitos temos um diodo zener, transformando a malha em um circuito um pouco complexo, pois interliga duas malhas série.Na figura 16b, temos as tensões sobre os componentes, onde vemos em R1 e R4 uma queda de 4V, e em R2 e R3 uma queda de 8V; sobre DZ1 temos 4V. Começando analisar por DZ1 podemos verificar que ele está reversamente polarizado comuma tensão maior que sua tensão de zener, indicando que o mesmo está aberto ou alterado. Para confirmarmos o defeito do diodo DZ1, devemos começar a analisar o que aconteceria se DZ1 estivesse aberto. Teríamos então 2 circuitos séries isolados um do outro e com isso 12 V da fonte divididos por 2 resistores de 20k e 10k (nos 2 circuitos), com isso teríamos 1x para o resistor de 10k e 2x para o resistor de 20k totalizando 3x que subdividira a fonte em 4V para cada "x", teríamos então 4V sobre o resistor de 10k ( R1 e R4) e 8V sobre o resistor de 20k (R2 e R3), o que realmente está acontecendo, mostrando que R1, R2, R3 e R4 estão "bons" e DZ1 está aberto (figura 16b). Caso DZ1 estivesse alterado ele iria desviar corrente dos resistores alterando suas quedas de tensão, fato que não está ocorrendo. As correntes circulantes deste circuito também são complexas pois elas partem do polo positivo da fonte passando por R1 ou R2 e depois são desviadas pelo diodo indo se somar em R3 ou R4. Mas, felizmente para analisar defeito de circuitos mais complexos não precisamos calcular as tensões corretas, bastando colocar as tensões sobre os componentes (como sempre) e depois com análise lógica chegar ao componente defeituoso. APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 98 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V R1 10kW R2 20kW DZ1 3,3V DZ1 aberto A B 8V 4V R3 20kW R4 10kW +12V R1 10kW R2 20kW DZ1 3,3V A B R3 20kW R4 10kW 4V 4V 8V 4V 8V DZ1 4,7V 8,5V 3,8V +20V R2 2kW R1 10kW R3 5kW DZ1 4,7V DZ2 2,4V 15,3V 2V Localize o componente defeituoso nos circuitos abaixo: R2 10kW R1 5kW R3 5kW +12V +12V R1 5kW R2 5kW DZ1 3,3V 4,5V DZ1 4,7V +12V R2 10kW R1 15kW R3 20kW 8,4V 4,7V 1 3 2 4 figura 16a figura 16b Respostas: 1) DZ1 alterado 2) R2 aberto 3) R2 alterado 4) DZ2 com fuga 99ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +15V R1 1kW R2 2kW D1 5,1V D5 D4 2,7V D3 D6 D7 12V D8 D13 D12 11V D11 D14 3,3V D15 7,2V D16 D17 5,6V D18 9,1V D19 5,6V D9 D10 D2 R3 3kW R5 2kW R4 2kW R6 5kW R8 200W R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 12kWR9 600W A B C D E F G H I J K L M N O R7 10kW P Q R S T U V W X 0,6V 8,8V 3,7V 0,6V 4,3V 4,9V 0,6V 14,4V 4V 14,7V 14,4V 14,1V 0,6V 11,6V 11,6V 14,7V 11,4V 4,2V 14,4V 6,5V 11,1V 0V 15V 0V +18V R1 2kW D1 D4 D9 7,2VD6 D11 D7 D12 11V D14 7,2V D15 7,2V D8 2,7V D13 4,7V D5 11V D10 D2 3,3V D3 5,6V R5 2kW R4 1kW R3 2kW R6 5kW R9 1kW R7 600W R10 1kW R8 10kW R11 1kW R12 2kW R15 4kW R16 2kW R13 1kW R14 1kW R2 3kW Y Z A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 H1 I1 J1 K1 L1 M1 N1 17,4V 14,1V 7V 0V 17,6V 0V 0V 10,8V 3,8V 4,4V 4,7V 17,4V 17,2V 0V 7,2V 3,6V +12V R1 2kW R2 2kW D1 D5 3,3V D4 D3 5,6V D6 7,2V D7 D8 5,1V D13 2,7V D12 2,7V D14 D15 D16 4,7V D17 D18 2,7V D19 D9 D10 D11 D2 5,6V R3 3kW R5 20W R4 2kW R6 5kW R7 10MW R8 200kW R10 6kW R12 1kW R13 1kW R11 120kWR9 600W O1 P1 Q1 R1 S1 T1 U1 V1 W1 X1 Y1 Z1 A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2 H2 I2 J2 K2 L2 5,6V 8,7V 8,9V 0,6V 1,2V 1,8V 0,6V 0,6V 4,8V 7,5V 6,9V 6,3V 5,7V 9,3V 1,7V 12V 11,7V 0V 11,4V 4,8V 5,4V 0,6V 3,8V 6,5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 9) D3 aberto 10) R6 aberto 11) R9 alterado 12) D13 alterado 13) D15 em curto 14) D1 com fuga 15) D4 com fuga 16) R4 alterado 17) D8 com fuga 18) D13 com fuga 19) D15 aberto 20) R16 alterado 21) R12 alterado Respostas: 1) R1 alterado 2) D4 alterado 3) R4 alterado 4) R6 aberto 5) D11 em curto 6) R9 alterado 7) D17 com fuga 8) D18 aberto APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 100 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C http://www.fairchildsemi.com/sitesearch/fsc.jsp?command=eq&attr1=AAAFamily&attr2=Zener+Diode http://www.onsemi.com/PowerSolutions/parametrics.do?id=830 http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_Zener http://www.dee.ufcg.edu.br/~gutemb/Apostila%20Diodo%20Zener.pdf http://www.elbest.eng.br/tabelas/tabzener.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/zener.html Pesquisas sobre diodos zeners, para serem feitas na internet: 1 1 1 3 tipos de diodos zeners: (1) diodos SMD (montagem em superfície); (2) diodos comuns (3) zener de potência 2 Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-33 à M2-36. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 101ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 10 DIODO LED - TRANSISTORES LED - características gerais TRANSISTORES - funcionamento Polarização de transistores - testes práticos Polarização de transistores - análise teórica DIODO LED Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfato de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes. O diodo emissor de luz, também conhecido pela sigla em em inglês LED (Light Emitting Diode), funciona como um diodo comum com relação a polarização, ou seja, para conduzir necessita de uma polarização direta (tensão positiva no ânodo e negativa no cátodo). Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada. Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de sinaleiras. A forma simplificada de uma junção P-N de um LED demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área do semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao material semicondutor. Na ligação, os íons desse material dopante (íons "aceitadores") removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas" (ou buracos), portanto, o semicondutor torna- se do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o semicondutor do tipo N. Os semicondutores também podem ser do tipo compensados, isto é, possuem ambos os dopantes (P e N). Neste caso, o dopante em maior concentração determinará a que tipo pertence o semicondutor. Por exemplo, se existem mais dopantes que levariam ao P do que do tipo N, o semicondutor será do tipo P. Isso implicará, contudo, na redução da mobilidade dos portadores.A Mobilidade dos Portadores é a facilidade com que cargas N e P (elétrons e buracos) atravessam a estrutura cristalina do material sem colidir com a vibração da estrutura. Quanto maior a mobilidade dos portadores, menor será a perda de energia, portanto mais baixa será a resistividade. O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte eléctrica de energia é chamado eletroluminescência. Características (fonte: Wikipedia) No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido a opacidade do material), e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável. LED: vista interna chip semicondutor copo refletor lente terminais de polarização ANODO ANODO CATODO CATODO ANODO (A) CATODO (K) figura 1 figura 1a figura 1b +12V LED 1 1kW 10mA APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 102 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C LED ALTO BRILHO EXERCÍCIOS PROPOSTOS 3) Calcule o valor do resistor R para que circule uma corrente de 10mA pelo circuito formado pelo gerador de corrente alternada de 120Vac e retificado, sabendo que a tensão de polarização do LED1 é de 2V. 2) Calcule a tensão no ponto indicado para que o LED1 funcione normalmente com uma corrente de 10mA, polarizado pelo resistor de 1k. 1) Calcule o valor do resistor para que o diodo LED funcione com um brilho médio (1,5V e 10mA). +10V LED 1 Características básicas Imed = 10mA Vmed. = 1,5V R ? 1,5V 120Vac LED 1 R= ? 10mA G 2V figura 1 figura 1 figura 1 Na região de contato das áreas, elétrons e lacunas se recombinam, criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde temos apenas os íons "doadores" da região N e os íons "aceitadores" da região P, que por não apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do material P dos outros elétrons livres do material N. Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicação de energia externa (polarização direta da junção). Aqui é preciso ressaltar um fato físico do semicondutor: nesses materiais, os elétrons só podem assumir determinados níveis de energia (níveis discretos), sendo as bandas de valência e de condução as de maiores níveis energéticos para os elétrons ocuparem. A região compreendida entre o topo da camada de valência e a parte inferior da camada de condução é chamada de "banda proibida". Se o material semicondutor for puro, não terá elétrons nessa banda (daí ser chamada "proibida"). A recombinação entre elétrons e lacunas, que ocorre depois de vencida a barreira de potencial, pode acontecer na banda de valência ou na proibida. A possibilidade dessa recombinação ocorrer na banda proibida se deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela introdução de outras impurezas no material. Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de energia mais próximo da banda de condução, pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos LED's, de modo a exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada (comprimento de onda específico). Quando polarizamos um diodo e este conduz, haverá uma recombinação " elétron lacuna". Certa quantidade desta recombinação é absorvida, gerando calor. Outra quantidade é liberada em forma de fótons, gerando luz. Nos díodos de silício e germânio a quantidade de energia liberada em forma de fótons é insignificante em relação quantidade de energia absorvida pela recombinação " elétron lacuna". Porém, o arsenieto de gálio é um semicondutor, no qual a quantidade de energia liberada em forma de fótons é significante, criando-se assim, a possibilidade de criar com este tipo de semicondutor, diodos emissores de luz (LED's). Os LED's são comumente encontrados nas cores laranja, amarelo, vermelho, verde e branco. Funcionamento Existem inúmeros tipos de LED's, de tamanhos, c o r e s e p o t ê n c i a s diferentes. O aspecto físico do diodo LED é um pouco diferente do diodo comum, como podemos ver na figura 1 e 1 a. Na página anterior temos o símbolo do diodo LED, na figura 1b, que diferencia do diodo comum pelas setas indicando que ele emite luz. Como já mencionamos a tensão necessária para a condução do diodo LED gira em torno de 1,8V, e como geralmente os circuitos são alimentados por tensões bem superiores, devemos ligar em série com o diodo LED um resistor limitador de corrente. O LED tem d i v e r s a s f u n ç õ e s , inclusive as mesmas do diodo comum de baixa potência, mas a sua grande utilidade é de indicador luminoso para mostrar alguma função como: circuito de proteção a c i o n a d o , a p a r e l h o ligado, comutação de função, etc. Outra diferença do diodo comum para o diodo LED é que o diodo comum (silício) precisa de 0,6V de polarização direta, já o diodo LED precisa de 1,5V a 2V de polarização direta para que ele conduza. Ambos diodos depois de polarizados diretamente permanecerão com uma diferença de potencial quase constante sobre seus terminais e funcionarão como se fosse uma chave fechada para o circuito. figura 2: Apesar do exercício estar pedindo para calcular, já temos o valor do resistor e da corrente circulante e considerando que o LED estará trabalhando com 1,5V, esta será a tensão do ponto. figura 1: temos uma tensão de alimentação de 10V e uma queda sobre o LED de 1,5V; logo, sobre o resistor haverá uma queda de tensão de 8,5V e como temos um valor de corrente para o LED de 10mA, o valor do resistor será de 850 ohms ou 820 ohms em caso de valor comercial. figura 3: Temos agora uma tensão de alimentação de 120V. O diodo comum, será somente para suportar a reversa da rede elétrica. Como temos uma queda de tensão de 118V sobre o resistor e a corrente circulante é de 10mA, o valor deste será de 11.800 ou 12k. Veja ainda que a potência é importante e para isso devemos multiplicar a queda de tensão sobre o resistor 118V pela corrente de 0,01A, que dará 1,18W, ou um mínimo de 1,5W de dissipação de potência para o resistor. O transistor é o componente que de certa forma, propiciou uma revolução na eletrônica. Muitos comparam a importância do seu invento com a importância da descoberta do fogo pelo homem. Este maravilhoso componente, chamado de transistor bipolar de junção (TBJ), é constituído de semicondutores como no caso dos diodos. Os semicondutores usados na sua fabricação são iguais aos usados no diodos, ou seja, silício ou germânio . O termo t rans is tor vem de TRANSFERENCE RESISTOR (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. Possui três camadas e duas junções. Duas camadas serão iguais, sendo estas do tipo P ou do tipo N. A terceira camada tem polaridade contrária as demais e fisicamente é extremamente menor que as outras. Na figura 1, temos um transistor NPN e na figura 2 temos outro PNP, nomeados assim devido a disposição de suas camadas. Em cada camada temos a ligação de um terminal, dando origem a três terminais chamados de BASE, EMISSOR e COLETOR. O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone por Bardeen e Brattain em 1947 e, inicialmente, demonstrado em 23 de Dezembro de 1948, por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, que foramlaureados com o Nobel de Física em 1956. Ironicamente, eles pretendiam fabricar um transistor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de 1925, mas acabaram por descobrir uma amplificação da corrente no ponto de contato do transistor. Isto evoluiu posteriormente para converter-se no transistor de junção bipolar (BJT). O objetivo do projeto era criar um dispositivo compacto e barato para substituir as válvulas termoiônicas usadas nos sistemas t e l e f ô n i c o s d a é p o c a . O s t r a n s i s t o r e s b i p o l a r e s p a s - saram, então, a ser i nco rpo rados a d i v e r s a s apl icações, ta is como aparelhos auditivos, seguidos rapidamente por rádios transistorizados. Mas, a indústria norte- americana não adotou imediatamente o transistor nos equipamentos eletrônicos de consumo, preferindo continuar a usar as válvulas termoiônicas, cuja tecnologia era amplamente difundida. Foi por meio de produtos japoneses, notadamente os rádios portáteis fabricados pela Sony, que o transistor passou a ser adotado em escala mundial. Nessa época, o MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo formado por Metal, Óxido e Silício) ficou em segundo plano, quase esquecido. Problemas de interface inviabilizavam a construção dos MOSFETs. Contudo, em 1959, Atalla e Kahng, da Bell Labs, fabricaram e conseguiram a operação de um transistor MOS. Nessa época, os transistores MOS eram tidos como curiosidade, devido ao desempenho bastante inferior aos bipolares. A grande vantagem dos transistores em relação às válvulas foi demonstrada em 1958, quando Jack Kilby, da Texas Instruments, desenvolveu o primeiro circuito integrado, consistindo de um transistor, três resistores e um capacitor, implementando um oscilador simples. A partir daí, via-se a possibilidade de criação de circuitos mais complexos, utilizando integração de componentes. Isto marcou uma transição na história dos transistores, que deixaram de ser vistos como substitutos das válvulas e passaram a ser encarados como dispositivos que possibilitam a criação de circuitos complexos integrados. Em 1960, devido a sua estrutura mais simples, o MOS passou a ser encarado como um dispositivo viável para circuitos digitais integrados. Nessa época, havia muitos problemas com estados de 103ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 TRANSISTOR N Base Coletor Emissor P N Base ColetorEmissor P N P figura 1 figura 2 aspectos físicos de vários invólucros de transistores impurezas, o que manteve o uso do MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 e 1969, identificou-se o Sódio Na como o principal causador dos problemas de estado de superfície e começaram a surgir soluções para tais problemas. No início da tecnologia MOS, os transistores PMOS foram mais utilizados, apesar do conceito de Complementary MOS (CMOS) já ter sido introduzido por Weimer. O problema ainda era a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transistores NMOS. Funcionamento Usaremos como referência para análise de funcionamento o transistor PNP. O funcionamento A partir da década de 80, o uso de CMOS foi intensificado, levando a tecnologia a ser usada em 75% de toda a fabricação de circuitos, por volta do ano 2000. do transistor NPN é igual ao do tipo PNP, mudando somente nas polarizações. Analisaremos de forma separada a primeira junção, correspondente aos terminais de base e emissor. Na figura 3a, temos a ilustração desta junção recebendo uma polarização direta (tensão positiva no canal P e negativa no canal N). Como consequência da polarização direta, teremos uma circulação de corrente ou um fluxo de elétrons que se deslocam do canal N para o canal P. As dimensões do canal N são bem inferiores a do canal P. Com isso, teremos uma concentração de lacunas na barreira da junção. A outra junção P (figura 3b) do componente correspondente aos terminais base e coletor receberá polarização reversa (tensão negativa no canal P e positiva no canal -N) e portanto, não haverá circulação de corrente por esta. Na figura 4, temos a união destas duas junções, juntamente com suas polarizações. Como vimos nas linhas anteriores, a polarização direta entre base emissor, permitirá um fluxo de elétrons do material N para P e fará com que lacunas se concentrem na junção, devido o material P ser de dimensões bem maiores que o material N. O coletor (canal P) terá uma polarização negativa e consequentemente, teremos este material carregado negativamente. Em 1970, a Intel anunciava a primeira DRAM, fabricada com tecnologia PMOS. Em 1971, a m e s m a e m p r e s a l a n ç a v a o p r i m e i r o microprocessador do mundo, o 4004, baseado em tecnologia PMOS. Ele tinha sido projetado para ser usado em calculadoras. Ainda em 1971, resolviam- se os problemas de estado de superfície e emergia a tecnologia NMOS, que permitia maior velocidade e maior poder de integração. O domínio da tecnologia MÓS dura até o final dos anos 70. Nessa época, o NMOS passou a ser um problema, pois com o aumento da densidade dos CIs, a tecnologia demonstrou-se insuficiente, pois surgem grandes problemas com consumo de potência (que é alto nesse tipo de tecnologia). Com isso, a tecnologia CMOS começava a ganhar espaço. A barreira que separa as duas junções (emissor do coletor) será muito pequena por dois motivos: a pequena dimensão do canal N e a polarização direta entre base-emissor que faz com que a barreira desta junção seja menor. O acúmulo de lacunas na junção base-emissor e a pequena barreira entre coletor emissor, permite que os elétrons do coletor (carregado negativamente pela polarização negativa) vençam esta barreira e sejam absorvidos pelo canal P, carregado positivamente (emissor). Desta forma haverá um grande fluxo de APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 104 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C N PP N Base Coletor Carregado negativamente Emissor P N P aspectos físicos de transistores montados em superfície (SMD) figura 3a figura 3b figura 4 ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 5, temos os símbolos dos transistores NPN e PNP. A seta no emissor indica a polarização direta e sentido de corrente para a junção base-emissor, tanto no caso NPN (figura 5a), como no caso PNP (figura 5b). Aplicando-se uma polarização direta na junção base- emissor, teremos um grande fluxo entre coletor/emissor devido o acúmulo de lacunas na junção base-emissor e consequentemente, da captação dos elétrons do coletor (análise com transistor PNP). Caso não seja aplicado uma polarização entre base- emissor, não haverá corrente entre coletor-emissor, pois a barreira na junção base-emissor não permitirá. Resumo Sem polarização entre base-emissor, o transistor se comporta como chave aberta entre coletor-emissor, pois não haverá corrente circulante. Nas figuras abaixo, podemos ver uma série de transistores com seus respectivos terminais. Esta “tabela” deve ser utilizada pelo aluno inexperiente, para identificação dos terminais e auxílio em várias montagens. Um dos transistores mais utilizados em nosso treinamento é o BC548 e BC558, cuja disposição dos terminais é mostrada (Coletor-Base-Emissor da esquerda para a direita). Também utilizaremos o BD135 ao BD140, além da codificação TIP. corrente entre coletor-emissor, pois estes canais tem dimensões consideráveis. Base Coletor Emissor NPN Base Coletor Emissor PNP figura 5 tipos de invólucroe a disposição de componentes disposição dos terminais nos transistores mais populares 105 APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 106 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C Polarização de transistores – testes práticos 1 - Solde um dos resistores de 1k no coletor do transistor (terminal externo) deixando a outra ponta do resistor livre. 3 - Deixe a base do transistor sem nenhuma ligação (em aberto). 6 - coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 5 - Ligue o potencial negativo da fonte (garra preta) no resistor de 1k que está ligado ao coletor do transistor. 7 - Meça as tensões de emissor com a ponta vermelha e depois a de coletor, também com a ponta vermelha. Medição 2 1 transistor BC558 ou BC557 ou BC556 (PNP) Antes de entrar no estudo mais técnico sobre as polarizações de um transistor, vamos fazer abaixo alguns testes práticos muito simples e para isso necessitaremos dos seguinte componentes: 2 resistores de 1 k 1/8 W 1 transistor BC548 ou BC547 ou BC546 (NPN) POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR PNP (BC558) 1 resistorde100k 1/8W 1 fonte de alimentação de 12V Medição 1 2 - Solde o outro resistor de 1 k no emissor do transistor (terminal externo) deixando a outra ponta do resistor livre. 4 - Ligue o potencial positivo da fonte (garra vermelha) no resistor de 1 k que está ligado ao emissor do transistor. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, no emissor será medido 12V e no coletor 0V. Interpretação: podemos dizer que a resistência entre emissor e coletor é muito mais alta (infinitamente) do que os resistores que estão no emissor e coletor. Assim, podemos dizer que temos uma chave aberta entre os dois terminais do transistor. 1 - Mantenha todas as ligações que foram feitas em "Medição 1" 3 - Ligue o outro extremo do resistor de 100k no potencial negativo da fonte. 4 - coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 5 - Meça as tensões de emissor com a ponta vermelha e depois a de coletor, também com a ponta vermelha. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, no emissor será medido 6V e no coletor também 6V. Interpretação: podemos dizer que a resistência entre emissor e coletor ficou muito menor do que os valores dos resistores de emissor e coletor. Assim, podemos dizer que temos uma chave fechada entre os dois terminais do transistor, criando circulação de corrente pelos resistores e consequentemente queda de tensões de 6V em cada um deles. 2 - Desligue a fonte de alimentação e solde na base do transistor (terminal que estava em aberto) o resistor de 100k. Medição 3 1 - Mantenha todas as ligações que foram feitas em "Medição 2" 2 - coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua 107ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 5 – Durante a aplicação do curto observe a tensão que aparece no coletor do transistor. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, durante o curto base- emissor do transistor, a tensão de coletor cairá até 0V. 4 – Aplique um curto entre base e emissor (de forma momentânea) que pode ser feito com um pedaço de fio ou chave de fenda. Interpretação: podemos dizer que durante a aplicação do curto entre emissor e base, a resistência entre emissor e coletor ficou muito alta, devido a retirada da corrente que circulava anteriormente por base e emissor. 3 - Coloque e mantenha a ponta vermelha do multímetro no coletor do transistor, que deverá medir os mesmos 6V anteriores. Atenção: caso as tensões indicadas não tenham sido obtidas, verifique se o transistor é realmente PNP e se os terminais coletor e emissor foram ligados aos potenciais corretos (coletor via resistor para o negativo e emissor via resistor para o positivo). POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN (BC548) Medição 2 1 - Solde um dos resistores de 1k no coletor do transistor (terminal externo) deixando a outra ponta do resistor livre. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, no coletor será medido 12V e no emissor 0V. MEDIÇÃO 3: O TRANSISTOR COMPORTOU-SE INICIALMENTE COMO UMA CHAVE FECHADA E APÓS O CURTO BASE-EMISSOR COMO UMA CHAVE ABERTA (SATURADO E APÓS CORTADO) 1 – Mantenha todas as ligações que foram feitas em “Medição 1” Interpretação: podemos dizer que a resistência entre coletor e emissor é muito mais alta (infinitamente) do que os resistores que estão no coletor e emissor. Assim, podemos dizer que temos uma chave aberta entre os dois terminais do transistor. 3 – Deixe a base do transistor sem nenhuma ligação (em aberto). CONCLUSÕES PRÁTICAS: 2 - Solde o outro resistor de 1k no emissor do transistor (terminal externo) deixando a outra ponta do resistor livre. MEDIÇÃO 2: O TRANSISTOR COMPORTOU-SE COMO UMA CHAVE FECHADA (SATURADO) MEDIÇÃO 1: O TRANSISTOR COMPORTOU-SE COMO UMA CHAVE ABERTA (CORTADO) 4 – Ligue o potencial positivo da fonte (garra vermelha) no resistor de 1k que está ligado ao coletor do transistor. Medição 1 6 – Coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 5 – Ligue o potencial negativo da fonte (garra preta) no resistor de 1k que está ligado ao emissor do transistor. 7 – Meça as tensões de coletor com a ponta vermelha e depois a de emissor, também com a ponta vermelha. 2 - Desligue a fonte de alimentação e solde na base do transistor (terminal que estava em aberto) o APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 108 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C resistor de 100k. 3 - Ligue o outro extremo do resistor de 100k no potencial positivo da fonte. 4 – coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 5 – Meça as tensões de coletor com a ponta vermelha e depois a de emissor, também com a ponta vermelha. 3 - Coloque e mantenha a ponta vermelha do multímetro no coletor do transistor, que deverá medir os mesmos 6V anteriores. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, no coletor será medido 6V e no emissor também 6V. Medição 3 4 – Aplique um curto entre base e emissor (de forma momentânea) que pode ser feito com um pedaço de fio ou chave de fenda. MED IÇ Ã O 2 : O TR A N SISTOR COMPORTOU-SE COMO UMA CHAVE FECHADA (SATURADO) Atenção: caso as tensões indicadas não tenham sido obtidas, verifique se o transistor é realmente NPN e se os terminais coletor e emissor foram ligados aos potenciais corretos (coletor via resistor para o positivo e emissor via resistor para o negativo). 1 – Mantenha todas as ligações que foram feitas em “Medição 2” 2 – coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. Interpretação: podemos dizer que a resistência entre coletor e emissor ficou muito menor do que os valores dos resistores de emissor e coletor. Assim, podemos dizer que temos uma chave fechada entre os dois terminais do transistor, criando circulação de corrente pelos resistores e consequentemente queda de tensões de 6V em cada um deles. Interpretação: podemos dizer que durante a aplicação do curto entre emissor e base, a resistência entre coletor e emissor ficou muito alta, devido a ret i rada da corrente que circulava anteriormente por base e emissor. MED IÇ Ã O 1 : O TR A N SISTOR COMPORTOU-SE COMO UMA CHAVE ABERTA (CORTADO) MED IÇ Ã O 1 : O TR A NSISTOR COMPORTOU-SE INICIALMENTE COMO UMA CHAVE FECHADA E APÓS O CURTO BASE-EMISSOR COMO UMA CHAVE ABERTA (SATURADO E APÓS CORTADO) CONCLUSÕES PRÁTICAS: Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, durante o curto base- emissor do transistor, a tensão de coletor deverá subir para 12V. 5 – Durante a aplicação do curto observe a tensão que aparece no coletor do transistor. 109ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Polarização de um transistor – visão básica e teórica +12V +11,4V ?Polarização Reversa Polarização Direta +12V +12V +0,6V ?Polarização Reversa Polarização Direta +12V A B +12V 6,3V 0,6V 10kW 57mA Corrente de coletor-emissor A corrente de base será multiplicada por 50, resultando na corrente de coletor-emissor Obs: O resultado da corrente do coletor-emissor dependerá da máxima corrente que este terá, limitada pelo resistor de 100W. Hfe (ganho) = 50 Corrente base-emissor 1,14mA 100W5,7V figura 6 figura 7 figura 8 Podemos afirmar, que esta é a principal característica dos transistores de pequeno porte ou "sinal". O ganho ou Hfe é a relação que dependerá do tipo do transistor (características de fabricação). No mercado, temos inúmeros tipos de transistores com inúmeros valores de ganho. Como exemplo, na figura 8 temos um transistor com valor de ganho igual a 50. Para saber o resultado da corrente de coletor- emissor, teremos que multiplicar a corrente de base-emissor pelo ganho, que no caso é de 50. A corrente de base-emissor é de 1,14mA, multiplicando esta corrente por 50 teremos 57mA como resultado da corrente de coletor- emissor. Esta também será a corrente no resistor de 100 ohms que terá uma queda de 5,7V, gerando uma tensão de 6,3V no coletor do transistor. A polarização para o transistor NPN pode ser vista na figura 7, onde na base encontramos 0,6V (tensão acima do emissor). No coletor, a tensão dependerá de algumas variáveis, as quais veremos mais adiante. A tensão de coletor dependerá do nível de polarização ou a resistividade que assumirá a junção coletor-emissor (condutividade). Este nível, depende fundamentalmente da corrente entre base-emissor. Além disto, o valor do resistor de coletor também influência nesta tensão. Na figura 6, temos um transistor PNP sendo polarizado. No emissor do mesmo, temos +12V. Pelo resistor de base circula a corrente que polarizará a junção emissor-base. Com isto, teremos uma tensão de +11,4V na base, que em relação ao emissor é uma tensão mais baixa que do emissor. O coletor está ligado ao negativo da fonte, via resistor de coletor, correspondendo as condições de polarização comentadas na análise de funcionamento do transistor. Ganho (Hfe) De uma forma resumida, podemos dizer que a polarização de um transistor consiste em se aplicar uma polarização direta na junção base- emissor e reversa entre coletor/base. A tensão necessária para circular corrente entre a junção base-emissor será pouco maior de 0,55V até cerca de 0,7V (como no díodos). Para facilitar a análise geral utilizaremos como regra a tensão de 0,6V. temos entre a corrente base-emissor com a corrente coletor-emissor e é representado pela letra grega b (beta). Resumidamente, podemos dizer que a corrente de coletor-emissor do transistor será a multiplicação da corrente na junção base-emissor, como mostra a relação entre corrente de base e coletor: O valor de ganho ou valor de multiplicação Obs: o resultado da corrente de coletor-emissor terá sempre um valor máximo que será limitado pelo resistor de coletor e a tensão da fonte. A partir deste valor, o transistor estará saturado e mesmo que aumentemos a corrente de base- emissor, não teremos mudança na corrente de coletor-emissor, apesar da resistência de coletor-emissor diminuir. Quando cortado, o transistor não permite nenhuma circulação de corrente por ele ou entre emissor e coletor. Nesse estado não e x i s t e c o r r e n t e b a s e - e m i s s o r e consequentemente também não existirá corrente coletor-emissor. Para não existir corrente base-emissor, a tensão sobre a junção deverá ser menor que 0,6V; na figura 9 temos um exemplo de um transistor cortado, cuja tensão de base-emissor é de O volt e com isso a junção base-emissor será como uma chave aberta, não provocando queda de tensão sobre Re, como mostra a figura 9. Em média polarização o transistor pode assumir diversos valores na tensão de coletor- emissor, dependendo claro, da intensidade da corrente entre base-emissor. Mas em média polarização, nunca chegará a cortar (chave aberta) ou saturar (chave fechada). No exemplo da figura 11, temos 7V no coletor do transistor, possuindo entre coletor-emissor uma resistência aproximada de 1k4, pois recebe uma queda de tensão proporcional a resistência de coletor. Transistor saturado Transistor Cortado Como o próprio nome sugere, o transistor saturado apresenta corrente entre coletor e emissor e mais que isso, a mesma tensão entre coletor e emissor, exatamente como uma chave fechada. Na figura 10, temos a configuração de um transistor saturado. A corrente entre base-emissor será tal que deixará a resistência entre coletor emissor muito baixa. No exemplo, a resistência de coletor ainda é de 1kohm, mas a resistência entre coletor-emissor é de 1 ohm. Fazendo-se o dimensionamento da tensão no coletor do transistor, chegaremos a praticamente zero volt. Portanto, podemos comparar o transistor a uma chave fechada quando este está saturado. Transistor em média condução Nos exemplos anteriores, tínhamos o transistor sem corrente circulante entre coletor e emissor (cortado) e ao contrário com corrente circulante e sem tensão entre coletor e emissor (saturado). Podemos então resumir que um transistor corretamente polarizado, poderá ser dividido em duas malhas, sendo a primeira formada pelos resistores de polarização e a junção base-emissor, e a segunda pela malha do circuito de coletor e emissor e resistores de carga, como mostra a figura 12. Nesta figura 12a, temos um transistor sendo polarizado pela base através de um divisor resistivo formado por RI e R2. Com isto, irá circular uma corrente Ibe pela junção base-emissor do transistor e depois passando por Re e finalmente terminando na "massa". Como a junção base- APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 110 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V +12V A AB +12V +12V0V Rb Rc 1kW Rc 1kW C E +12V +12V A A B ou +12V 0V 0V 0,6V Rb Rc Rc 1kW R c/e = 1W C Em relação a resistência de 1ka resistência coletor -emissor será praticamente, uma chave fechada. W, Alta corrente entre base-emissor E Saturado +12V +12V A A B ou +12V 7V 7V 0,6V Rb Rc Rc 1kW R = 1k4W 1k4W C A resistência de 1k de coleto-emissor, faz com que tenhamos 7V no coletor do transístor. W Resistência média Média corrente entre base-emissor E figura 9 figura 10 figura 11 Nos circuitos mostrados na próxima aula, temos os transistores operando em corte ou saturação. O circuito acionará um relê acionado quando a luminosidade sobre um LDR for baixa (pouca luminosidade sobre o LDR). Nesta condição, teremos a saturação chaves fechadas de todos os transistores, acionando o relê e acendendo a lâmpada; quando o LDR receber iluminação todos os transistores ficarão cortados desatracando o relê e mantendo a lâmpada apagada. Este circuito será visto em detalhes na próxima aula. Aplicações do transistor São inúmeras as aplicações do transistor. Porém, podemos defini-lo trabalhando de três formas diferentes que é a saturação, corte e média condução. Nos circuitos de comando e chaveamento o transistor trabalharáem corte e saturação, em tensão contínua e baixa e alta frequência. Já para amplificadores e circuitos osciladores em geral, trabalhará em variações de média condução. emissor do transistor é um semicondutor igual ao diodo comum, essa junção se comportará para esse circuito como se fosse realmente um diodo, mantendo entre base e emissor uma queda de tensão de 0,6V. Para efeito de análise de circuito ou dimensionamento dos seus componentes, podemos substituir esse circuito parcial do transistor realmente por um circuito com um diodo representando a junção base-emissor do transistor, como mostra a figura 12b. Para efeito de análise, podemos ver que esse circuito não tem nenhuma relação com o circuito formado pelo coletor do transistor. Agora, o segundo circuito será um circuito "série" formado pelo resistor de coletor (Rc) pela junção coletor-emissor (Rt) e por fim o resistor de emissor (Re), como podemos ver na figuras. Na figura 13a, temos o mesmo circuito da figura 12a, onde mostramos um transistor polarizado com uma corrente Ibe circulante pela junção base-emissor do transistor, mantendo o mesmo em meia condução e gerando uma corrente circulante Ice pela junção coletor-emissor do mesmo transistor. Como a corrente Ice do coletor dependerá apenas da corrente Ibe circulante pela base, podemos concluir que o transistor irá funcionar como um resistor variável (Rt), cujo valor de resistência dependerá da corrente base- emissor. Então, para efeito de análise podemos transformar o circuito formado pela junção coletor-emissor em um circuito "série", como mostra a figura 13b. Comparando o circuito da figura 12b com a figura 13b, podemos ver que o resistor Re está presente nos 2 circuitos, indicando que um circuito depende do outro, e isso realmente é verdade, quando a corrente Ice for muito alta a queda de tensão sobre Re será maior e com isso a tensão do emissor (E) também aumentará, diminuindo a corrente Ibe, ou pelo menos a mantendo constante. Mas para efeito de análise geral o circuito da figura 13b pode ser considerado como um circuito série, apesar de existir também uma corrente Ibe passando pelo resistor Re, tendendo a aumentar a tensão sobre ele, mas como essa corrente é muitas vezes menor (valor dado pelo ganho do transistor), praticamente será desconsiderada na análise. 111ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V+12V R1 Re Rc R2 Ice Ibe +12V R1 Re R2 Ibe B B E E 0,6V C +12V+12V R1 Re Rc R2 Ice Ibe B E C +12V Rt Re Rc Ice E C figura 12a figura 12b figura 13a figura 13b APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 112 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C http://www.agostinhorosa.com.br/artigos/funcionamento-do-transistor.html http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/164/37/ Nas falsas redes neurais criadas anteriormente eram necessárias pelo menos sete transistores para replicar a plasticidade de curto prazo. Com o novo transistor, chamado de transistor de nanopartículas de efeito de campo de memória biológica, ou Nomfet, é necessário apenas um. “ Isso é importante porque com os transistores menores e mais adaptáveis, será mais barato e mais fácil reproduzir a escala de algumas sinapses artificiais para milhares”, disse Vuillaume. Para construir o Nomfet, Vuillaume e sua equipe colocaram nanopartículas de ouro entre dois eletrodos. As partículas, apenas cinco com 20 nanômetros de diâmetro, foram cobertas com uma camada muito fina de uma substância chamada pentaceno, que conduz eletricidade. O sincronismo dos pulsos elétricos ajuda a determinar o tamanho de um sinal químico enviado. Em alguns neurônios, estímulos repetidos rendem resultados mais fortes. Em outros, múltiplos estímulos provocam respostas mais fracas. Essas adaptações, conhecidas como “ plasticidades de curto prazo”, acontecem em milésimos de segundos. Transistores são alicerces da eletrônica. Eles permitem o controle do funcionamento corrente elétrica através de um circuito, amplificando ou mudando a corrente ligada ou desligada. Da mesma forma, a sinapse, um pequeno intervalo entre neurônios vizinhos, é um componente crucial do cérebro. O neurônio transmite um pulso elétrico pequeno ao longo de seu comprimento, provocando a liberação de substâncias químicas, chamadas neurotransmissores, na sinapse. Os neurotransmissores atravessam a abertura sináptica e desencadeiam uma resposta no neurônio vizinho. Segundo o físico Dominique Vuillaume - autor do estudo, do Instituto de Eletrônica, Microeletrônica e Nanotecnologia da França, o objetivo é construir componentes do circuito em escala nanométrica que possam ser usados em computadores inspirados no funcionamento dos neurônios. “Esses computadores seriam úteis para as tarefas para as quais os computadores tradicionais não são muito bons, especialmente para processamento de imagens e reconhecimento”, disse o cientista ao site Live Science. Sinapse dos transistores Um novo transistor projetado para imitar estruturas no cérebro humano pode abrir caminho para que os sistemas informatizados - cada vez mais eficientes - aprendam a "pensar" como seres humanos, dizem os cientistas. O equipamento é o primeiro a imitar um processo usado por células cerebrais, ou neurônios, quando as células enviam sinais para as outras. A pesquisa foi detalhada na última edição da revista Advanced Functional Materials. Nomfet Cargas positivas chamadas "buracos", que são criados pela falta de elétrons no pentaceno, transmitem a corrente através desse vale de ouro. Em cada entrada de tensão, alguns buracos estão presos temporariamente pelo ouro, e isso muda a saída elétrica do transistor. Dependendo da tensão utilizada, o Nomfet pode produzir resultados mais fortes ou mais fracos assim como os neurônios humanos submetidos a plasticidade de curto prazo. Devido a esta capacidade de adaptação, o Nomfet é mais flexível que os transistores tradicionais, dizem os investigadores. O próximo passo, disse Vuillaume, é combinar vários transistores Nomfet juntos para ver de perto como se aproximam dos reais circuitos neurais. Redação Terra Criado transistor que imita funcionamento do cérebro Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-37 à M2-40. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 113ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 11 CIRCUITOS DE COMANDO E DEFEITOS NOS TRANSISTORES Projeto de um controlador de luz automática Luz automática com quatro transistores Os defeitos internos nos transistores DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO DE LUZ AUTOMÁTICA TENSÃO DE REDE AC TENSÃO DE REDE AC TENSÃO DE REDE AC SW1 SW1 SW1 LP1 LP1 LP1 SOL SW1 +12V RELÉ 1 CONTATOS CORRENTE DE CONTATO DA CHAVE DE RELÉ = 20A /CORRENTE CIRCULANTE PELA BOBINA DO RELÉ = 1A /TENSÃO DA BOBINA DO RELÉ = 12V LP1 LÂMPADA NA +12V RELÉ 1 Q1 CONTATOS LP1 LÂMPADA CORRENTE COLETOR > 1A (2A DE PREFERÊNCIA) TENSÃO MÁX COLETOR > 12V (20V DE PREF.) b = 20 NA figura 1 figura 2 figura 3 figura 4a figura 4b Na figura 1, apresentamos um circuito muito simples, onde existe atensão da rede, uma chave (SW1) e uma lâmpada (LP1). Ligando a chave, a lâmpada deverá acender. Apesar de muito simples, queremos fazer com que a chave funcione de forma automática. Durante o dia a chave SW1, deverá estar desligada, mantendo a lâmpada apagada (figura 2). Durante a noite, a chave deverá estar ligada e a lâmpada acesa (figura 3). Para que possamos tornar esta chave (SW1) automática, poderemos utilizar um relê, que possua contatos "NA" (normalmente aberto), como mostramos na figura 4a. Notem que o acionamento do relê dependerá de uma nova chave "SW1". Na verdade esta chave "SW1" é o transistor Q1; que fará o acionamento do relê, como mostramos na figura 4b. Nada melhor do que chegar em casa ao anoitecer e haver no jardim uma luz que estará constantemente acesa no período noturno e que apagará ao amanhecer, permanecendo assim por todo o dia. Apesar de ser bem simples, este circuito será útil para a compreensão da utilização não só do transistor, mas de uma série de componentes eletroeletrônicos. Apesar do relê ser muito utilizado para acionar cargas AC (cargas trabalhando em tensão alternada) à partir de comandos DC (baixa tensão), ele apresenta um pequeno problema para o transistor, no que diz respeito ao campo Assim, ficamos com o circuito mostrado na figura 5d. Para que possamos ac ionar o t rans is to r automaticamente através d a l u z a m b i e n t e , deveremos utilizar um detector de luz, que no caso será um LDR (Light Dependent Resistor) ou resistor que depende da luz, como podemos ver pela figura 6. Com incidência de luz, esse componente terá uma resistência muito baixa, que em nosso exemplo será de 100 ohms. Na falta de luz, ele apresentará uma resistência de 820k. Colocando esse LDR em série com um resistor de 10k (figura 7a), vemos que a tensão resultante entre os dois componentes será baixa, pois a resistência do LDR será mínima (100 ohms). Já na figura 7b, podemos ver que à noite (sem iluminação) a resistência do LDR estará em torno de 820k, gerando com isso uma tensão no ponto "A" de 11.9V. De posse dessas informações, poderemos ligar o divisor resistivo com o LDR na base do transistor Q1 (figura 8), onde vemos que durante o dia, haverá uma resistência muito baixa do LDR, criando uma tensão no divisor de tensão de 0,12V. Essa tensão será a mesma da base do transistor Q1, que manterá o transistor cortado, não permitindo a polarização do relê. Na figura 9, teremos o mesmo circuito funcionando, mas agora à noite. A resistência do LDR será de 820k, o que provocará a elevação de tensão no divisor resistivo até bem próximo a 12V. Mas, como existe a junção base e emissor do eletromagnético gerado por sua bobina. Quando o re lê é energizado, cr ia-se um campo eletromagnético, concentrado em um núcleo que tem poder de atrair a haste do relê e fechar o contato interno. Enquanto estiver circulando corrente pelo relê, este campo ficará fixo, como mostra a figura 5a. Quando o transistor Q1 cortar, para desarmar o relê, haverá a criação de uma força contra-eletromotriz que fará surgir um potencial muito positivo no coletor do transistor, que neste ins tan te encont ra-se cortado, podendo destruir a junção por tensão excessiva (figura 5b). Uma das formas de eliminar e s s e p r o b l e m a , é colocando um diodo em paralelo com a bobina do relê, como mostramos na figura 5c. Esse diodo conduzirá nos picos de tensão positiva, permitindo que a tensão deste ponto eleve-se somente 0,6V acima da tensão de alimentação. APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 114 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V+12V+12V +12V D1 D1 Q1Q1 Q1 RL 1 Q1 CONTATOS LP1 LÂMPADA NA 0V LDR LIGHT DEPEND RESISTOR RESISTÊNCIA MÍNIMA = 100W MÁXIMA = 820kW +12V 10kW 11,9V RESISTÊNCIA MÁXIMA DE 820kW A +12V 10kW 0,12V RESISTÊNCIA MÍNIMA DE 100W A +12V+12V R1 10kW LDR 1 D1 RL 1 Q1 CONTATOS LÂMPADA OFFNA 0,12V +12V+12V R1 10kW IR1 = 0,001A VR1 = 11,4V LDR 1 D1 RL 1 Q1 Ib = 0,001A b = 20 LÂMPADA ON 0,6V figura 5a figura 5b figura 5c figura 5d figura 6 figura 7a figura 7b figura 8 figura 9 Av a l i a n d o a g o r a a condição de trabalho com o corte de Q2, a base do transistor f icará em aberto, ou seja, não haverá polarização para ela. Isso poderá ser prejudicial, pois ruídos ou interferências eletromagnéticas de alta frequência, poderão ser captadas e amplificadas pelo transistor, criando interferências no próprio equipamento e em outros. transistor ligada ao divisor, a tensão máxima da malha será de 0,6V. Poderemos calcular a corrente circulante entre base e emissor, baseados na queda de tensão sobre R1, como mostra a figura 9. Assim, teremos uma corrente máxima de base de 0,001 A. Como o ganho do transistor é somente 20, teremos como corrente máxima entre coletor e emissor 0,02A, que será insuficiente para acionar o relê, que possui uma resistência interna de bobina de 12 ohms. Com a corrente de 0,02A circulando pelo coletor, conseguiríamos uma queda de tensão máxima sobre o relê de 0,24V (figura 10a e 10b). Cria-se a necessidade de haver uma amplificação prévia de corrente para excitação de Q1, que deverá ser feita pelo transistor Q2, como mostramos na figura 11a. Assim, a corrente gerada pelo transistor será utilizada para a saturação de Q1 . Apesar disso, podemos ver que existe um problema grave nesse circuito, pois caso o transistor Q2 sature, haverá uma corrente excessiva para a base de , Q1, como mostra a figura 11 b, podendo destruí-la. Devemos colocar um resistor série no caminho desta corrente, que impedirá a corrente excessiva, como mostra a figura 11 c. Mas qual seria o valor do resistor? Como precisamos de 1A de corrente de coletor de Q 1 e o g a n h o d o t ransistor é de 20, d e v e r í a m o s t e r circulando pela base- emissor uma corrente de 0,05A. Como existe uma série de tolerâncias de valores de componentes envolvidas, como ganho do transistor (que não é exato) e variação nos valores de resistores, precisaremos calcular o valor dessa corrente com aproximadamente 50% a mais, o que resulta em 0,075A (f igura 11d). Devemos calcular o circuito considerando o transistor Q2 saturado, o que colocará sua tensão de coletor em 12V, que será a mesma tensão a p l i c a d a d o l a d o esquerdo do resistor de limitação de corrente de base. Como do lado direito desse resistor temos 0,6V, fixada pela junção base-emissor, teremos uma queda de tensão de 11,4V sobre o resistor, definindo assim seu valor (VR1 / Ib), que será de 150 ohms (figura 11 e). 115ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V RL 1 Q1 Ib = 0,001A IC = 0,02A RL = 12W IC = Ib x b IC = 0,001 x 20 IC = 0,02A +12V RL 1 VRL = 0,24V 11,8V IC = 0,02A RL = 12W +12V+12V D1 RL 1 Q2 Q1 +12V+12V Ib MUITO ALTA D1 RL 1 Q1 +12V+12V D1 R1 = ? RESISTÊNCIA PARA LIMITAR A CORRENTE DE BASE - EMISSOR DE Q1 RL 1 Q1 +12V+12V Q2 Ib = IC Ib = 1A = 0,05 + 50% 0,075A 20 b D1 R1 Ib = 0,075A b = 20 RL 1 Q1 1A +12V Q2 R1 11,4V Ib = 0,075A R1 = VR1 R1 = 11,4V = 150W R1 = 150W (Valor comercial) IR1 ou Ib 0,075A Q1 0,6V12V +12V+12V Q2 RL 1 R2 ? R1 150W +12V Q2 R1 150W figura 10a figura 10b figura 11a figura 11b figura 11c figura 11d figura 11e figura 12a figura 12b Deste modo, deveremos abaixar a impedância de entrada do transistor, colocando um resistor à massa que garantirá um "curto-circuito" entre base e emissor, evitando a entrada de interferências das mais diversas (figura 12b). Muitos técnicos, podem pensar comoo transistor poderia conduzir com uma interferência, se a resistência interna da bobina do relê é de apenas 12 ohms? Podemos dizer que a interferência de alta frequência, tornará a reatância indutiva altíssima necessitando de pouca corrente para excitar o transistor (veja figura 12a). Apesar do valor de R2 ser desconhecido, deverão ser considerados os locais onde o equipamento irá trabalhar e a incidência de ruídos de motores ou da rede elétrica, que poderiam provocar problemas. Resistores entre 1k e 47k, são valores ideais para utilizar-se para essa finalidade. Como a corrente circulante pela m a l h a é a l t a , resolvemos utilizar o valor mais baixo, que é de 1k. Assim, fica definido que na saturação do transistor Q2, haverá uma corrente circulante de 0,012Apelo resistor R2 e 0,075A pelo resistor R1. A soma dessas duas correntes, definirá a corrente circulante por Q2 que será de 0,087A (figura 12c). Apesar desse cálculo, deveremos dimensionar com para a saturação do transístor Q2. Como sabemos Na figura 15, vemos o LDR com incidência de luz, produzindo uma tensão de base de 11,9V (0,1 V a menos que no emissor), mantendo-o como uma chave aberta. Já na figura 16, vemos as condições de polarização para a noite, onde podemos ver que a queda de tensão de 11,4V sobre o resistor R3, produziria uma corrente de 0,00114A, insuficiente para a saturação do transistor, que necessitaria de uma corrente mínima de coletor de 0,15A. Considerando que o ganho é de 50, deveríamos ter na base uma corrente de 0,003A. 50% ou mais de corrente, para que determinadas tolerâncias para menos, não venham a influenciar o p e r f e i t o func ionamento do circuito. Faz-se necessário, mais um estágio de amplificação de corrente, com a introdução do transistor Q3 no circuito, como mostramos na figura 17a. Quando esse novo transistor estiver saturado, haverá uma forte corrente circulante entre emissor e base de Q2, podendo levar a junção à queima (figura 17b). Na figura 12d, temos a d iag ramação das correntes circulantes por cada ramo do circuito. A polarização de Q2, deverá vir agora do L D R , q u e s e r á colocado na base, como mostra a figura 13. Durante o dia, haverá luz incidente nesse componente, que diminuirá sua resistência interna, polarizando o transistor Q2 e consequentemente Q1, acionando o relê e a lâmpada, ou seja, o acionamento será feito de forma invertida. A figura 14, fornece uma excitação correta, pois durante o dia, haverá uma baixa resistência do LDR, mantendo em corte Q2 e Q1. Durante a noite, teremos uma alta resistência em LDR1 e consequentemente Q2 será polarizado, o mesmo ocorrendo com Q1, acendendo a lâmpada. Assim, faz-se necessário colocar um resistor de limitação de corrente, como vimos anteriormente (figura 17c). O cálculo desse resistor estará baseado na corrente de base máxima necessária APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 116 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V Q2 R2 1kW VR2 12V R1 150W Ib = 0,075A IR2 = 0,012A Q2 IC = Ib (IR1) + IR2 IC = 0,075A + 0,012A IC = 0,087A ICmin = 0,15A (50% ou mais) 12V +12V+12V Q2 Ib = 0,075A IR2 = 0,012A RL 1 Q1 IC = 1A R2 1kW R1 150W IC = 0,087A (ICmáx = 0,15A) +12V +12V Q2 Q1 R3 10kW LDR 1 R1 +12V +12V Q2 Q1R3 10kW LDR 1 R1 +12V +12V Q2 R3 10kW LDR 1 Resistor mínimo 100W 12V 11,9V figura 12c figura 12d figura 13 figura 14 figura 15 Assim, temos na figura 20, a diagramação completa do circuito, desde o LDR até o relê e a lâmpada. Na figura 18, podemos ver a diagramação quase completa do circuito acionador do RL1, onde Q3 foi introduzido. Notem que nessa figura, introduzimos também o resistor R4, que terá a mesma função de R2, ou seja, evitar entrada de ruídos e interferências. Nesse, colocamos um valor de 10k. Na figura 19, podemos definir a corrente máxima que irá circular por Q3, onde teremos 0,003A proveniente da junção emissor-base de Q2 e 0,0012A do resistor R4, gerando 0,0042A de corrente circulante por Q3. que na saturação de Q3, haverá uma tensão de coletor de OV e que a tensão de base de Q2 será de 11,4V, haverá uma queda de tensão de 11,4V sobre R3. Assim, o valor desse resistor será de 3,8k, como mostramos na figura 17d. Para uma melhor análise de funcionamento, temos na figura 21, o funcionamento do circuito durante o dia, onde podemos ver que a tensão sobre o LDR será muito baixa, não polarizando o transistor Q3, que permanece como uma chave aberta. Com isso, teremos em seu coletor uma tensão de 12V que não polarizará o transistor Q2, ficando no coletor deste, uma tensão de zero volt. Por fim, na base de Q1, haverá uma tensão de OV, que manterá o transistor Q1 cortado, não havendo corrente circulante pelo relê, mantendo a lâmpada 117ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V +12V R3 10kW Ib = 0,00114A11,4V LDR 1 Imin = 0,15A A CORRENTE MÍNIMA DE EMISSOR PARA A SATURA- ÇÃO SERIA 0,003A b = 50 11,4V +12V+12V+12V R4 10kW R3 3,9kW RL 1 Q2 Q3 R1 150W Q1 R2 1kW 11,4V +12V+12V 12V Q3 IR2 = 0,0012A IC máx = 0,0042A R4 10kW R3 0V 11,4V 0,003A Q2 +12V+12V+12V R4 10kW Q3 R3 3,9kW IC = 0,0042A Q2 IC = 0,087A R1 150W Q1 IC = 1A R2 1kW D1 RL 1 +12V R5 10kW LDR 1 +12V Q3 Q2 +12V Q2 R3 VAI LIMITAR A CORRENTE Q3 +12V Q2 Q3 Ib muito alta +12V IR3 OU Ib = 0,003A Q2 R3 Q3 R3 = 11,4V R3 = 3.800W 0,003A 0V 11,4V figura 16 figura 17a figura 17b figura 17d figura 17c figura 18 figura 19 figura 20 Para evitar incidência de ruídos nessa malha, bem como retardar levemente o acionamento ou desarme do circuito, deveremos introduzir também um capacitor eletrolítico (C1) em paralelo com o LDR. Para evitar amplificações ou oscilações de alta frequência, colocamos também um capacitor cerâmico ou de poliéster (C2) entre coletor e base do transistor Q3, como podemos ver na figura 24. apagada. Ficamos agora na figura 25, com a diagramação final do circuito automático de luz. Caso o aluno queira fazer verificações de funcionamento de modo prático, poderá montar o circuito proposto, baseando-se nos transistores indicados no canto direito da figura. Já na figura 22, podemos ver o circuito funcionando no período noturno, onde a não incidência de luz sobre o LDR, resultará em uma polarização para o transistor Q3 que polarizado, ficará com sua tensão de coletor em zero volt. Isso drenará uma corrente por R4 e R3 e consequentemente base e emissor de Q2, que comportar-se-á como uma chave fechada, elevando o potencial de seu coletor para 12V. Finalmente , haverá polarização para o transistor Q1 que saturando (chave fechada), fará circular uma corrente pelo relê, permitindo assim, o fechamento de seus contatos e acendimento da lâmpada. Um outro problema que o c i r cu i t o pode rá apresentar será quando entardecer, ou em dias muito nublados, onde a luminosidade ambiente cairá, aumentando a resistência do LDR. Como bastará uma tensão de 0,6V para iniciar a polarização de Q3, podemos dizer que ao aumentar a resistência do LDR (para 500 ohms aproximadamente), já haverá o início de polarização do transistor. Para evitar isso, faremos um retardo na atuação do LDR e a base, como mostramos na figura 23. O objetivo é permitir que o transistor seja polarizado somente quando a tensão de zener atingir o potencial de 6,6V, que representaria uma resistência do LDR de aproximadamente 10k, evitando então que o céu n u b l a d o o u i n í c i o d o entardecer, pudesse provocar o acendimento da lâmpada. APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 118 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIAINDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V +12V +12V +12V +12V +12V R4 10kW R4 10kW Q3 Q3 CHAVE ABERTA R3 3,9kW R3 3,9kW Q2 Q2 CHAVE ABERTA R1 150W R1 150W Q1 CHAVE FECHADA CHAVE FECHADA CHAVE FECHADA Q1 CHAVE ABERTA R2 1kW R2 1kW D1 D1 RL 1 RL 1 +12V +12V R5 10kW R5 10kW LDR 1 Ib LDR 1 12V 0V 0V 12V 12V 0V 0,1V 0,6V 12V 11,4V 0V 0,6V +12V R4 10kW R6 10kW Q3 +12V R5 10kW TENSÃO > 6,6V A LÂMPADA ACENDERÁ LDR 1 ZD1 6V +12V R4 10kW R6 10kW Q3 +12V R5 10kW LDR 1C1 C2 ZD1 6V +12V+12V+12V R4 10kW Q3 R3 3,9kW Q2 R1 150W Q1 R2 1kW D1 RL 1 LP1 REDE RELÉ OPCIONAL BOB. 12V 100mA Q1 = TIP 31 Q2 = BC 328 Q3 = BC 548A +12V R5 10kW R6 10kW LDR 1 ZD1 6V C2 C1 figura 21 figura 22 figura 23 figura 24 figura 25 119ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Para fazê-la, utilize-se do esquema da página amarela, colando o esquema em um papelão mais duro, que dará melhor sustentação à montagem. Após, fazer as furações para que os terminais dos componentes possam passar para o lado de trás onde serão soldados uns aos outros. Funcionamento básico Assim, também não haverá polarização para a base de Q3, ficando sua base e emissor com zero volt. Este transistor também, ficará cortado (chave aberta) e seu coletor estará com 12V, que será levada à base de Q4. Para que o aluno possa realmente aplicar os conhecimentos adquiridos anteriormente, faz-se necessária a montagem mostrada abaixo, que é um detector de luz automática parecido com o circuito analisado anteriormente, mas que possui um transistor a mais. Essa montagem é obrigatória e será exigida na avaliação final de módulo 2. Após feita a montagem, o aluno poderá medir as tensões indicadas para os dois modos de funcionamento: sem luz ou com luz sobre o LDR1. Estas tensões medidas deverão ser anotadas nos círculos abaixo e servirão para a análise que será feita a seguir: Quando incide luz sobre o LDR, podemos dizer que o circuito deverá ter sua lâmpada (acionada pelo relé) apagada. Para isso, a resistência do LDR será baixa, elevando a tensão entre o LDR1 e o resistor R1. Esta tensão deverá estar próxima a 12V (entre 11,6V e 12V). Com isso, haverá a mesma tensão na base de Q1. Como seu emissor está ligado ao potencial de 12V via R3, este deverá estar cortado (alta resistência entre coletor e emissor) e com isso sua tensão de emissor será de 12V. Como a tensão de base também está alta (devido a baixa resistência do LDR), haverá o corte do transistor e seu coletor estará com zero volt. Desta forma, não haverá polarização para a base de Q2, pois a base e emissor, ficarão com zero volt, levando o coletor e emissor a comportar-se como chave aberta (tensão de coletor com 12V). Com o emissor de Q4 ligado ao potencial de 12V e a tensão de base deste também recebendo 12V, não haverá corrente circulante pela junção e com isso, esse transistor também ficará cortado (chave aberta), ficando em seu coletor a tensão de zero volt. Assim, não teremos tensão sobre o relé1, que ficará desenergizado, permanecendo seu contato na posição NF (normalmente fechado), não permitindo que a tensão da rede vá para a lâmpada, mantendo- a apagada. Quando não incide luz sobre o LDR, podemos dizer que o circuito deverá ter sua lâmpada (acionada pelo relé) acesa. Para isso, a resistência do LDR será alta, abaixando a tensão entre o LDR1 e o resistor R1. Esta tensão deverá estar entre 1V e 4V. Com isso, haverá a mesma tensão na base de Q1 (pouca coisa mais positiva). Como o emissor do transistor está ligado ao potencial positivo via R3, deverá estar circulando corrente por este e a tensão do emissor deverá estar entre 1,3V a 4,3V (baixíssima resistência entre coletor e emissor). Com a tensão de base baixa e permitindo que exista 0,6V entre emissor e base, o transistor estará saturado e sua tensão de coletor deverá ser alta, mas limitada pelos dois diodos seguintes (base e emissor de Q2 e Q3), ficando saturado, mas com tensão de coletor com cerca de 1,2V. Desta forma, haverá polarização para a base de Q2, ficando a base com cerca de 1,2V e o emissor com 0,6V. Isso produzirá a saturação desse transistor, levando a tensão de coletor para a mesma do emissor, com cerca de 0,6V (note que dependendo MONTAGEM PRÁTICA - CIRCUITO DETECTOR DE LUZ AUTOMÁTICA C3 100Fm R1 47kW R3 10kW R2 10kW R5 2,2kW R6 2,2kW R8 1kWR9 1kW R7 2,2W R4 4,7kW C1 220nF C2 1nF Q1 BC557 LDR1 Q2 BC547 Q3 BC337 Q4 BD136 +12V LP1 RELÉ1 REDE 127VAC D1 1N4148 D2 1N4148 COM LUZ LÂMPADA APAGADA APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 120 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C do ganho do transistor ele poderá não ficar saturado, mas apenas em polarização, podendo ser encontrada uma tensão de coletor entre 0,6V e 6V). Considerando agora que a tensão de base de Q3 está com 0,6V, também haverá a polarização deste transistor, sendo que a tensão de emissor não subirá, porque seu resistor de emissor é de valor baixo. Apesar disto, a tensão de coletor de Q3 cairá, aproximando-se de zero volt (chave fechada entre coletor e emissor de Q3). Com isso, cria-se as condições para a polarização do transistor Q4, caindo sua base para 11,4V e seu emissor permanecendo com 12V, mas formando a diferença de 0,6V na junção do diodo base/emissor. Logo, Q4 será levado à saturação (chave fechada) elevando sobremaneira a tensão de coletor para praticamente a tensão de fonte (próximo a 12V) Assim, teremos tensão sobre o relé1, que ficará energizado, mudando seu contato da posição NF (Normalmente Fechado) para a posição NA (Normalmente Aberto), permitindo que a tensão da rede vá para a lâmpada e a acenda. Abaixo relacionaremos os defeitos que o transistor TBJ pode apresentar. Na figura 26b, temos as mesmas configurações de circuito da figura 26a, porém, com transistor PNP. Podemos ver que neste caso a tensão de coletor do transistor PNP sobe, devido a disposição da associação série criada pela resistência de coletor/emissor e resistor de coletor. FUGA COLETOR/EMISSOR Diagnóstico: A fuga impõe ao transistor uma diminuição de resistência coletor-emissor independentemente de qualquer polarização, portanto, mesmo que não exista polarização de base/emissor do transistor, haverá uma resistência de coletor/emissor. Para diagnosticar uma fuga coletor/emissor, basta avaliar se existe uma determinada resistência entre coletor-emissor e caso exista, conferir a polarização de base (tensão mínima de 0,6V entre base e emissor). Visualizando a figura 26a, vemos um transistor NPN devidamente polarizado. No coletor a tensão normal é de 7,2V. Esta tensão depende da corrente de base/emissor e consequentemente, de coletor/emissor que apresenta uma certa resistência. Essa resistência, fica em série com o resistor de coletor, gerando conforme as proporções, uma tensão no coletor do transistor. Uma fuga entre coletor/emissor aumenta a condutividade entre coletor/emissor (diminui a resistência de coletor/emissor), sem que haja aumento respectivo na corrente de base- emissor. Com isso, a tensão no coletor cairá, como mostra o circuito da figura 26a. Quando achamos que apesar de existir a polarização de DEFEITOS NO TRANSISTOR TBJ +12V +7,2V (Tensão normal) Tensão no coletor cai devido a fuga +0,6V Fuga de coletor/emissor A +12V 4V Rb Rc Rb/e +12V +4,8V (Tensão normal) Tensão no coletor sobe devido a fuga +11,4V Fuga de coletor/emissor A +12V 7V Rb Rc Rb/e figura 26a figura 26b 121ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES= 0,2W Agora, se aumentar a frequência dessa fonte alternada, irá também aumentar o valor dessa “resistência equivalente” da nossa bobina, e caso diminua a frequência dessa fonte, iremos diminuir o valor dessa “resistência”, obtendo então praticamente um “curto” para as frequências baixas. Podemos utilizar as bobinas (indutores), como um componente eletrônico para diversas utilidades diferentes, entre elas como filtro de frequências, como estudaremos mais a frente. O aspecto físico do componente elétrico indutor (figura 9) se parece com um resistor e às vezes com um capacitor. Ele é geralmente construído a partir de um condutor enrolado em espiras sem núcleo, e depois coberto por algum material isolante tipo “plástico” ou “resina”, Portanto uma bobina de 3,3 uH ligada a uma fonte alternada de 10kHz se comporta como uma resistência de 0,2W. Suas utilidades práticas são infinitas, mas suas aplicações estão baseadas no modelo teórico dos indutores ideais, que devem ter um valor bem definido de indutância, e um valor de resistência igual a zero, ou seja, o material do condutor do qual ela é feita deve ter uma resistência elétrica igual a zero! Isto na prática é impossível, pois sabemos que todo material, condutor ou não, apresenta sempre uma resistência elétrica, e quanto mais longo for o fio condutor, que enrolado em espiras, forma a bobina, maior será sua resistência. Então, na prática, os indutores ideais que obedecem à teoria de indutância e que obedecem a equação da reatância indutiva (XL), não existem. Mas, felizmente, com algumas correções, podemos criar componentes elétricos que se assemelham muito com os indutores ideais teóricos, e poderemos assim aplicar a teoria da indutância, bem como calcular, quando necessário o valor de sua reatância indutiva (XL). alternada de 10kHz , teremos então: O COMPONENTE ELETRÔNICO Vamos primeiramente lembrar que os indutores ou bobinas são construídos geralmente por fios metálicos enrolados em espiras, e o comprimento desse fio, maior será, quanto maior for a indutância da bobina, então essa bobina não terá um resistência nula, e sim uma resistência igual a resistência do fio do qual ela é construída. Então, o primeiro modelo prático do nosso indutor será um indutor em série com uma resistência. Quando colocamos um indutor em um circuito elétrico, estamos interessados nos efeitos indutivos desse componente, mas não podemos esquecer que na prática ao introduzirmos uma bobina num circuito, junto com ela estaremos introduzindo além do indutor, um resistor e um capacitor. O valor desse resistor R, será o valor da resistência elétrica do condutor do qual é feita a bobina e seu valor dependerá do número de espiras desejada, do tipo de material usado (cobre, alumínio, etc.) e da corrente máxima que suporta a bobina (espessura do fio). Na prática, esse valor pode variar desde décimos de ohm (0,1W) até alguns milhares de ohms (1kW ou 2kW), em média o valor dessa resistência é baixo e não passa de 1 ou 2W� (pequenos indutores), e portanto, podemos praticamente desprezá-la. O valor da capacitância C paralela com o indutor, também tem um baixo valor, devido a ser formada por vários “capacitores” em série (espiras paralelas), fazendo com que o capacitor equivalente da soma desses pequenos “capacitores” em série resulte em uma capacitância muito baixa, da ordem de alguns pico-farads (de 1pf a 100pf), na prática, esse efeito pode ser desprezado na maioria dos circuitos, pois esse O segundo ponto importante, será relativo à construção da nossa bobina, pois para obtermos um indutor de campo magnético, devemos enrolar o fio em espiras paralelas, para concentrarmos o campo magnético e aumentar o valor da indutância da nossa bobina. Mas ao formarmos espiras paralelas iremos criar pequenos capacitores em série, relativos a cada par de espira, que será como 2 placas (fios) paralelas isoladas entre si pelo próprio ar (separação entre as espiras), e com isso iremos introduzir junto com nossa bobina, um capacitor “parasita” em paralelo com o indutor. Na figura 10, podemos ver um indutor L1 que seria o componente elétrico desejado; do lado direito temos um modelo teórico que representa o efeito elétrico real desse mesmo indutor. A B A B R L C L1 figura 9 figura 10 12 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 ANÁLISE DE TENSÃO EM MALHAS RLC A figura 13b ilustra bem o que falamos, onde mostramos as posições onde estavam os indutores agora como fios ou “curtos”. Assim podemos ver que R2 e R3 estão em paralelo, resultando disto em uma resistência equivalente de 1k. Forma-se um circuito série com R1 e também os resistores R2 e R3 em paralelo, resultando em uma tensão no ponto C de 5 volts. No ponto “B” haverá também 5 volts, e zero volt para o ponto D. capacitor só terá grande interferência em “sinais” (correntes ou tensões) de alta frequência (acima de 10kHz). E por fim, chegamos ao valor L de indutância que é o valor nominal de L1, que é o componente real que compramos e colocamos no circuito elétrico. Então resumidamente, podemos esquecer na maioria dos circuitos, que nossa bobina não é um indutor ideal e simplesmente considerar a bobina como um indutor, mas não esquecendo que dependendo do circuito e de suas aplicações, devemos levar em consideração o resistor e o capacitor parasita ao nosso indutor. No circuito da figura 14a, podemos ver que temos 3 resistores e também um indutor e um capacitor. Para analisar o circuito, devemos considerar o Na figura 13a, temos o resistor R1 em série com o indutor L1 e estes em paralelo com o R2 e ainda R3/L2. Como temos um circuito misto com resistores e indutores e precisamos saber a tensão da malha, consideraremos os indutores como curtos. Na figura 12, apresentamos um circuito semelhante ao anterior sendo que podemos ver o indutor colocado agora no lado superior da malha. Considerando que este também é um curto, teremos a tensão de 10 volts, medida no lado positivo da fonte, também medida no lado inferior do indutor. Vemos também aqui que o indutor continua sendo considerado como um curto. Portanto, o indutor colocado em um circuito de corrente contínua, apesar de apresentar inicialmente uma alta resistência quando circula corrente por ele, após um tempo, apresentar-se-á com um curto, ou seja, baixa resistência à passagem da corrente como mostra o circuito da figura 11. Como vemos, temos uma tensão de alimentação de 10 volts sendo aplicada ao resistor de 10k que está em série com indutor ou bobina. Como a resistência desse indutor é de cerca de zero ohm e o resistor de 10k, toda a tensão da fonte cairá sobre o resistor, sendo que a queda de tensão sobre o indutor será de 0 volt. Mostramos ainda na figura 11, que o indutor apresenta-se como um curto, apresentado na figura 12. Assim a tensão medida no lado superior do indutor será a mesma do ponto negativo de referência da bateria. INDUTOR EM CORRENTE CONTÍNUA Quando colocamos uma bobina em um circuito de corrente contínua (corrente constante), uma fato interessante ocorre, como o circuito tem uma corrente constante, o indutor, após alguns milésimos de segundos irá criar um pequeno campo magnético ao seu redor, e o valor da corrente circulante por ele passará a ser constante e com isso sua reatância indutiva será zero (frequência = 0, portanto XL = 0W). Como a reatância indutiva da bobina será zero o indutor se comportará com um “curto”, restando do nosso modelo teórico apenas o capacitor e o resistor (figura 10). Vamos lembrar da matéria estudada no final da apostila de módulo 1, onde pudemos ver que o capacitor em circuitos de corrente contínua se comporta como uma chave aberta, e com isto não irá interagir com os outros componentes do circuito e nem permitiráDE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 +12V +7,2V (Tensão normal) Tensão no coletor cai devido a fuga +0,6V Fuga de coletor/base A +12V 4V Rb Rc Rb/e +12V +4,8V (Tensão normal) Tensão no coletor sobe devido a fuga +11,4V Fuga de coletor/base A +12V 7V Rb/e Rc Rb +12V +7,2V (Tensão normal) Tensão no coletor sobe devido a fuga +0,6V Fuga de base/emissor A +12V 10V Rb Rc Rb/e +12V +4,8V (Tensão normal) Tensão no coletor cai devido a fuga +11,4V Fuga de base/emissor A +12V 2V Rb/e Rc Rb figura 27a figura 27b figura 28a figura 28b Na figura 27b, temos uma configuração PNP que ao apresentar fuga entre coletor e base, também aumenta a corrente entre emissor e base, permitindo maior polarização para a junção emissor/coletor, aumentando a tensão de coletor do transistor. Diminui a concentração de lacunas na junção base/emissor, prejudicando a polarização de coletor/emissor, ou seja, uma fuga de base/emissor fará o transistor diminuir a corrente entre coletor/emissor. Veja na figura 28a, a fuga BE do transistor NPN e na figura 28b a fuga BE de um transistor PNP. Diagnóstico: A queda de tensão normal na junção base/emissor é de uma média de 0,6V; com a fuga na junção, a queda será menor. Para diagnosticar tal defeito, primeiramente, verifica-se a queda na junção. Caso a queda seja menor e a resistividade de coletor/emissor esteja maior, constata-se que o transistor está com fuga base/emissor. Como foi mostrado anteriormente, a junção base/coletor está reversamente polarizada e não circulará corrente por esta junção. Mas, uma fuga nesta junção, faz com que circule corrente de coletor para a base, aumentando a corrente entre base/emissor, e consequentemente, aumentando a corrente de coletor/emissor do transistor, fazendo a tensão do coletor cair (figura 27a). FUGA BASE/EMISSOR 0,6V entre base e emissor do transistor, a polarização para coletor e emissor está maior que a normal (menor resistência) poderemos aplicar um curto entre base e emissor deste transistor, para constatar a partir disto, se existirá o corte completo (chave aberta) do transistor. Obs: Lembramos que o aumento na polarização de coletor/emissor pode ter vários motivos, entre eles a fuga coletor/emissor já mencionada, mas também a fuga coletor/base que será explicada na sequência. Resumo: A fuga coletor/emissor impõe uma resistência permanente de coletor/emissor, mudando as tensões do circuito. O método utilizado para diagnosticar tal defeito é verificar polarização de base e caso exista, aplicar um curto base/emissor e conferir as reações do transistor. FUGA COLETOR/BASE Como vimos no defeito anterior, uma fuga consome corrente independentemente de qualquer polarização e de forma permanente. Portanto, a fuga de coletor/base será uma resistência permanente que será introduzida nesta junção. Com isso, como o potencial do coletor do transistor da figura 27a é mais positivo do que a base, podemos concluir que esta fuga aumentaria a polarização do transistor e consequentemente sua condução de coletor/emissor, fazendo a tensão de coletor cair (figura 27a). Resumo: a fuga. coletor/base aumenta a corrente base/emissor, aumentando a polarização coletor/emissor. Para diagnosticar tal defeito retira-se a polarização de base, conferindo após se realmente esta desapareceu. Resumo: a fuga base/emissor diminui a polarização coletor/emissor e ao mesmo tempo reduz a queda de tensão na própria junção. Tendo em mãos tais consequências, pode-se chegar a este diagnóstico. JUNÇÃO BASE/EMISSOR ABERTA Diagnóstico: A fuga de coletor/base aumenta a corrente de base/emissor. Portanto, caso o resistor de polarização da junção base/emissor seja desligado do circuito, ou até mesmo seja desligado o terminal base do circuito, a junção base/emissor continuará polarizada (em condições normais deveria cortar). Consequentemente, teremos uma polarização de coletor/emissor, ou seja, para diagnosticar a fuga coletor/base, basta retirar a polarização desta junção e verificar se esta ainda permanece. Caso afirmativo, concluiremos que o transistor esta com fuga coletor/base. Quando um diodo abre, ele não possui mais a propriedade de permitir passagem de corrente por ele, mesmo que diretamente polarizado. Isto também acontece com as APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 122 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C +12V +7,2V (Tensão normal) Transistor corta +0,6V Junção aberta tensão sobe na base B A +12V 12V 8V Rb Rc Rb/e +12V +4,8V (Tensão normal) Transistor corta +11,4V Junção aberta tensão cai na base B A +12V 0V 4V Rb/e Rc Rb +12V +7,2V (Tensão normal) Tensão de coletor sobe Resistência de coletor/ emissor aumenta. +0,7V ou 0,8V A +12V 9V Rb Rc Rb/e +12V +4,8V (Tensão normal) tensão no coletor cai Resistência de coletor/emissor aumenta +11,2V ou 11,3V A +12V 2V Rb/e Rc Rb figura 29a figura 29b figura 30a figura 30b Diagnóstico: Como a falta de ganho se assemelha a uma diminuição na corrente base/emissor (defeito semelhante a fuga base-emissor), deverá ser verificado nos componentes associados ao transistor, se realmente existe uma diminuição na corrente base/emissor, para então, chegar a tal conclusão. Quando há uma falta de ganho, observamos que apesar da menor polarização para coletor/emissor, a tensão de base/emissor apresenta-se com tensão levemente acima do normal, com 0,7V ou até 0,8V. Neste defeito o transistor apresenta um curto entre as junções coletor-emissor, e as vezes este curto abrange também a junção base-emissor. Neste caso, todos os terminais do transistor apresentam a mesma tensão. É um dos problemas mais fáceis de serem detectados a partir de medições de tensões através do multímetro. COLETOR ABERTO Neste defeito o transistor não apresenta circulação de corrente entre a junção coletor/emissor, mesmo quando ele está bem polarizado em sua base/emissor. Neste caso, seu coletor está danificado (aberto) e todas as junções do coletor não mais poderão conduzir corrente elétrica. Neste defeito, mesmo recebendo polarização de base/emissor, com queda de tensão de 0,6V, o transistor comporta-se completamente como chave aberta. Obs: Os defeitos do componente mencionados aqui, podem ser analisados e detectados sem problemas. Apesar disso, um corte pode ser confundido com um coletor/emissor aberto, da mesma forma que uma saturação pode ser confundida com um transistor com coletor/emissor em curto. Assim, será necessário que o aluno submeta-se a uma série de análises de defeitos envolvendo os transistores, ganhando com isso prática na detecção dos defeitos na na placa de circuito impresso, não sendo necessária a retirada de componentes do circuito para constatação do problema. Caso o aluno já possua prática na área, terá mais dificuldade de aplicar estas novas técnicas, visto que os vícios anteriores o levarão a utilizar a escala ôhmica na medição dos defeitos mencionados acima. Assim, pedimos também aos alunos com muita prática que abstenham-se da forma convencional de trabalho e empreguem esta nova forma, que certamente trará resultados práticos fantásticos com o passar do tempo. TRANSISTOR EM CURTO junções PN dos transistores e como consequência, teremos a junção base/emissor aberta, com o corte do transístor (chave aberta entre emissor/coletor). Veja nas figura 29a a demonstração de um transistor NPN com a junção base emissor aberta e na figura 29b a demonstração figurativa deste defeito na configuração PNP. Diagnóstico: O mesmo utilizado para diagnosticar diodos (nada mais é do que uma junção PN aberta). Uma outra característica é o corte do transístor devido a este defeito. FALTADE GANHO A condutividade coletor/emissor diminui (aumenta a resistência) como se a corrente de base/emissorcircular corrente através dele; logo, nossa bobina se resumirá a um resistor, cuja resistência será dada pelo material de que é feita a bobina. Como na maioria das bobinas, o valor da resistência elétrica do fio é quase igual a zero ohm, vamos considerar para nossos exercícios que a bobina (indutor), em circuitos de corrente contínua, terá um resistor de valor igual a zero, ou seja, um “curto”, cuja queda de tensão sobre ele será sempre igual a zero volt. +10V 10kW 10kW 0V 0V RESISTÊNCIA EQUIVALENTE = 0W OU A A Fio figura 11 +10V 10kW 10kW 10V 10V A ARESISTÊNCIA EQUIVALENTE = 0W OU Fio R1 1kW R1 1kW R2 2kW R2 2kW R3 2kW R3 2kW L1 L2 10V 10V 5V 5V5V 5V 0V 0V +10V A B A B C C D D +10V figura 12 figura 13a figura 13b 13ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 indutor L1 com um curto e o capacitor C1 como circuito aberto. Assim definiremos as tensões das malhas. Na figura 14b, podemos ver o circuito equivalente da figura 14a, é onde temos o resistor R1 em série com um resistor R2; o resistor R3 ficará em aberto. Na figura 15a, temos um circuito um pouco mais complexo formado por vários resistores além de indutores e capacitores. Podemos definir logo de partida a tensão no ponto “E1” pois considerando que ele um é um curto, toda a tensão da fonte será aplicada sobre o resistor R6. Como o valor do resistor R1 é de 4k e de R2 é de 2k, teremos uma tensão no ponto A de 4 volts, o mesmo correndo para o ponto B (porque o indutor é considerado um curto). Já a tensão no ponto “C”, será de zero volt pois a tensão do lado inferior de R3 é de zero volt e considerando que não está circulando corrente por ele haverá a mesma tensão do outro lado ou seja zero volt. Na figura 15b, podemos ver que os capacitores C1 e C2 foram considerados circuitos interrompidos ou abertos permitindo assim melhor visualização dos resistores colocados na malha. Vamos considerar também L2 como sendo um curto; assim teremos R1 em paralelo com R2 e esses em série com R3; completando o caminho a massa teremos R4 em paralelo com R5. Com R1 em paralelo com R2, resultará em uma resistência de 5k e R4 em paralelo com R5 resultará em uma resistência de 4k. Teremos 3 resistores em série sendo os valores de 5k, 1k e 4k. Assim fica fácil definir a tensão para o ponto A com 10 volts, a mesma tensão para o ponto B (devido ao curto do indutor L2) e para o ponto D uma tensão de 8 volts. R1 4kW R2 2kW R3 1kW L1 C1 4V 0V 4V A B C +12V R1 4kW R2 2kW R3 1kW 4V 0V 4V B A C +12V R6 10kW R5 8kW 10V 10V 8V 20V 10V A B D E C +20V R1 10kW R2 10kW L1 L2 C1 C2 L3 R3 1kW R4 8kW R6 10kW R5 8kW 10V 10V 8V 20V 10V A B D E C +20V R1 10kW R2 10kW L1 L2 L3 R3 1kW R4 8kW C1 C2 DIMENSIONAMENTOS DE CIRCUITOS Nos circuitos da figura 16 e 17, faça o dimensionamento dos circuitos colocando as tensões nos diversos pontos: 18V A B D G E F I K L M NJ H C 4 1 2 3 9 14 2kW 1kW 1kW 2kW 18kW 18kW C1 2,2nF C2 1nF C4 1nF C3 1Fm L1 L2 L3 5 6 8 7,5kW 45kW 2,5kW 7 6kW 12 11 10 1W 12kW 3kW 13 6kW figura 16a figura 16b figura 16c figura 14a figura 14b figura 15a figura 15b 14 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Na figura 16b, podemos ver que temos dois indutores em sér ie (L2 e L3) que serão considerados como curtos. Assim, teremos o potencial de 18 volts aplicados no lado direito do resistor R7, ficando esse em paralelo com R5 e parte de R6. A metade de baixo de R6, acabará ficando em série com o resistor R8, visto que o capacitor C2 pode ser considerado um circuito aberto. Fazendo os cálculos para o circuito, teremos no ponto “I” 18 volts o mesmo acontecendo para o ponto “H”. Para saber as tensões dos outros pontos deveremos fazer o circuito equivalente de toda a malha, onde teremos dois resistores equivalentes em série sendo 7,5k no lado de cima e 22,5k do lado de baixo; isto acabará gerando uma tensão de 15 volts para o ponto F e 17,25 volts para o ponto “E”; 1,5 volt para o ponto G. Ficaremos então com o circuito equivalente série de R9 com a associação resistiva de baixo, resultando em 7,2k. Fica definida uma tensão de 5,14 volts para o ponto “M”. Considerando agora que temos 5,14 volts aplicado sobre um resistor de 9k e 3k, teremos uma tensão de 1,3 volt para o ponto “K”. podemos definir também a tensão para o ponto N, que ficará como 3,86 volts. Na figura 16a, temos quatro resistores que estão praticamente em série. Vamos considerar L1 como um curto e o capacitor C1 com um circuito aberto; assim teremos o resistor R1 em série com resistor R2 e estes e em série com resistor R3; a malha resistiva que vem do potencial positivo acaba encontrando o cursor do resistor R4 que fecha à massa a partir da metade deste. A L E R TA M O S A O S A L U N O S , Q U E O S EXERCÍCIOS PROPOSTOS ACIMA JÁ FAZEM PARTE DO MÓDULO 1 DE ELETRÔNICA, DEVENDO ESSES SEREM FEITOS COM CERTA FACILIDADE. CASO O ALUNO ENCONTRE DIFICULDADES NA RESOLUÇÃO DESTAS MALHAS DEVERÁ VOLTAR A ESTUDAR TODA MATÉRIA EXPOSTA NO MÓDULO 1 DESTE CURSO DE ELETRÔNICA. Ficamos então com uma tensão de 14,4 volts no ponto A; 14,4 volts do ponto B (curto do indutor); 10,8 volts no ponto D e finalmente 3,6 volts do ponto H. Há ainda uma medida de tensão no ponto C que deverá ser a mesma do ponto mais próximo de tensão do potenciômetro que é o ponto H, com 3,6 volts. Ficamos assim com um resistor de 1k em série com um outro resistor de 1k; em seguida um resistor de 2k e finalmente um resistor de 1k (metade da resistência do potenciômetro). No dimensionamento da figura 16c, devemos desconsiderar os capacitores C3 e C4, ou seja, serão encarados como circuitos abertos. Assim teremos R9 em série com os demais, onde R14 estará em paralelo com R10, R11, R13 e R12. Podemos ver que o valor de R12 é apenas de 1 ohm, significando que do lado direito dele teremos a mesma tensão do terra, ou seja, zero volt. Teremos portanto metade do resistor R11 (6k) em paralelo com o resistor R13, também de 6k resultando disso em uma equivalência de 3k. Esse acabou ficando em série com metade do resistor R11 (lado direito) e também R10. Respostas dos dimensionamentos O circuito da figura 17a é bem simples, onde temos o resistor R1 em paralelo com o resistor R3 e em parte do resistor R4. Podemos dizer que o valor da metade do resistor R4, será 12k que somado ao resistor R3 resultará em uma equivalência de 24k. Esse valor está em paralelo com o resistor R1, cujo valor é 12k, resultando em uma resistência equivalente de 8k. Essa equivalência estará em série com a parte de baixo do resistor R4 (12k), e também em série com o resistor R5 de 12k. Calculando a malha teremos uma tensão de 27 volts para o ponto O, e 31,5 volts para o ponto R. Já para o ponto “S” teremos uma tensão de 13,5 volts. 36V O P S R W T U Y Z B1 A1 C1 X V C1 10nF L131 12 13 14 6 10 42 7 5 8 12kW12kW 24kW10kW 12kW 180kW 180kW 180kW 500W 60W 3kW 1,5kW C2 2,2nF C3 4,7nF 15 90kW 9 1,5kW L2 11 90kW figura 17a figura 17b figura 17c 15ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 No circuito da figura 17b teremos o indutor “L1” em paralelo com o resistor R6, ou seja, a tensão da fonte que é de 36 Volts será transferida para o lado de baixo do resistor R6. Assim, o lado de cima do resistor R7 (1,5k) está em série com a malha formada pelo resistor R9, sendo este em paralelo com parte de baixo do resistorR7, que por sua vez está em série com o resistor R8. Devemos desconsiderar o capacitor C2 (circuitos abertos). Assim, ficamos com dois resistores de 1,5k em série e esses em paralelo com outro resistor de 1,5k. Fica então definida a tensão para o ponto “U” e também para o ponto “V” em 14,4 volts. Já para o ponto “W” teremos uma tensão de 7,2 volts. No circuito da figura 17c, devemos desconsiderar o capacitor C3 (circuito aberto). Como o indutor L2, que está ligado ao capacitor C3 deve ser considerado um curto, já poderemos afirmar que a tensão no ponto “Z” será a mesma do ponto “C1”. Vemos que o lado superior de R12 está em série com uma malha paralela formada pelo próprio R12 (lado de baixo) e lado de cima de R13; esses em paralelo com R11 e R15. A malha paralela de cima está em série com lado debaixo de R13 completando o caminho à massa via R14. Assim, será formado um circuito série com metade do valor de R12 que é de 90k. Ele está em série com vários resistores todos de 90k resultando em uma equivalência de 90k e finalmente completando o circuito série com o lado de baixo de R13 somado ao R14, resultando numa resistência de 270k. Fica assim definida a tensão nos cursores dos potenciômetros, ou seja, no cursor de R12 há uma tensão de 28,8 volts e no cursor de R13, uma tensão de 21,6 volts. A partir dessas tensões, já podemos definir a tensão do ponto A1 que será de 25,2 volts, sendo a mesma tensão para o ponto Z e também para o ponto C1. Também podemos definir a tensão do ponto B1 que será de 14,4 volts. A seguir, temos a figura 16, já com as tensões corretas nos devidos pontos, para que o aluno possa corrigir o dimensionamento, caso as tensões que o aluno encontrou não sejam as mesmas, ele deverá refazer os cálculos, caso ele não encontre seu erro, pedir ajuda via site pelos exercícios dos blocos ou na sala de aula para o professor. A seguir, temos também a figura 17, com suas tensões corretas, para que o aluno possa corrigir mais este exercício: ANÁLISE DE DEFEITOS EM CIRCUITOS COM INDUTORES A análise de defeitos envolvendo indutores é relativamente simples, pois o indutor, por ser um curto em corrente contínua, apresentará somente o defeito de não ser mais um curto, ou seja, interromper-se, deixando os componentes associados ao mesmo, livre de sua atuação. Na figura 20a, temos uma malha composta de A figura 18, ilustra bem o comentado. Notem que L1, deveria ser um curto, deixando o ponto “A” preso ao terra (0 volt), mas no ponto “A” temos 10V, indicando que L1 está interrompido. Na figura 19, temos exemplo semelhante mudando somente a posição do indutor para com o resistor. Neste caso, o indutor interrompido (L1) provocou uma tensão de 0V no ponto “A”, onde deveríamos ter 10V. EXEMPLO 1: 18V A B D G E F I K L M NJ H C 4 1 2 3 9 14 2kW 1kW 1kW 2kW 18kW 18kW C1 2,2nF C2 1nF C4 1nF C3 1Fm L1 L2 L3 5 6 8 7,5kW 45kW 2,5kW 7 6kW 12 11 10 1W 12kW 3kW 13 6kW 14,4 14,4 10,8 3,6 3,6 18 18 15 17,2 1,5 5,141,3 3,86 0 36V O P S R W T U Y Z B1 A1 C1 X V C1 10nF L131 12 13 14 6 10 42 7 5 8 12kW12kW 24kW10kW 12kW 180kW 180kW 180kW 500W 60W 3kW 1,5kW C2 2,2nF C3 4,7nF 15 90kW 9 1,5kW L2 11 90kW 27 31,5 13,5 27 14,4 14,4 7,2 36 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 14,4 figura 16 figura 17 R1 4kW 10V L1 A +10V R1 4kW 0V L1 A+10V 6,6V 6,6V 6,6V 6,6V 0V A B C +10V R1 1kW R1 1kW L1 L1 L2 L2 ABERTA R2 2kW R2 2kW R3 2kW R3 2kW figura 18 figura 19 figura 20a figura 20b 16 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 A figura 25 apresenta C1 em curto, aplicando os 20V do ponto E no ponto A sobre L2 que levará esta tensão até L3 e o resistor R3. O resistor R3, dividirá os 20V do ponto B com R4 e R5, onde resulta em 16V no ponto D. Notem, que o capacitor C1 em curto colocou L1 em paralelo com R1 e R2, resultando em uma resistência equivalente de 0W. EXEMPLO 6: EXEMPLO 7: Na figura 26 o resistor R5 se encontra alterado, elevando a resistência equivalente com R4. Consequentemente teremos uma maior queda de indutores e resistores. Como estamos trabalhando com corrente contínua, os indutores são desprezados. Ficamos, portanto, com 6V no ponto B para a condição normal. Mas esta não é a tensão apresentado na figura 20a ponto B, ou seja, temos 6,6V neste ponto, indicando um defeito em algum dos componentes abaixo deste ponto. Existe a possibilidade de R2 ou R3 estar aberto, mas a queda de tensão de 6,6V no indutor L2, deixa claro que o mesmo está interrompido (figura 20b), produzindo o mesmo efeito de R2 ou R3 abrir. EXEMPLO 2: A figura 21, mostra uma malha defeituosa contendo capacitores, indutores e resistores. O componente defeituoso, como está indicado na figura é R1 aberto. O resistor R1 retêm toda a tensão da fonte sobre si (20volts) e com isso, deixa os pontos A, B e C “zerados”. EXEMPLO 3: Na figura 22, o componente defeituoso é L1 aberto. Como o caminho da corrente passa por este indutor, com esse interrompido, não teremos mais corrente na malha, deixando o ponto A com 20V e o ponto B com 0V. Notem que ao lado temos C1 e R3, mas C1 em tensão ou corrente contínua é uma chave aberta, não influenciando nestas tensões. EXEMPLO 4: O componente defeituoso da figura 23 é C1 em curto que fará com que R3 fique em paralelo com R2, resultando em uma resistência equivalente de 666,6W que consequentemente gerará 2,8V em todos os pontos, pois todos são comuns ou iguais devido o curto de C1. EXEMPLO 5: O circuito da figura 24 tem L2 (bobina ou indutor) aberta. Com isso, a ligação entre os resistores de cima e abaixo deste indutor é desfeita, gerando no ponto A 20V e nos pontos B, C e D = 0V. O ponto E indica a tensão entre o indutor L1 e o resistor R6 que estão l igado separadamente dos demais componentes, pois C1 e C2 são chaves abertas. Neste ponto temos 20V que estão absolutamente corretos. 0V 0V 0V A R1 ABERTO B C +20V R1 4kW L2 C1 R2 2kW R3 1kW 20V 0V 0V A L1 ABERTA B C +20V R1 4kW L2 C1 R2 2kW R3 1kW 2,8V 2,8V 2,8V A C1 EM CURTO B C +20V R1 4kW L2 C1 R2 2kW R3 1kW L2 ABERTA R6 10kW R5 8kW 20V 0V 0V 20V 0V A B D E C +20V R1 10kW R2 10kW L1 L2 C1 C2 L3 R3 1kW R4 8kW C1 EM CURTO R6 10kW R5 8kW 20V 20V 16V 20V 20V A B D E C +20V R1 10kW R2 10kW L1 L2 C1 C2 L3 R3 1kW R4 8kW figura 21 figura 22 figura 23 figura 24 figura 25 17ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 A tensão de 20V logo após L1, significa que o mesmo é um curto, logo, a tensão da fonte aparecerá no ponto E, produzindo corrente circulante por R6 que está ligado a massa. tensão sobre os resistores R4 e R5 e uma menor queda nos demais componentes. Assim, a malha de cálculo será formada por R1 em paralelo com R2 e estes em série com R3, para então encontrar outra malha paralela, formada por R4 e R5, ambos ligados a massa. 18V A B D C R F G I J M L K H E 9V 9V 4,5V 13,5V 3V 15V 6V 9V 9V 6V 12V 9V 9V 6V C1 10nF L131 12 14 15 6 10 42 7 5 8 12kW12kW 24kW10kW 12kW 180kW 180kW 180kW 500W 60W 3kW 1,5kW C2 2,2nF C3 4,7nF 13 90kW 9 1,5kW L2 11 90kW 18V N O P U S T V X Y Z A1W R Q 13,5V 13,5V 9V 1V 16V 10V 18V 0V 0V 4,5V 3V18V 4,5V 4,5V 19 16 17 18 28 29 2kW 1kW 1kW 2kW 18kW 18kW C4 2,2nF C5 1nF C7 1nF C6 1Fm L3 L4 L5 20 21 23 7,5kW 45kW 2,5kW 22 6kW 24 25 27 1W 12kW 3kW 26 6kW R5 ALTERADO R6 10kW R5 8kW 12,9V 12,9V 11,5V 20V 12,9V A B D E C +20V R1 10kW R2 10kW L1 L2 C1 C2 L3 R3 1kWR4 8kW Nas figuras 27 e 28, temos 6 malhas independentes ligadas numa tensão de 18V. Cada malha apresenta um componente defeituoso; encontre este componente, baseando-se nas tensões dos círculos. FIGURA 27-1: O circuito mostra um misto de resistores, potenciômetro e capacitor. Temos dois resistores no lado de cima do circuito (R1 e R3) indicando uma ligação ao positivo e a ligação à massa sendo feita pelo lado de baixo de P4 e R5. Como o potenciômetro possui 12k em sua metade de cima e de baixo, teremos 4 resistores de 12k em série e R1 em paralelo com os dois. Mas, vemos que a tensão nos resistores R3, lado de cima de P4, lado de baixo de P4, e R5, tem valores iguais e suas quedas de tensões estão proporcionais. Assim, já podemos concluir que R1 está aberto. FIGURA 27-2: No segundo circuito, vemos que o indutor L1, deveria colocar 18V no lado de cima do potenciômetro P7, mas encontramos a tensão de 15V. Isto já mostra que o indutor L1 está aberto, permitindo uma queda de tensão em R6. Calculando a malha para baixo, vemos que o cursor de P7, está ligado a R9 (1,5k) e também ao capacitor C2 que será considerado um circuito aberto. R9 ficará em paralelo com o lado de baixo figura 26 figura 27 figura 28 18 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Como a proporção das quedas de tensões estão equilibradas entre o R20 e o lado de cima de P21, já podemos afirmar que o resistor R22 de 6k está alterado. Teríamos portanto uma resistência inicial ao positivo de 90k em série com o paralelo de 90k e finalmente 180k ligando a massa. Mas, pelas tensões medidas, o que vemos é P12, P14 e R15, dividindo as tensões proporcionalmente (180k, 180k e 180k). Assim, fica claro que R11 está aberto, interrompendo o paralelo que haveria entre os potenciômetros e os resistores R11 e R13. de P7 (1,5k) somado ao R8 (1,5k). Temos então 3k, que em paralelo com R9 (1,5k) resultará em 1k de equivalência geral (cursor do potenciômetro para baixo). Assim, podemos concluir que a partir daqui todas as tensões estão proporcionais. FIGURA 27-3: Neste circuito, devemos desconsiderar o potenciômetro P10, pois não haverá corrente circulante por ele, logo não atuando nas tensões da malha. O circuito é formado pelo lado de cima de P12 (90k), e pelo lado de baixo de P12 (90k) e lado de cima de P14 (90k); estes dois ficam em paralelo com R11 (90k) e R13 (90k), resultando em um paralelo equivalente geral de 90k (potenciômetros e resistores). Finalmente chegamos ao massa via R15. FIGURA 28-1: No circuito, vamos considerar um curto o indutor L3 e um circuito aberto o capacitor C4. Assim, teremos R16 (1k) em série com R17 (1k), em série com R18 (2k) e finalmente P19 (1k lado de baixo). deveríamos ter a tensão da fonte (18V) dividida por 5, que resultaria em 3,6V. Mas o que vemos é uma queda proporcional de 4,5V sobre todos os resistores, indicando que todos possuem o mesmo valor. Assim, ou os 3 resistores de 1k alteraram para 2k, ou o resistor R18 de 2k, alterou para menos 1k, o que seria muito difícil. Como temos o capacitor C4 em paralelo com ele, já podemos afirmar que está com uma fuga interna de 2k. FIGURA 28-2: Neste circuito, como temos dois indutores (L4 e L5) ligados ao +18V, devem levar este potencial até o lado direito de R22. Assim, teremos um paralelo formado por R22 (6k), com R20 (7,5k) e lado de cima de P21 (22,5k), resultando em uma equivalência de 5k. Após, passamos pelo lado de baixo de P21 (22,5k), chegando à massa finalmente via R23 de 2,5k. Vemos então que a queda de tensão na malha paralela calculada está maior do que deveria ser, indicando que algum resistor na malha alterou. FIGURA 28-3: Este é um dos melhores circuitos para análise. Vamos começar por definir que R28 (18k) estará em série com os demais componentes. Podemos ver também que R29 estará em paralelo como os outros resistores. Vamos considerar que C6 e C7 são circuitos abertos. Assim, ficamos com a malha mostrada abaixo: Pela figura, vemos que há o R24, cujo valor é muito baixo, comparado aos outros resistores. Isto significa que o potencial de zero volt será levado para o lado de baixo de P25 (12k). Mas a tensão que mais chama atenção é a de zero volt no ponto X, onde deveria haver uma tensão em torno de 1,5V, ou um pouco menos. Para que esta tensão seja possível, o cursor de P25 deveria estar aberto, mas isso faria com que seu valor (12k) estivesse em série com R27 (3k), causando uma maior queda neste. Vemos que a queda no lado de cima do potenciômetro foi de 3V em 6k, o dobro do que está caindo sobre R27 que é de 3k. Podemos concluir disto, que aparentemente o cursor está na massa. Para que isto aconteça, somente há uma probabilidade: C7 em curto. 4,5V 3V 0V Z A1 X +18V R28 18kW C1 P25 R24 R27 12k 1 3k W W W R29 18kW R26 6kW C6 C7 http://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico http://pt.wikipedia.org/wiki/Indutor http://ciencia.hsw.uol.com.br/indutores1.htm http://izzychili.com.br/ferramentas/reatancia_indutor.trv?i=1&h=100&f=60 Pesquisas na internet sobre o tema campo magnético e indutores: Atenção: após a leitura e/ou estudo detalhado desta aula, parta para a feitura dos blocos de exercícios M2-01 à M2-04. Não prossiga para a aula seguinte sem ter certeza que seu resultado nos blocos é acima de 85%. Lembre-se que o verdadeiro aprendizado, com retenção das informações desta aula, somente será alcançado com todos os exercícios muito bem feitos. Portanto, tenha paciência pois será no dia-a-dia da feitura dos blocos alcançará um excelente nível em eletrônica. 19ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 AULA 2 INDUTOR E CAPACITOR EM CORRENTE ALTERNADA Associação de indutores em série e paralelo Capacitores em corrente alternada A corrente no capacitor - reatância capacitiva INDUTOR EM CORRENTE ALTERNADA Vamos fazer um segundo exemplo com um circuito similar ao da figura 1, mas alterando a frequência do gerador e a indutância da bobina: Portanto, o valor da reatância indutiva da bobina L1 (10mH) num circuito de corrente alternada de 100Hz, será de 6,3W. Vamos agora calcular a corrente “média”, ou seja eficaz (Irms) do circuito. Devemos primeiramente lembrar que os indutores, bem como os capacitores, não são componentes lineares; isso quer dizer que a tensão, a corrente e suas resistências (ou reatância) não são proporcionais entre si (nem inversamente proporcionais), portanto a lei de Ohm não pode ser aplicada a estes componentes. Contudo, em circuitos “exclusivamente” compostos por indutores, sem capacitores e sem resistores, existe uma lei básica, derivada da lei de Ohm que pode ser aplicada a estes circuitos e somente neste caso, trocando a resistência elétrica (R) pela reatância indutiva (XL), ficando com a seguinte relação: Se a nossa tensão alternada for de baixa frequência (60 Hz por exemplo), a bobina funcionará como um resistor de baixo valor (de 1 a 100W, dependendo do valor da indutância L). Agora para as médias frequências (1kHz por exemplo), a bobina funcionará como um resistor de médio valor (de 1kW a 10kW , dependendo da indutância) e para tensões alternadas de alta frequência (1MHz, por exemplo) a resistência equivalente será também muito alta. Até agora estudamos o indutor em circuitos de corrente contínua, onde pudemos concluir, que tendo correntes circulantes constantes sem nenhuma variação, a reatância indutiva das bobinas (indutores) era igual a zero, fazendo com que estas bobinas se comportem como um “curto” (resistência igual a zero), não gerando quedas de tensões sobre essas. XL = 2¶fL , portanto a reatância XL dependerá da frequência da correntedo circuito. Como agora a tensão é alternada, isso implica que a reatância será diferente de zero e a nossa bobina começará a se opor à corrente elétrica como se fosse um resistor. Na figura 1a, temos um circuito com uma tensão alternada de 10Vrms e uma frequência de 100Hz, onde está ligada apenas uma bobina de 10mH (mili- henry). Como a frequência é baixa podemos concluir que a bobina deverá se comportar como um resistor de baixo valor; para comprovarmos isso, vamos pegar a fórmula da reatância indutiva e calcularmos o valor da reatância que irá se opor a passagem de corrente: Depois de todas estas considerações, podemos finalmente calcular a corrente eficaz do circuito da figura 1: Irms = Vrms / XL = 10V / 6,3W = 1,6 A Voltando à fórmula de reatância indutiva (XL) da página 5, teremos: Voltamos a lembrar que essa relação vale somente para circuitos formado apenas por indutores. Isso significa que se nosso indutor (bobina) tiver uma resistência elétrica muito grande (devido ao material de que ela é construída), ou mesmo se seu capacitor “parasita” (devido as espiras paralelas) for de valor expressivo, essa fórmula não poderá ser aplicada. Pronto, já temos agora a corrente eficaz (Irms) do circuito da figura 1, que é formado por um gerador de tensão senoidal de 10Vrms e 100Hz de frequência, que está ligado a uma bobina de 10mH, gerará uma corrente alternada de 1,6 A, devido a reatância indutiva dessa bobina valer 6,3W para essa frequência (100Hz). XL = 2¶f L = 2 x 3,1416 x 100 x 0,01 = 6,3W Vrms = XL x Irms e Irms = Vrms / XL Agora vamos estudar o que ocorre em circuitos elétricos com indutores, que estejam submetidos a correntes alternadas ou que variam no tempo. L1 10mH GERADOR 10Vrms 100Hz GERADOR 10Vrms 100Hz XL 6,3W figura 1a figura 1b 20 ELETRÔNICAINDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Irms = Vrms / XL = 10 / 1.400 = 7,1mA XL = 1380W ou XL = 1,4kW. XL = 2 p f L = 2 x 3,14 x 1000000 x 0,00022 então: ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE Na associação em série, teremos vários indutores ligados um depois do outro, como mostra a figura 3, formando um único indutor equivalente. ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES Neste segundo circuito (figura2), temos do lado esquerdo, figura 2a, praticamente o mesmo circuito da figura 1a, então podemos substituir a bobina L1 por sua reatância indutiva XL, que neste caso poderá ser calculada como: Os indutores (bobinas), em circuitos de corrente alternada, farão oposição às variações de corrente do circuito de acordo com suas reatâncias indutivas, cujos valores dependerão da indutância dessas bobinas, e principalmente das frequências das correntes que circularão pelas bobinas. Já para correntes alternadas ou variáveis de alta frequência, a reatância indutiva das bobinas será equivalente a resistores de alto valor, fazendo grande oposição a passagem das correntes elétricas, como pudemos observar no exemplo da figura 2. Para correntes alternadas ou variáveis de baixa frequência, a reatância indutiva das bobinas será equivalente a resistores de baixo valor, quase não se opondo à passagem das correntes do circuito (conforme exemplo da figura 1). Nas associações de resistores em série o resistor equivalente sempre será igual a soma algébrica simples de todos os valores de sua resistências. Na associação de resistores em paralelo foi demonstrado um método simples de cálculo envolvendo dois resistores de cada vez, calculando o resistor equivalente a dois resistores em paralelo e depois recalculando o próximo resistor paralelo, até chegarmos a um único resistor equivalente a essa malha paralela, levando sempre em consideração a proporção entre os resistores. Vimos também que nas malhas de resistores paralelos de mesmo valor de resistência, o resistor equivalente total dessa malha seria o valor de um resistor dividido pelo números de resistores dessa malha. Portanto, a bobina L1 produzirá uma corrente eficaz de 7,1 mA, quando ligada a um gerador de tensão alternada de 10Vrms com 1MHz de frequência. Na associação de capacitores em paralelo vimos que o cálculo do capacitor equivalente seria o mesmo para associação de resistores em série, fazendo apenas a soma simples dos valores das capacitância dos capacitores. Também na associação de capacitores em série pudemos fazer a mesma comparação com a associação de resistores em paralelo, aplicando os mesmos cálculos de resistores equivalentes para capacitores equivalentes, à partir de dois capacitores, até chegarmos a um capacitor equivalente para toda a malha série. Pudemos ver também uma fórmula para calcular diretamente o capacitor equivalente de uma malha série, sem precisar calcular de 2 em 2. Essa mesma fórmula serve para calcular o resistor equivalente em uma malha paralela formada por vários resistores de valores diferentes. Já na figura 2b temos o circuito da figura 2a, substituindo a bobina L1 pela sua reatância XL, neste caso também podemos aplicar a fórmula da “nova lei de Ohm” para circuitos indutivos, considerando que a resistência elétrica da bobina L1 seja aproximadamente zero, onde teremos: Em certos circuitos, podemos nos deparar com dois ou mais indutores ligados juntos, formando um único indutor (indutor equivalente), para podermos analisar circuitos assim devemos calcular os valores desses indutores “equivalentes” em associações de vários indutores. Caso o aluno queira saber mais detalhes sobre circuitos de corrente alternada com indutores e capacitores e ou resistores, ele poderá fazer uma pesquisa em bibliotecas, ou então procurar na internet informações sobre circuitos indutivos em correntes alternadas, atraso de sinais e correntes, e ainda análise de circuitos RLC. CONCLUSÃO Na apostila de Módulo 1, pudemos estudar a associação de resistores e também de capacitores. Nas associações de indutores, fica claro que os métodos de cálculo para achar o indutor equivalente serão os mesmos aplicados para resistores e capacitores, como mostraremos a seguir: A associação em série de indutores levará a um valor final de indutância maior que o maior valor do indutor associado. Isto porque na associação série, L1 220 Hm GERADOR 10Vrms 1MHz GERADOR 10Vrms 1MHz XL 1,4kW figura 2a figura 2b 21ELETRÔNICA INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C APOSTILA DE ELETROELETRÔNICA MÓDULO - 2 Para que possamos calcularmos este valor, basta somar os valores dos indutores associados e chegaremos ao resultado final. Uma analogia pode ser feita com o cálculo de resistência equivalente de resistores ligados em série. Um exemplo disso pode ser visto na figura 3. Nesta figura (4) podemos ver L1, L2 e L3 em série entre os pontos “A” e “B”. Este método de cálculo para encontrar o indutor equivalente na malha série é o mesmo utilizado em resistores série, bastando somar os valores das indutâncias, ficando então com: Leq = L1 + L2 + L3, onde substituindo, teremos Leq = 10uH + 22uH + 15uH, resultando Leq = 47uH. as indutâncias dos indutores associados irão se somar. Para fixar o método vamos pegar um exemplo de 3 indutores em série, como mostra a figura 4. ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Nesse tipo de associação, devido a corrente circulante pelos indutores estar sendo dividida, teremos um resultado de indutância menor que o menor valor do indutor em paralelo. Para que possamos calcular este valor, façamos o cálculo da figura 5 ou utilizamos do mesmo cálculo feitos nas associação paralelas dos resistores, vistos na apostila de módulo 1. Apesar desta fórmula apresentada na figura 5 fornecer meios para o cálculo de indutores em paralelo (já apresentada no módulo1 para cálculos de capacitores em série), lembramos que o meio mais