Eletronica_Vol-1-Malvino

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ELETRÔNICA
4il Edição
VOLUME 1
Albert Paul Malvino, Ph.D, E. E.
Tradução:
RomeuAbdo
Professor e Coordenador (UTRAMING)
Revisão Técnica:
Antonio PERTENCEJúnior
Coordenador Técnico do Cetel
Engenheiro Eletrônico, Professor e Supervisor do CetelJMG
Colaboração:
José Lucimar do Nascimento
Professor de Eletrônica e Informática do Cetel/MG
Pearson
Education
-----
São Paulo
Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha
Guatemala México Porto Rico Venezuela
+
'"~-
Prefácio
SUMÁRIO +
XXXIX
Capítulol Introdução ...............................
1.1 Fontesdetensão.............................
1
2
Fontedetensãoideal.......................... 2
2Fonte de tensão real. . . . . . . . . . . . . . .
1.2
1.3
Fonte de tensão quase ideal
Fontes de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 3
4
OteoremadeThevenin ........................ 6
6Aidéiabásica ..............................
A tensão e a resistência de Thevenin . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
81.4
1.5
OteoremadeNorton .
Verificaçãode defeitos. . . . . . . . . . . . . .
Um dispositivo aberto
. . . . . . . 10
10. . . . . . . . . . . . . . . . .
Um dispositivo em curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
11Atabeladedefeitos.......................
1.6 Aproximações.............................. 13
x Eletrônica- 4a Edição - Volume 1
Apoio aos estudos. . . . . . . . . . . .
Resumo...........
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relaçõesimportantes..........................
Atividades para o estudante ..,..................
Questões.........................
Problemas básicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problemas avançados .
Problemas utilizando o dispositivo H verificador de defeitos" . . .
Capítulo 2 Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Condutores. . . . . . . .
Órbitas estáveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
A parte central do átomo e o elétron livre. . . . . . . . . . . . . .
A principal idéia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ogermânio ...............................
Osilicio..................................
2.3 Os cristais de silício. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Asligaçõescovalentes ,.....
Apenas oito elétrons de valência . . . . . . . . . . . . . . .
A energia térmica pode dar origem a uma lacuna. . . . .
Recombinaçãoetempodevida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
Asprincipaisidéias...................
Semicondutores intrínsecos. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ofluxodeelétronslivres........................
O fluxo de lacunas ,................
2.5
2.6
Dois tipos de fluxos de corrente. . . . . . . . . . . .
Dopagem de um semicondutor . . . . . . . . . . . . . . . .
15
15
16
16
16
18
20
21
23
24
24
24
25
26
26
27
28
28
29
29
30
30
31
31
32
32
33
I..
Sumário XI
Aumentando os elétrons livres. . . . . . . . . . . . 33
34Aumentando o número de lacunas. . . . . . . . . . . . . .
2.7
Pontos que devem ser lembrados. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dois tipos de semicondutores extrínsecos . . . . . . . . . . . . . .
35
35
Osemicondutortipon .........................
Osemicondutortipop .........................
35
36
.Á 2.8 Odiodonão-polarizado ........................
Odiodonão-polarizado ........................
37
37
Acamadadedepleção .........................
Abarreiradepotencial.........................
38
39
2.9 Apolarizaçãodireta ..........................
Ofluxodeelétronslivres........................
39
39
o fluxode elétronsdevalência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recapitulação ................. . . . . .
40
40
. "
.~ Oquedeveserlembrado........................
2.10 Apolarizaçãoreversa..........................
41
41
A largura da camada de depleção . . . . . . . . . . . . . . .. . . .
A corrente de portadores minoritários . . . . . . . . . . . .
42
43
j Acorrentede fugada superfície. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O quedevemoslembrar ........................
44
44
2.11 Ruptura .................................
Oefeitoavalanche ...........................
44
44
J. OefeitoZener.............................. 46
47Tópicosopcionais ...............................
2.12 Níveis de energia .......................
Alta energia nas órbitas maiores. . . . . . . . . . . . . . .
47
48
Aqueda do elétron e a luz irradiante . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
XII Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
Asbandasdeenergia..........................
As bandas de energia do cristal tipo n . . . . . . . . . . . . . . . .
48
49
As bandas de energia de cristal tipo p . . . . . . . . . . . . . . . .
2.13 Colina de energia """"""""""""""
49
50
Antesdadifusão ............................ 51
51Noequihôrio...............................
Apolarizaçãodireta """"""""""""" 53
542.14 Barreira de potencial e temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . .
2.15 Diodo reversamente polarizado. . . . . . . . . . . . 55
55Acorrentedetransiente ........................
Acorrentede saturaçãoreversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
56Acorrente de fuga da superfície. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Apoio aos estudos ...............................
Resumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
58
Atividadesparaoestudante """""""""""'"
Questões.....................................
59
59
Problemas básicos.
Problemas avançados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
63
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Capítulo3 ATeoriadosDiodos..............................
3.1
3.2
o símboloesquemático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
66
Acurvadodiodo ............................ 66
673.3 Aregiãodireta..............................
Atensãodejoelho............................
Odispositivonão-linear ........................
A resistência de corpo.
67
68
. . . . . . . . . . . . . . . . 68
69A máxima corrente cc direta . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o resistor de limitação de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Sumário XIII
A dissipação máxima de potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4
3.5
Aregiãoreversa........................
Odiodoideal................... . . . . . . .
3.6
3.7
Asegundaaproximação ....................
Aterceiraaproximação.........................
3.8
3.9
Aescolhadaaproximação. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verificação de defeitos """"""""""
3.10 Pensando em termos de comportamento variacional . . . . . .
3.11 Interpretação da folha de dados. . . . . . . . . . . . . . . .
A tensão de ruptura reversa . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acorrentemáximadireta """"""""'"
Queda de tensão.direta . . . . . . . . . . . . . . . .
A corrente reversa máxima. . . . . . . . . . . . . .
Tópicos opcionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12 Dispositivoslineares """""""""""""
3.13 Como calcular a resistência de corpo. . . . . . . . . . . . . . . . .
3.14 Aresistênciaccdeumdiodo......................
Aresistência direta. . . . . . . . . . . . . . .
Aresistênciareversa ..................
3.15 Asretasdecarga """"""""""""
Aequação para a reta de carga. . . . . . . . . . . . . . . .
Umexemplo...........................
OpontoQ ................ . . . . . . . .
Apoio aos estudos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equaçõesimportantes .....................
Atividades para o estudante """""""""'"
69
70
71
73
75
75
78
79
81
82
82
83
83
84
84
85
86
86
86
87
87
88
88
90
90
91
92
XIV Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
Questões.................................
Problemasbásicos............................
92
93
Problemasavançados..........................
Problemasutilizando o dispositivo de análisevariacional. . .. .
95
95
Capítulo 4 CircuitoscomOiodos............................. 97
4.1 Otransformadordeentrada.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
98A equaçãobásica ............................
Otransformadorelevador....................... 99
99o transformadorabaixador . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oefeitosobreacorrente ........................ 100
1024.2 Oretificadordemeiaonda.......................
Período.................................. 103
104Valor ccou valor médio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
Aproximações..............................
O retificador de onda completa com tomada central (centertrap) .
104
105
Ovalorccoumédio................. . . . . . . 107
107
4.4
4.5
Afreqüênciadesaída..........................
O retificador de onda completa em ponte. . . . . . . . . . . . . . 109
111Ofiltrocomcapacitor .........................
Filtrandoosinaldemeiaonda .................... 112
113Filtrandoosinaldeondacompleta. . . . . . . . . . . . . . . . . .
O breve tempo de condução do diodo . . . . . . . . . . . . . . . . 113
113Umafórmulaimportante .......................
Atensãocc...................... 114
115
. . . . . .
4.6
4.7
Uma regra básica ............................
O cálculo de outros valores. . . . . . . . . . 117
119
. . . . . . . .
Acorrentedesurto ...........................
!
",,'
~
Sumário
4.8
4.9
Verificaçãode defeitos (manutenção). . . . . . . . . . . . . . . . .
Interpretação da folha de dados. . . . . . . . . .
. . . . . .
Tópicosopcionais ...............................
4.10 Fusíveis.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11 Transformadores reais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12 Regrasparaoprojeto..........................
4.13 Acorrentedesurto .......................
Capacitar de alto valor significa corrente de surto prolongada. .
A folha de dados .......... . . . . . . . . . . . . . .
Sugestões para projetos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14 Filtros re ele ..............................
Ofiltrore..................................
Ofiltrole.................................
4.15 Os multiplicadores de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O dobrador de tensão de meia onda. . . . . . . . . . . . . . . . .
O dobrador de tensão de onda completa. . . . . . . . . . . . . . .
O triplicador de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . .
O quadriplicador de tensão . . . . . . . . . . . . . .
4.16 Olimitador(ceifador) .........................
Olimitadorpositivo ..................
Olimitadorpolarizado .
Variações.................................
4.17 O grampeador ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ogrampeadorpositivo.........................
Ogrampeadornegativo ........................
4.18 O detectar de pico a pico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19 Oretomoee ...............................
xv
119
122
123
123
124
125
125
126
126
126
127
127
127
128
129
130
130
131
131
132
132
133
134
135
135
136
137
XVI Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
Tiposdeacoplamento .....................
O circuito desbalanceado pelo diodo . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oretornocc ...............................
Apoio aos estudos. . . . . . . . . . . . . . .
Resumo.............. . . . . . . . . . . . .
Equações importantes. . . . . . . . . . . . . . . . .
Atividades para o estudante """""""""'"
Questões.................................
Problemas básicos........................
Problemas avançados..........................
Problemas de verificação de defeito com o dispositivo. . . . . .
Capítulo5 DiodosparaAplicaçõesEspeciais. . . . . . . . . . . . . .
5.1 OdiodoZener . . . . . . . . . . . . .
GráficoÍ-v................... . . . . .
AresistênciaZener ...........................
Oreguladorzener........................
Aplicando novamente a lei deOhm . . . . . . . . . . . . .
Odiodoideal..............................
5.2
Segunda aproximação """""""""""'"
OreguladorZenercomcarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A operação na região de ruptura. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A corrente em série ...........................
Acorrentenacarga......................
A corrente no Zener. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A ondulação no resistor de carga. . . . . . . . . . . . . .
O coeficiente de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Dispositivos optoeletrônicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
138
139
141
141
142
143
143
145
147
147
149
150
150
151
151
152
152
152
154
154
155
155
156
156
158
162
....
Sumário
o diodo emissor de luz . . . . . . . . . . . . . . . .
AtensãoeacorrentenoLED .....................
o indicador de sete segmentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ofotodiodo ,..................
o acoplador ótico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
5.5
OdiodoSchottky............................
Ovaractor................................
5.6
5.7
Osvasistores.......................
A interpretação da folha de dados dos diodos Zener. . . . . . . .
A potência de dissipação máxima do diodo Zener . . . . . . . . .
A corrente máxima no diodo Zener. . . . . . . . . . . . . .
AtolerâncianatensãoZener .....................
AresistênciaZener .......................
5.8
O fator de degradação ,....
Verificação de defeitos ;..............
Tópicosopcionais ,..............
5.9 Asretasdecarga ............................
,..
5.10 A segunda aproximação. . . . . . . . . . . . .
5.11 A ondulação. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
5.12 O ponto de saída do regulador Zener ................
5.13 AregraparaoprojetodoLED.....................
5.14 O tempo de recuperação reversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.15 OdiodoSchottky............................
5.16 Características do varactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.17 Outrosdiodos..............................
Os diodos de corrente constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Os diodos de recuperação em degrau. . . . . . . . . . . . . . . .
XVII
161
161
162
162
163
165
166
167
167
168
168
169
169
170
170
173
173
175
176
178
179
180
182
182
183
184
184
Eletrônica - 4a Edição - Volume 1
Os diodos de retaguarda (backdiodes). . . . . . . . . . . . . . . . .
Osdiodostúneis ............................
Apoio aos estudos. . .
Resumo. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equações importantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Atividades para o estudante .........................
Questões.................................
Problemas básicos............................
Problemas avançados..........................
Problemas usando o dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 TransistoresBipolares.............................
6.1 O transistor não-polarizado. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Osdiodosemissorecoletor ."""""""""'"
6.2
Antes e depois da difusão. . . . . . . . . . .
O transistor polarizado. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
Oselétronsdoemissor.........................
Os elétrons na base ...........................
Oselétronsnocoletor..........................
6.3
6.4
Ascorrentesnotransistor """"""""""'"
AconexãoEC ..............................
6.5
6.6
Acurvadabase .....................
Ascurvasdocoletor ......................
A tensão e a potência do coletar . . . . . . . . . . . .
As três regiões de operação ......................
Outras curvas ..............................
A região de corte .......................
Recapitulação ..........................
184
185
186
186
187
188
188
189
191
192
194
195
196
196
197
197
197
198
199
202
202
204
205
206
206
207
208
.:
J
I
!'"
r
!
I
Sumário XIX
6.7 As aproximações do transistor. . . . . . . . . . . . 209
209Otransistorideal........................
A segunda aproximação 210211
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8
A terceira aproximação. . . . . . . . . . . . . . . . .
A interpretação das folhas de dados do transistor. . . . . . . . . 214
214Os valores nominais da ruptura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A corrente e a potência máxima. 216
216
. . . . . . . . . . . . . . .
Os fatores de degradação .......................
Osdissipadoresdecalor........................ 217
218
6.9
Oganhodecorrente .....................
Verificação de defeitos ......................... 219
221Defeitos comuns. . . . . . . . . . . . . . . . .
O que pensam os técnicos ao verificar defeitos? .. 221
222Atabeladedefeitos...........................
Tópicosopcionais ............................... 223
2236.10 O ponto de vista das bandas de energia. . . . . . . . . . . . . . .
6.11 Alface ....................... 224
225
. . . . . . .
6.12 Arelaçãoentrealfaebeta .......................
6.13 Ascurvasdabase........................ 226
2276.14 As regiões de corte e ruptura .....................
6.15 Aterceiraaproximação..................... 228
2306.16 A resistência de espalhamento da base.
6.17 O modelo de Ebers-Moll . . . . . .
. . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 230
2326.18 Exemplo da terceira aproximação. . . . . . . . . . . . . . .
6.19 Aconexão em base comum. . . . . . . . . . . . . 234
236
. . . . .
Apoio aos estudos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resumo.................................. 236
xx Eletrônica- 4"Edição - Volume 1
Equaçõesimportantes .........................
Atividadesparaoestudante .........................
Questões.................................
Problemas básicos........................
Problemasavançados......................
Problemas usando o verificador de defeitos. . . . . . . . . . . . .
237
238.
238
240
242
242
Capítulo7 FundamentosdeTransistores.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
--
7.1
7.2
As variações no ganho de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aretadecarga..........................
o ponto de saturação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Opontodecorte """"""""""""""
Opontodeoperação """""""""""""
PlotandoopontoQ.......................
Por que o ponto Q varia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Asfórmulas ...............................
7.4 Aprovadaretadecarga....................
Aprovaexperimental..........................
A prova matemática. . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Identificando a saturação .......................
Redução ao absurdo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Outro método. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O ganho de corrente na região de saturação é menor. . .
A saturação forte ........................
Identificando a saturação forte de imediato. . . . . . . . . . . . .
7.6
7.7
O transistor como chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A polarização do emissor .......................
Aidéiabásica ............ . . . . . .
244
245
246
247
248
249
250
251
252
252
253
253
254
254
255
256
256
258
259
261
261
Sumário XXI
CalculandoopontoQ ......................... 262
263o circuito é imune às variações no ganho de corrente. . .
Menor efeito do ganho de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.8 AcionadoresdeLED ,...............
264
266
o acionador de LEDcom polarização da base. . . . . . . . . . .
O acionador de LEDcom polarização do emissor. . . . . . . . .
266
267
7.9 O efeito das pequenas variações. . . . . . . . . . . 269
2707.10 Verificação de defeitos .........................
O teste do transistor no circuito . . . . . . . . . . . .
270
271
O teste com o transistor fora do circuito. . . . . . . . . . . . . . .
Uma tabela de defeitos . 272
273Tópicosopcionais ,..........................
7.11 Mais informações sobre a reta de carga. . . . . . . . . . . . . . .
Osinterceptos ,....
273
273
Os pontos exatos de corte e saturação. . . . . . . . . . . . . . . .
A compliance ou compliância . . . . . . . . . . . . . . . . .
274
276
7.12 Mais informações sobre o transistor como chave. . . . . . . . . .
A corrente da base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
276
276
Aregraparaprojeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
278Umexemplo...............................
7.13 O transistor como fonte de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . .
A corrente do emissor. . . . . . . . . . . . . . . . .
279
279
Acorrente do emissor é fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
281O conceito de amarração (bootstrap) ...,.............
Fonte de tensão versusfonte de corrente. . . . . . . . . . . . . . . 281
2827.14 Mais informações sobre dispositivos optoeletrônicos .......
A idéia básica sobre um fototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Eletrônica - 4g Edição - Volume 1XXII
o acoplador ótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
283
283
Fototransitor versus fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umexemplo...............................
Apoio aos estudos ...............................
284
286
Resumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
287Equaçõesimportantes ,...............
Atividades para o estudante .........................
Questões............... . . . . . . . . . . . . . .
288
288
Problemas não-usuais .........................
290
294
Problemas básicos............................
Problemas avançados.......................... 294
295Problemas com o dispositivo de análise variacional . . . . . . . .
Capítulo 8 Circuitos de Polarização do Transistor. . . . . . . . . . . . . . . 297
8.1 A polarização por divisor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . .
Odivisordetensão...........................
298
298
8.2
Osistemacomfontesimples .,...................
A análise da polarização pordivisor de tensão (PDT) . . . . . . .
299
299
Asuposição ...............................
Até que valor pode ser considerado pequeno para a corrente da
base? ...................................
300
A tensão e a corrente no emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
301
302
A tensão no coletor e a tensão coletor-emissor . . . . . . . 302
303Testandoasuposição..........................
Um divisor de tensão estável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o pontoQ é imune às variações no ganho de corrente. . . . . . .
Resumodo processoe das fórmulas. . . . . . . . . . . . . . . . .
303
304
8.3 A reta de carga e o ponto Q para o circuito PDT . . . . . . .
304
306
(
~'
I
I
I
',:;;
.
'\
,'-
1
I
Sumário XXIII
OpontoQ ............................ 306
308o ponto Q no centro da reta de carga. . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Apolarização do emissor com fonte simétrica. . . . . . . . . . . . 309
309Aanálise.......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Uma análise mais precisa 311
312
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5 Ostransistorespnp ...........................
Asprincipaisidéias........................... 313
314A fonte de alimentação negativa. . . . . . . . . . . . . . .
A fonte de alimentação positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
3168.6 Outrostiposdepolariiação . . .'...................
A polarização por realimentação do emissor. . . . . . . . . . . . 318
319A análise da polarização por realimentação do emissor. . . . . .
A polarização por realimentação do coletor . . . . . . . . . . . . . 320
321A polarização com realimentação do coletor e do emissor. . . . .
A polarização por divisor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . 323
3238.7 Verificação de defeitos .........................
Aanálise................. 324
325
. . . . . . . . . . . .
Os defeitos mais comuns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tópicos opcionais ........ 326
326
. . . . . . . . . . . . . . .
8.8 Mais informações sobre a polarização por divisor de tensão. . .
A corrente do emissor. . . . . . . . . . . . . . 326
327
. . . . . . .
O divisor de tensão estável. . . . . . . . . . . . . .
Odivisordetensãofirme.................. 329
329
8.9
Asregrasdeprojeto...........................
Polarização por realimentação do emissor. . . . . . . . . . . . . . 331
3338.10 Polarização por realimentação do coleto r . . . . . .
8.11 Polarização do emissor com fonte simétrica. . . . . . . . . . . . . 335
I
XXIV Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
Apoio aos estudos ...............................
Resumo..................................
Equaçõesimportantes .........................
Atividades para o estudante .........................
Questões....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problemasbásicos............................
Problemas extras ............................
Problemasavançados..........................
Problemas com o dispositivo verificador de defeitos. . . . . . . .
Capítulo9 OsModelosparaCA .............................
9.1 Ocapacitordeacoplamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O circuito aberto em cce fechado em ca . . . . . . . . . . . . . . .
Afunção do capacitar de acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . .
Afreqüênciacrítica...........................
9.2
A freqüência crítica e a alta freqüência de quina. . . . . . . . . .
O capacitar de desvio (bypass). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aaltafreqüênciadequina .
Oterraparaca..............................
9.3 O teorema da superposição nos amplificadores. . . . . . . . . . .
Os circuitos equivalentes cce ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A idéia básica ..........................
Aanálisecc................................
Aanáliseca............................
9.4 A operação em pequeno sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O movimento do ponto de operação instantâneo. . . . . . . . . .
Adistorção................................
A redução da distorção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
337
337
338
338
338
341
343
343
344
346
347
347
347
348
349
351
351
352
353
353
355
356
357
359
359
360
361
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,
,-
I.',
'li
1
Sumário xxv
9.5
AregradoslO%.............................
A resistência cado diodo emissor. . . . . . . . . . . . . .
Aresistênciacc..........................
A resistência ca . . . . . . . . . . . . .
A fórmula para a resistência cado emissor. . . . . . . . . . . . .
9.6 Obetaca.............................
o cálculo da resistência cado emissor. . . . . . . . . . . .
Oganhodecorrentecc.........................
O ganho de corrente ca . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7 O amplificador EC ........ . . . . . . . . . . .
Oacoplamentodaentrada. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ainversãodafase.......................
O capacitor de saída bloqueia a tensão cc . . . . . . . . . .
Nãohátensãocanoemissor. . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8
Não há tensão cana fonte de alimentação. . . . . . . . . . . . . .
O modelo capara um amplificador EC . . . . . . . .
A impedância de entrada da base. . . . . . . . . . .
OmodeloT ........ . . . . . .
O modelo II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9
A impedância de entrada do estágio. . . . . . . . . . . . .
Os parâmetros cada folha de dados. . . . . . . . . . . . . . . . .
Tópicosopcionais ................
9.10 Mais informações sobre capacitores ......
. . . . . . .
. . . . . . .
9.11 Mais informações sobre a resistência ca do emissor. . . .
9.12 O significado dos parâmetros H. . . . . . . . . . . . . . . .
Aimpedância de entrada, hie .....................
Oganhodecorrente,hje ....................
362
362
363
364
365
366
367
367
368
369
369
369
370
370
371
371
. . . . .
371
372
373
374
374
378
378
379
380
380
382
XXVI Eletrônica - 4BEdição - Volume 1
o ganho de tensão reverso, hre ................
Aadmitânciadesaída,hoe .......................
A medição dos parâmetros H . . . . . . . . . . . . .
Apoio aos estudos ...........................
Resumo.........................
Equaçõesimportantes .....................
Atividades para o estudante .....................
Questões........................
Problemas básicos........................
Problemas extras ...................
Problemas avançados. . . . . . . . . . . . .
Problemas de análise variacional . . . . . . . . . . . . . . .
Capítulo10AmplificadoresdeTensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Aspartesprincipaisde um amplificadorEC ........
Aoperaçãobásica............................
Os valores importantes cc . . . . . . . . . . . . . .
OcalcanhardeAquiles.....................
A notação com letras minúsculas para os valores ca
Os valores rms e de pico a pico. . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 O ganho de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calculando a tensão de entrada. . . . . . . . . . . .
O cálculo da tensão ca no coletor . . . . . .
Um outro modo de calcular a tensão cano coletor . . . . . . . . .
O cálculo do ganho de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Estabelecendo o ganho de tensão. . . . . . . . . . . . . . .
De onde vem essa fórmula? . . . . . . .-. . . . .
O ganho de tensão medido versus o ganho de tensão projetado
382
383
383
384
. . . . . 384
385
. . . . .
386
386
. . . . .
388
390
. . . . . 391
393
395
396
396
397
398
399
399
401
. . . . .
401
402
403
404
. . . . . .
406
408
409
Ir
I
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I
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I
Sumário XXVII
10.4 Umaanálisesimplificada .......................
O resultado do método preciso. . . . . . . . . . .
411
411. . . . .
Ométododo técnicoemmanutenção. . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Oamplificadorcomrealimentaçãoparcial. . . . . . . . . . . . .
411
413
As variações podem ser aceitáveis. . . . . . . . . . . . . . . . . .
A realimentação cado emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
413
413
A fórmula para o ganho de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Trocando ganho por estabilidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
415
416
Um recurso para a verificação de defeitos. . . . . . . . . . . . . .
A impedância de entrada da base. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
417
418
Menor distorção com grandes sinais. . . . . . . . . . . . . . . . . 418
41910.6 Estágiosemcascata.......................
O efeito de carga do segundo estágio. . . . . . . 420
421
. . . . . .
Aanálisedo primeiroestágio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aanálisedo segundoestágio. . . . . . . . . . . . . . . . 422
423O valor desconhecido de t3 . . . . . . . . . . . . . . .
Oganhodetensãototal...................
Oprocesso......................
423
424. . . . . .
10.7 Verificação de defeitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
430Tópicosopcionais ............... . . . . . . . . . . . .
10.8 Aimpedânciadesaída.........................
10.9 Mais informações sobre a realimentação negativa. . . . . . . . .
430
432
10.10 Os estágios em cascata: o método de Thevenin . . . . . . .
10.11 Os parâmetros H . . . . . . . . . .
433
436. . . . . . . . . .
As-fórmulas ............................... 436
436As variações nos parâmetros H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.12 O amplificador em base comum. . . . . . . . . . . . . . . 437
XXVIII Eletrônica ~ 4g Edição - Volume 1
Apoio aos estudos. . . . . . . . . . . . . . .
Resumo..................................
Equaçõesimportantes ....................
Atividades para o estudante .....................
Questões.............................
Problemas básicos........................
Problemasavançados..........................
Problemas para verificação de defeitos. . . . . . . . . . . . . . . .
Capítulo11AmplificadoresdePotência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Aretadecargaca ............................
OpontoQ ................................
Diferentes resistências ca e cc para o coletor . . . . . . . . .
A saturação e o corte ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Asequações ...............................
11.2 Os limites da excursão do sinal. . . . . . . . . . . .
O ceifamento em IcQ rc . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .
OpontoQótimo ........................
Como posicionar o ponto Qótimo. . . . . . . . . . . . . .
Pontos importantes que devem ser lembrados. . . . . . .
11.3 Aoperação em classeA ....................
Oganhodepotência ..........................
A potência da carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A potência dissipada no transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Odrenodecorrente......................
Aeficiência................................
11.4 Apotência nominal do transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A temperatura ambiente. . . . . . . . . . .
441
441
442
443
443
445
448
448
450
451
451
452
452
453
453
454
455
456
458
461
461
461
463
464
464
467
. . . . . 467
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1
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Sumário XXIX
O fator de degradação "",.,......... 468
469
. . . . .
Osdissipadoresdecalor........................
A temperatura do encapsulamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
472Tópicosopcionais ...........................
11.5 O corte e a saturação em ca ...... 472
473
. . . . . . . .
11.6 Acompliânciacadesaída ,.
Acompliância cade saída máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
47711.7 Mais informações sobre a classe A . . . . . . . . . .
O ganho de tensão .......................
O ganho de corrente. . . . . .
477
478. . . . . . . . . . . . . . . .
O ganho de potência ..........................
Apotênciadacarga...........................
478
479
A potência camáxima na carga 480
480
. . . . . . . . . . . . . . . .
A dissipação de potência no transistor. . . . . . . . . . . . . . . .
11.8 Aresistênciatérmica .......................... 481
484Apoio aos estudos .......................
Resumo.................................. 484
484Equaçõesimportantes .........................
Atividades para o estudante ,. 486
486Questões............... . . . . . . . . . . . . . .
Problemas básicos. . . . . . . . 488
489
. . . . . . . . . . . . . . . .
Problemas extras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problemasavançados..........................
Problemas utilizando o dispositivo de análise variacional. . . . .
490
491
Capítulo 12 Seguidor de Emissor .........................
12.1 Amplificador CC . . . . . . . . . . . .
494
495
495
. . . . . . . . . . . .
Realimentação negativa. . . . .. . . . . . . . . . . . . . .
xxx Eletrônica- 4a Edição - Volume 1
Bloqueio da tensão cc pelo capacitor de saída. . .
Semtensãocanocoletor .
12.2 Modelo ca de um amplificador CC . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impedância de entrada da base. . . . . . . . . . . . . . . .
Outro circuito equivalente ca . . . . . . .
Impedância de entrada do estágio. . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Oganhodetensão ...........................
Calculando a tensão cano emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Uma outra forma de encontrar a tensão cano emissor. . . . . . .
Calculando o ganho de tensão. . . . . . . . . . .
Projetando o ganho de tensão. . . . . . .
Aspectos importantes do seguidor de emissor. . . . . . .
12.4 A saída máxima não-ceifada. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oslimites.............................
Ceifamento ICQTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Melhor posição do ponto Q . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Como situar a melhor posição do ponto Q .............
12.5 Conexão em cascata de amplificadores EC e CC . . . . . . . . . .
12.6 TransistorDarlington . . . . . . . . . . . . . .
12.7 OperaçãoclasseB...................
Circuitopush-pull............................
Reta de carga cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Retadecargaca .............................
Análiseca........................
Funcionamento completo. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Distorção de cruzamento. . . . . . . . . . . . . . .
12.8 Fórmulas de potência para classe B . . . . . . . . . . . . . .
496
496
496
497
498
499
501
501
502
503
503
505
506
507
508
508
509
512
515
. . . . . 516
516
517
517
518
519
519
520
Sumário XXXI
Potêncianacarga ............................
Dissipação de potência no transistor. . . . . . . . . . . . .
Drenodecorrente............................
Eficiênciado estágio ..........................
12.9 Polarização de amplificadores classeB . . . . . . . . . . . .
Polarização com divisor de tensão. . . . . . . . . . . . . .
Polarizaçãopordiodo .....................
12.10 O acionador declasseB ...................
Um amplificador completo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tópicosopcionais .................... . . . . . .
12.11 Impedânciadesaída .....................
12.12 Melhoria da regulagem de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Apoioaosestudos ...............................
Resumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equações importantes. . . . . . . . . . . . . .
Atividades para o estudante. .
. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Questões.................................
Problemasbásicos.......................
Problemas avançados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problemas utilizando o dispositivo verificador de defeitos
Capítulo13TransistoresdeEfeitodeCampo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 OJFET ........................
13.2 OJFETpolarizado ...........................
Corrente deporta............................
Efeitodecampo............... . . . . . .
Como ele funciona ...........................
Opreço..................................
520
521
522
523
525
525
526
527
529
533
533
535
538
538
539
540
540
542
545
546
548
549
550
551
552
552
553
XXXII Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
--
Símboloesquemático..........................
13.3 Curvasdedreno........................
Corrente de dreno máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tensões de conscrição ou estrangulamento (pinchaf!)e de corte
daporta .................................
Aregiãoôhmica .
13.4 A curva de transcondutância .....................
13.5 AproximaçõesparaolFET.......................
OJFETideal...............................
Tensão de constrição proporcional . . . . . . . . . . . . . .
Analisando circuitos com JFET . . . . . . . . . . . . . . .
Reduçãoaoabsurdo ......................
13.6 O MOSFET de modo depleção ...............
A idéia básica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gráfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Símboloesquemático......................
13.7 O MOSFETde modo crescimento ou intensificação. . . . . . . .
A idéia básica ..............................
Gráficos e fórmulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Símboloesquemático..........................
A tensão porta-fonte máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuitos equivalentes .........................
13.8 Interpretação das folhas de dados . . . . . . . . . . . . . .
Especificaçõesde ruptura. . . . . . . . . . . . . . . . . .
IDSSeVGs(off).........................
Folha de dados para o modo intensificação. . . . . . . . . . . . .
Tópicosopcionais ...............................
553
554
555
556
557
557
560
560
562
563
564
567
568
569
570
573
573
574
576
576
577
580
581
582
582
583
1
I
Sumário
13.9 Outros tipos de saturação. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XXXIII
583
584
585
587
587
588
589
589
591
594'
595
597
598
598
599
601
601
603
605
607
608
609
610
611
613
613
618
13.10 A derivação matemática """"""""""""
13.11 Outras informações sobre as curvas de dreno. . . . . . . . . . . .
Apoio aos estudos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equaçõesimportantes .........................
Atividades para o estudante """""""""""'"
Questões.................................
Problemasbásicos . . . . . . . . .
Problemasavançados..........................
Problemas utilizando o dispositivo de análise variacional .
Capítulo14CircuitoscornFET...........................
14.1 A autopolarização de JFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarização de transistor bipolar e de JFET . . . . . . . . . . . . .
Aidéiabásica """""""""'"
14.2 Solução gráfica para a autopolarização .. . . . . . . . . .
Desenhando a reta de autopolarização . . . . . . . . . . . . . . . .
Selecionando o resistor de fonte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Solução com a curva universal do JFET . . . . . . . . . . . . . . .
14.4 Atranscondutância...........................
Modelo ideal ca para JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A transcondutância e a tensão de corte porta-fonte. . . . . . . . .
Transcondutância de um bipolar . . . . . . . . . . . . . . .
14.5 AmplificadoresJFET """"""""""""'"
Ganhodetensão .................. . . . . . .
Atalhos do transistor bipolar para o JFET . . . . . . . . .
14.6 AchaveanalógicacomJFET......................
XXXIV Eletrônica - 4GEdição - Volume 1
.--.
14.7 Amplificadores MOSFETde modo depleção . . . . . . . . . . . .
14.8 Aplicações do MOSFETde modo intensificação. . . . . . . . . .
620
623
Chaveamento de carga passiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chaveamento de carga ativa.
623
624. . . . . . . . . . . . . . . . .
InversorCMOS ........................ 627
628Transistores VMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.9 Outras polarizações para o ]FET ...............
Polarização por divisor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
629
630
Polarização de fonte .......................... 631
631Polarização por fonte de corrente. . . . . . . . . . . . . . .
Tópicosopcionais .......................... 632
63214.10 Impedância de saída do seguidor de fonte. . . . . . . . . . . . .
14.11 Outras aplicações para o FET 634
634
. . . . . . . . . . . . . . . .
Multiplexação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Choppers]FET(conversorcc-cccom]FET) . . . . . . . . . . . . . .
Amplificador reforçador (buffer) ...................
634
636
Amplificador debaixo ruído ..................... 637
637Resistência variável com a tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controle automático de ganho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Amplificadorcascode .........................
639
640
Limitaçãodecorrente..........................
Amplificador de amostragem e retenção. . . . . . . . . . . . . . .
641
642
MOSFETsde modo intensificaçãode potência. . . . . . . . . . .
Apoioaosestudos ...............................
643
645
Resumo.................................. 645
646Equaçõesimportantes .........................
Atividades para o estudante. . . . . . . . . . 647. . . . . . .
\
I
J
I
)
Sumário
Questões.................................
Problemasbásicos............................
Problemas de verificação de defeitos. . . . . . . .
Problemasavançados..........................
Problemas utilizando o dispositivo verificador de defeitos
Capítulo 15 Tiristores ....................................
15.1 O diodo de quatro camadas
Realimentação positiva.
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xxxv
647
649
652
652
654
656
657
657
658
659
660
661
664
664
665
665
665
666
667
672
672
673
673
676
676
677
680
Fechandoumatrava .................
Abrindoumatrava...........................
OdiodoShockley............................
Características da avalanche direta. . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 O retificador controlador de silício. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disparopelaporta ...........................
Tensãodebloqueio ...................
Altas correntes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Taxacríticadeelevação..........................
Corrente de disparo e tensão de disparo.
. . . . . . . . . .
SCRalavanca(crowbar).........................
15.3 AsvariaçõesdeSCR ..........................
Foto-SRC.............................
Chave controlada pela porta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chave controlada de silício . . . . . . . . .
15.4 Tiristoresbidirecionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Triac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5 Otransistordeunijunção .......................
XXXVI Eletrônica - 4gEdição - Volume 1
Apêndice
Glossário
Razão intrínseca de afastamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ComofuncionaoUJT..........................
Circuito equivalente de travamento """""""'"
15.6 Verificação de defeitos .....................
Tópicosopcionais ...............................
15.7 Mais aplicações para o tiristor . . . . . . . . . . . . .
Detector de sobretensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
680
681
682
684
685
685
685
686
686
688
689
689
690
690
691
692
693
693
693
693
696
699
700
702
707
Respostasaos ProblemasdeNúmerosÍmparesEscolhidos. . . . . . . . . . . . . .
ÍndiceAnalítico ........................................
Geradordeondadentedeserra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SCRalavanca ................
Oscilador de relaxação comUJT ...................
Igniçãodeautomóvel .
Controle com acoplador ótico ou optoacoplador . . . . . . . . . .
SCRdisparadopordiac ........................
SCRdisparadoporU]T ........................
Controle em onda completa......................
SCR controlado por microprocessador . . . . . . . . . . . . . . . .
Apoioaosestudos ...........................
Resumo..................................
Atividadespara o estudante. . . . . . . . . . . . . . . .
Questões.................................
Problemas básicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
728
736
Problemasavançados..........................
Problemas utilizando o dispositivo verificador de defeitos. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sumário XXXVII
VOLUME 2
Capítulo16 Efeitosde Freqüência. . . . . . . . . . . . . 1
84
133
174
229
290
345
409
467
Capítulo17TeoriadoAmpOp...............................
Capítulo 18 MaisTeoriasobreAmpOp..........................
Capítulo 19 Amp Op com Realimentação Negativa.
Capítulo 20 Circuitos Lineares com Amp Op .....
. . . . . . . . . .
. . . . .
Capítulo 21 Circuitos Não-Lineares com Amp Op ...................
Capítulo220sciladores...................................
Capítulo23FontesdeAlimentaçãoReguladas. . . . . . . . . . . . . . . . .
Capítulo24 CircuitosdeComunicação.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J
~
4
r
~
,
PREFACIO +
\
r
A maior dificuldade ao escrever este livro foi decidir o que não deveria ser incluído.
Essa decisão foi mais importante que qualquer outra coisa. Por quê? Porque muitos
livros de eletrônica em uso atualmente falam sobre tópicos que já estão obsoletos há
anos. Dissertar sobre tópicos obsoletos é uma perda de tempo e de esforço. Pior ainda,
eles usam espaço nos livros que impede uma dissertação completa de tópicos que
realmente importam. Portanto, minha primeira prioridade ao escrever este livro foi
excluir tópicos fora de uso.
Outra dificuldade que encontrei foi a tentação de tomar o caminho mais fácil.
O caminho mais fácil para um autor é mostrar circuitos, seguidos por exemplos de
como ligar números a fórmulas. Eu decidi contra esse método, porque ele produz
pessoas graduadas que não funcionam sem fórmulas. Não é esse o tipo de pessoa que
a indústria está procurando. As modernas companhias buscam elementos que possam
pensar lógica e criativamente sobre os problemas encontrados num trabalho técnico.
Logo, minha segunda prioridade ao escrever este livro foi discorrer mais sobre os
princípios que sobre as fórmulas.
~
Dividi os assuntos em tópicos básicos e opcionais. Os básicos incluem tudo o
que é essencial para a compreensão do assunto. São tratados em profundidade, porque
sãoo âmago de cada capítulo. São os princípios fundamentais da eletrônica. Eu uso
mais lógica do que matemática quando trato desses tópicos. Próximo do final de cada
capítulo, você encontrará alguns tópicos opcionais. Eles continuam o tratamento num
nível mais especializado e mais avançado. Esses tópicos dirigem-se aos instrutores e
estudantes que desejam dar um tratamento adicional a certas áreas. Eu uso mais
matemática que lógica quando trato dos tópicos opcionais.
XXXIX
XL Eletrônica- 4g Edição - Volume 1
Quando era estudante, eu apreciava os apoios aos estudos no final de cada
capítulo, porque eles me davam a chance de perceber o que havia aprendido. Esta
edição contém vários auxílios aos estudos, incluindo resumos, equações importantes,
questões de múltipla escolha e problemas para casa. Alguns capítulos incluem um "Soft-
ware EngineTM", que pode ser entendido como uma" análise variacional", e um
"T-shooterTM", que pode ser visto como" dispositivo verificador de falhas". Eles são
versões de programas de computador que podem ser utilizados com este livro. O
programa de análise permite que você pratique o pensamento variacional (descrito em
outra parte) e o verificador de defeitos possibilita-lhe fazer as verificações básicas dos
circuitos.
Este livro destina-se àquele estudante que está fazendo seu primeiro curso de
eletrônica linear. Os pré-requisitos são cursos de cc-ca,álgebra e trigonometria. Em
muitas escolas é possível fazer os cursos de trigonometria e ca ao mesmo tempo.
Einstein disse certa vez: "Torne as coisas o mais simples possível, mas não
simplórias". Sem dúvida, ele estava pensando nos autores de livros. Muitos autores se
desviam de seus assuntos, tornando as coisas as mais difíceis possíveis. Outros simpli-
ficam demasiadamente o assunto, dando-lhe um tratamento muito superficial. Apenas
alguns livros encontram a linha estreita que separa informar de desperdiçar o tempo
do leitor ou da leitora. Acredito que esse é um desses raros livros com o toque certo.
Espero que você aprecie sua leitura assim como eu apreciei escrevê-Io.
r
.~'I
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
+
1
Um dos pré-requisitos para a leitura deste livro é um curso de teoria de circuitos cc
em que as leis de Ohm, Kirchhoff e outros teoremas de circuitos são discutidos. Este
primeiro capítulo revê alguns conceitos básicos necessários ao entendimento da
eletrônica.
Após oestudodestecapítulo vocêdeverásercapazde:
~ Definir uma fonte de tensão ideal e uma fonte de corrente ideal.
~ Mostrar como identificar uma fonte de tensão quase ideal e uma fonte de
corrente quase ideal.
r
~ Declarar como usar o teorema de Thevenin para substituir um circuito,
tendo um resistor de carga, e como usar o teorema de Norton para
substituir o mesmo circuito.
~ Citar dois fatos sobre um componente aberto e dois fatos sobre um
componente em curto.
~ Explicar por que as aproximações são sempre usadas em vez das fórmu-
las exatas.
1
2 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.l
1.1 FONTESDETENSÃO
Para qualquer circuito eletrônico funcionar, deve haver uma fonte de energia. Uma
fonte de energia pode ser uma fonte de tensão ou uma fonte de corrente.
FontedeTensãoIdeal
Uma fonte de tensão perfeita ou idealproduz uma tensão de saída constante. O
exemplo mais simples de uma fonte de tensão ideal é uma bateria perfeita, aquela que
tem resistência interna zero. A Figura 1.1 mostra uma resistência de carga ajustável
(reostato). A fonte de tensão ideal produzirá sempre 12 V na resistência de carga,
independentemente do valor ajustado. Portanto, a tensão na carga é constante; apenas
a corrente na carga muda.
12vo"'
Figura1.1 Fonte de tensão.
FontedeTensãoReal
Uma fonte de tensão ideal existe apenas como um dispositivo teórico. Não é difícil
perceber por quê. Suponha que a resistência de carga da Figura 1.1se aproxime de zero;
então, a corrente na carga iria aproximar-se do infinito. Não existe uma fonte de tensão
real capaz de produzir uma corrente infinita, pois toda fonte real possui alguma
resistência interna.
Por exemplo, uma pilha de lanterna tem uma resistência interna menor que 1
Q, uma bateria de carro tem uma resistência interna menor que 0,1 Q e uma fonte de
tensão eletrônica pode ter uma resistência interna menor que 0,01Q.
A corrente de carga circula também pela resistência interna da fonte de
tensão. Por isso, alguma queda de tensão deve ocorrer na resistência interna da fonte
de tensão. Isso significa que a tensão na carga é sempre menor que a tensão ideal.
Quando a resistência da carga é grande, comparada com a resistência da fonte, a tensão
na resistência da fonte é tão pequena que mal a observamos.
Cap.l Introdução 3
FontedeTensãoQuaseIdeal
Neste livro, desprezaremos a resistência da fonte quando ela for menor que 100 vezes
a resistência de carga:
Rs < O,OIRL (1.1)
Rs
O,O6Q
12vD~
Figura1.2 Corrente na carga.
Qualquer fonte que satisfaçaessa condiçãoé chamadafontedetensãoquaseideal.
Por exemplo, a resistência na Figura 1.2é ajustável. Sobre que faixa de valores
de resistência de carga a tensão da fonte é considerada quase ideal? Multiplique por
100 para obter
....N
RL = 100(0,06 Q) = 6 Q
Enquanto a resistência de carga for maior que 6 Q, podemos ignorar a resistência
interna de 0,06Q nos cálculos da tensão e corrente na carga.
1- Exemplo1.1
da
~
Solução
Multiplique p()rl00iPÇl:t1~i'~b~~:íi'
Enquanto aresistênCÍ<;t
ideaJ,.Isso
tensão
{
4 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.l
1.2 FONTESDECORRENTE
Uma fonte de tensão tem uma resistência muito pequena. Uma fonte de corrente é
diferente; ela possui uma resistência interna muito alta. Além disso, uma fonte de
corrente produz uma corrente de saída que não depende do valor da resistência de
carga.
o exemplo mais simples de uma fonte de corrente é a combinação de uma
bateria com uma resistência interna muito alta, conforme mostrado na Figura 1.3a.
Nesse circuito, a corrente na carga é
Vs
h = Rs + RL
(1.2)
Como Rs é igual a 10 MQ, resistências de cargas com pequenos valores quase não
afetam a corrente de carga. Por exemplo, quando RLfor igual a 10 kQ, a corrente na
carga será de
12V
h = 10 MQ + 10 kQ
12V
10,01 MQ = 1,2 [tA
Rs
10MQ h
+
12V~Vs
PONTO DE 99 %
1,2 !-tA
RL I
REGIÃOQUASE--J
IDEAL I
100 kQ
RL
(a) (b)
Figura 1.3 Fonte de corrente.
A Figura 1.3bmostra um gráfico da corrente de carga versus resistência de
carga. Como você vê, a corrente na carga é aproximadamente constante. Quando a
resistência de carga for igual a 100 kQ, a corrente na carga será 99%0 do valor ideal.
Para futuras discussões, uma fonte de correntequase idealé aquela em que a resistência
interna é pelo menos 100 vezes maior que a resistência de carga:
Rs > 1O0RL (1.3)
Cap.l Introdução 5
Isso é exatamente o oposto da condição para uma fonte de tensão quase ideal. Uma
fonte de corrente funciona melhor quando tem resistência interna muito alta, enquanto
uma fonte de tensão funciona melhor quando tem resistência interna muito baixa.
O teorema de Norton usa o símbolo da Figura 1.4apara uma fonte de corrente
ideal, aquela cuja resistência interna é infinita. Um dispositivo desse tipo produz uma
corrente 1s,constante. A resistência interna de uma fonte de corrente real está em
paralelo com a fonte de corrente ideal, conforme mostra a Figura 1.4b.
A corrente I
e 100kQ. Enqua
resistência intem
carga
o vàlor
Exemplo1~
A Figura
ajustável.
Solução
A fonte de
100vezes me
100, obterá O
~'f
Hiiétdecarga entre O
s ignorar a
ideal.
I,-
1,1 l<cEE
2~c2TIR'
(a) (b) (c)
4
Figura 1.4 Símbolo para a fonte de corrente.
6 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.l
1.3 o TEOREMADETHEVENIN
De vez em quando, alguém faz uma grande investida em engenharia e leva todos nós
a um novo nível. M. L. Thevenin causou um desses saltos quânticos ao descobrir um
teorema de circuito hoje chamado teorema de Thevenin.
A IdéiaBásica
Na Figura 1.5a,qual é a corrente na carga para cada um desses valores de R( 1,5,3 e 4,5
kQ? Antes de Thevenin, a solução clássica na engenharia era escrevere resolver quatro
equações de malha de Kirchhoff. Supondo que você saiba como resolver quatro equa-
ções de malha, pode obter a resposta para uma resistência de carga de 1,5 kQ. Depois,
você deverá repetir o processo para 3 e 4,5 kQ.
Quando Thevenin analisava o circuito da Figura 1.5a,ele era capaz de provar
matematicamente que todo o circuito à esquerda dos terminais ABpodia ser substituí-
do por uma bateria simples e um resistor em série, conforme mostrado na Figura l.5b
Na Figura 1.5b,a resistência de carga pode ser de 1,5,3 ou 4,5 kQ. Quando a
resistência de carga for igual a 1,5 kQ, a corrente na carga será
IL = 9 V3kQ = 3mA
De modo idêntico, você pode calcular a corrente de carga de 2 mA para 3 kQ e 1,5mA
para 4,5 kQ. .
2kQ 1kQ 1kQ 500Q A
n Vrn:Fl R,
B
1,5 kQ A
9VUR'
(a) (b)
B
Figura1.5 Aplicação do teorema de Thevenin.
"\'
i~'
..
..
Cap.l Introdução 7
ATensãoe a ResistênciadeThevenin
Lembre-se das seguintes idéias sobre o teorema de Thevenin de cursos anteriores. A
tensão de Thevenin é aquela que aparece nos terminais de carga quando você desco-
necta o resistor de carga. Por causa disso, a tensão de Thevenin é às vezes chamada de
tensão em circuito aberto. A resistência de Thevenin é a resistência vista por trás dos
terminais de carga quando todas as fontes são reduzidas a zero.
A seguir, meça a resistência de Thevenin como segue. Reduza todas as tensões
a zero. Isso significa substituir fisicamente as fontes de tensões por curto-circuitos e
abrir fisicamente o circuito ou retirar todas as fontes de corrente. Uma vez reduzidas
todas as fontes a zero, use um ohmímetro para medir a resistência nos terminais de
carga. Ela é a resistência de Thevenin.
Por exemplo, suponha que você tenha montado a ponte de Wheatstone
desequilibrada mostrada na Figura 1.6a.Para thevenizar o circuito, desconecte a resis-
tência de carga e meça a tensão entre os terminais A e B (os terminais de carga).
Supondo que não haja erro na medição, você obterá 2 V.A seguir, substitua a bateria
por um curto-circuito e meça a resistência entre A e B;você deve obter 4,5 kQ. Agora,
desenhe o circuito equivalente de Thevenin da Figura 1.6b.
4,5kQ A
'\
5kQ 6kQ
:!:L
<RL12 V--=- B 2V--=-
-T
5kQ 3kQ
.
(a) (b) B
Figura1.6 Ponte de Wheatstone.
. .
5kQ 5kQ
6kQ
15 10 A F"
B A B
5kQ 3kQ
5kQ 5kQ-
(a) (b) (c)
Figura 1.7 Calculando a tensão e a resistência de Thevenin.
8 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.l
o
de tensão
produz 6 V
de
2
total
1.4 o TEOREMADENORTON
o teorema deNorton está estreitamente relacionado com o teorema de Thevenin. Dado
um circuito de Thevenin como o mostrado na Figura 1.8a,o teorema deN orton diz que
você pode substituí-Io pelo circuito equivalente da Figura 1.8b.O circuito de Norton
tem uma fonte de corrente ideal em paralelo com a resistência de fonte. Observe que a
fonte de corrente produz um valor fixo de corrente igual a
VTH
IN = RTH
(1.4)
Observe também que a resistência de Norton tem o mesmo valor da resistência de
Thevenin:
RN = RTH (1.5)
D
D
M
~
,li(
....
.~
1\
Cap.l Introdução 9
Acorrente de Norton é às vezes chamada correntedecargaemcurto-circuito,porque ela
é igual à corrente que circularia se a resistência de carga fosse zero. Podemos nos
lembrar facilmente da resistência de Norton porque ela é igual à resistência de Thevenin.
Por exemplo, se a resistência de Thevenin for de 2 kQ, a resistência de Norton será de 2
kQ. A única diferença é que a resistência de Norton aparece em paralelo com a fonte de
corrente, enquanto a resistência de Thevenin aparece em série com a fonte de tensão.
RTH A
~
VTH-=-
-1
A
VTH
RTH
RTH
B
o
B
(a) (b)
Figura 1.8 (a) Circuito de Thevenin; (b) Circuito de Norton.
Exemplo1.4
A Bigura 1.9a
Norton.
circUito de
Solução
1.9b,e
de
Segundo, desenhe'oct
à corrente de carga
resistência de Th
10 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.1
Figura 1.9 Derivação do circuito de Norton a partir do circuito de Thevenin.
1.5 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS
A verificaçãodedefeitossignifica descobrir por que o circuito não está fazendo o que
esperamos que ele faça. Os problemas mais comuns são circuitos abertos e curto-circui-
tos. Dispositivos como transistores podem estar abertos ou em curto de vários modos.
Uma forma de destruir um transistor é excedendo sua potência nominal máxima.
Resistores abrem quando excedemos sua potência de dissipação máxima.
Mas podemos obter um resistor em curto-circuito indiretamente, como segue. Durante
a montagem e a soldagem de uma placa de circuito impresso, um pingo de solda
indesejávelpode conectar duas trilhas próximas. Conhecidocomopontedesolda,isso
curto-circuita efetivamente qualquer dispositivo conectado nessas duas trilhas. Por
outro lado, uma solda malfeita significa que não há conexão. Isso é conhecido como
soldafria, e será entendido como um dispositivo aberto.
I
Além de abertos ou de curto-circuitos, nada é possíveL Por exemplo, se um
resistor for superaquecido, mesmo que temporariamente, ele pode ter seu valor de
resistência alterado permanentemente, numa porcentagem qualquer. Se o valor dessa
resistência for crítico, o circuito pode não funcionar corretamente após esse choque
térmico.
UmDispositivoAberto
Lembre-se sempre desses dois fatos sobre um dispositivo aberto:
. A corrente através de um dispositivo aberto é zero.
. A tensão é indeterminada.
A primeira afirmativa é verdadeira, pois um dispositivo aberto tem uma
resistência infinita. Não pode existir corrente numa resistência infinita. A segunda
afirmativa é verdadeira por causa da lei de Ohm:
2kQ A 2kQ A
lOvO
5mAcffi10V-=-
-T
B
O
(a) (b) (c)
I1
~
"t,
r
II
,
r
I
i
I
Cap,1 Introdução 11
v = IR = (0)(00)
Nessa equação, zero vezes infinito é matematicamente indeterminado. Você deve ter
uma idéia da tensão observando o restante do circuito.
UmDispositivoemCurto-circuito
Um dispositivo curto-circuitado é exatamente o oposto. Lembre-se sempre desses dois
fatos sobre um dispositivo em curto-circuito:
. A tensão no dispositivo é zero.
. A corrente é indeterminada.
A primeira afirmativa é verdadeira porque um dispositivo em curto-circuito
tem uma resistência zero. Não pode haver tensão numa resistência zero. A segunda
afirmativa é verdadeira por causa da lei de Ohm:
v O
I----- R - O
Zero dividido por zero ématematicamente sem significado. Vocêpode ter uma idéia da
corrente observando o restante do circuito.
ATabeladeDefeitos
Normalmente, você mede as tensões em relação ao terra. Com essas medidas e com o
seu conhecimento de eletricidade básica, você geralmente pode deduzir o defeito mais
prováveL Após ter isolado um componente como o principal suspeito, você pode
dessoldá-Io ou desconectá-Io e usar um ohmímetro ou outro instrumento para confir-
mar sua suspeita.
Na Figura 1.10, um divisor de tensão consistindo de RI e Rz alimenta os
resistores R3 e R4em série. Antes de verificar se há defeito nesse circuito, você deve
saber quais são os valores normais de tensão. Portanto, a primeira coisa a fazer é
calcular os valores de VA e VB.O primeiro é a tensão entre o terra e o ponto A. O
segundo é a tensão entre o terra e o ponto B.Pelo fato de RI e Rz serem muito menores
que R3 e R4 (10 Q comparado com 100 kQ), a tensão em A é aproximadamente +6 V.
Além disso, visto que R3e R4 são iguais, a tensão em B é de aproximadamente +3 V.
Quando esse circuito não apresentar defeito, você medirá 6Ventre o terra e o ponto A
e 3 Ventre o terra e o ponto B. Essas duas tensões são os valores da primeira linha da
Tab~la1.1.
12 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.1
+12V
RI
10Q
R3
A B
100 kQ
Rz
10Q
R4
100 Q
c D
- -
Figura1.10 Exemplo de verificação de defeito.
Quando RI for aberto, o que você acha que ocorrerá com as tensões? Como
não pode circular corrente através de RI' não haverá corrente através de R2' A lei de
Ohm diz que a tensão em R2é zero. Portanto, VA =Oe VB = O,conforme mostrado na
Tabela 1.1 para RI aberto.
Quando R2está aberto, o que ocorre com as tensões? Como não pode circular
corrente por atravésde R2' a tensão em A é puxada para cima, tendendo para o valor
da tensão da fonte. Como RI é muito menor que R3 e R41a tensão em A é de aproxi-
madamente 12V.Uma vez que R3e R4 são iguais, a tensão em Btorna-se de 6 V.É por
isso que VA = 12 V e VB =6 V, conforme mostrado na Tabela 1.1 para R2 aberto,
Se o terra for aberto no ponto C, não haverá corrente por R2' Isso é equivalente a
abrir R2. É por isso que o defeito C aberto apresenta VA =12 V e VB =6 V na Tabela 1.1.
Você deve calcular todas as linhas restantes na Tabela 1.1, certificando-se de que
tenha entendido por que existe cada um desses valores para os defeitos apresentados.
Tabela1.1 Defeitos e sintomas.
Defeitos VA VB
Circuito OK
RI aberto
6V
O
3V
O
R2 aberto
R3 aberto
D aberto
12 V
6V
6V
12 V
6V
6V
O
6VR4 aberto
C aberto 6V
6V
Cap.l Introdução 13
Exemplo1.5
que
em 4, leia o valor
. de verificação
na linha R,
'Í'\,.
Ji.~
1.6 APROXIMAÇÕES
ry' Você sabia que 30,48 cm de fio 22 AWG que está 2,54 cm para fora de um chassis tem
uma resistência de 0,016 Q, uma indutância de 0,24 ~H e uma capacitância de 3,3 pF?
Se tivéssemos de incluir os efeitos de resistência, indutância e capacitância em cada
cálculo de corrente, seriam necessários muitos cálculos. É por isso que as pessoas
ignoram a resistência, a indutância e a capacitância na conexão de fios em muitos casos.
[(o
Tabela1.1 Defeitos e sintomas. (continuação)
Defeitos VA Vs
RI em curto 12 V 6V
R2 em curto O O
R3em curto 6V 6V
R4em curto 6V O
14 Eletrônica - 4u Edição - Volume 1 Cap.1
A aproximaçãoideal(às vezes chamada de primeiraaproximação)de um disposi-
tivo é o circuito equivalente mais simples do dispositivo. No caso da conexão de um
fio, a aproximação é um condutor com resistência zero. A aproximação ideal inclui
somente uma ou duas idéias básicas de como funciona um dispositivo.
A segunda aproximaçãoinclui algumas características extras para melhorar a
análise. Geralmente, é essa que os engenheiros e técnicos usam no seu dia-a-dia. Por
exemplo, a aproximação ideal de uma pilha de lanterna é uma fonte de tensão de 1,5V.
A segunda aproximação é uma fonte de tensão de 1,5V em série com uma resistência
de 1 Q aproximadamente.
A terceiraaproximaçãoinclui outros efeitos de menor importância. Apenas
aplicações mais exigentes requerem esse nível de aproximação. Quando estudarmos
diodos e transistores, você verá alguns exemplos da terceira aproximação.
A aproximação a ser usada depende do que você pretende fazer. Se está
verificando defeitos, você achará a aproximação ideal adequada. Em aplicações críti-
cas, você precisará da terceira aproximação. Para a maioria das aplicações, a segunda
aplicação é usada.
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I
~...
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I
Cap.1 Introdução 15
APOIOAOS'ESTU8os
RESUMO
Seção1.1 FontesdeTensão
Uma fonte de tensão ideal produz uma
tensão constante, o que equivale a dizer
que ela tem uma resistência interna igual
a zero. Uma fonte de tensão real funcio-
na como fonte de tensão ideal com uma
resistência em série. Uma fonte de ten-
são quase ideal tem uma resistência in-
terna pelo menos 100 vezes menor que a
resistência da carga. Quando um erro de
menos de 1%for aceitável, podemos tra-
tar as fontes de tensão quase ideais como
fontes ideais.
Seção 1.2 FontesdeCorrente
Uma fonte de corrente ideal produz uma
corrente constante, não importando o
valor da resistência de carga. Uma fonte
de corrente quase ideal é aquela que tem
uma resistência interna pelo menos 100
vezes maior que a resistência de carga.
Quando um erro de menos de 1% for
aceitável, podemos tratar todas as fontes
de corrente quase ideais como fontes
ideais.
Seção1.3 OTeoremadeThevenin
Qualquer circuito apresentando uma
resistência de carga pode ser substituído
por uma fonte de tensão ideal com uma
resistência em série. A tensão de Theve-
nin é igual à tensão na carga quando o
----
resistor de carga for desconectado. A
resistência de Thevenin é a resistência
equivalente vista da resistência de carga.
Seção 1.4 OTeoremadeNorton
Qualquer circuito apresentando uma
resistência de carga pode ser substituído
por uma fonte de corrente ideal e uma
resistência em paralelo. A corrente de
Norton é igual à corrente na carga
quando a resistência de carga é curto-cir-
cuitada. Aresistência de Norton é igual à
resistência de Thevenin.
Seção1.5 VerificaçãodeDefeitos
Os problemas mais comuns são curto-
circuitos e circuitos abertos. Sempre que
você excede as potências nominais máxi-
mas, pode curto-circuitar ou abrir um
componente. Além disso, pingos de sol-
da podem curto-circuitar componentes e
pontos com soldas frias podem criar a
situação de um circuito aberto.
Seção 1.6 Aproximações
A aproximação ideal ou primeira aproxi-
mação é o circuito equivalente mais
simples de um dispositivo. A segunda
aproximação inclui algumas caracte-
ríticas extras para melhorar a precisão;
ela é usada no trabalho diário. A terceira
aproximação é altamente precisa, mas
raramente é usada.
16 Eletrônica - 4BEdição - Vai. 1 Cap.1
RELAÇÕESIMPORTANTES
Equação1.1 DaTensãoda Fonte
QuaseIdeal
RS < O,OlRL
Por ela, você pode identificar se uma
fonte de tensão é quase ideal. Sua resis-
tência interna é pelo menos 100 vezes
menor que a resistência de carga.
Quando essa condição for satisfeita,
mais de 99% da tensão ideal aparecerá
no resistor de carga. Quando erros de
menos de 1% forem aceitáveis, podemos
tratar todas as fontes quase ideais como
fontes ideais.
Equação1.3 FontedeCorrente
QuaseIdeal
Rs > 100RL
Com esta equação, podemos identificar
se uma fonte de corrente é quase ideal.
Sua resistência interna é pelo menos 100
vezes maior que a resistência de carga.
Quando essa condição for satisfeita,
mais de 99% da corrente ideal circulará
no resistor de carga. Quando erros de
menos de 1% forem aceitáveis, podemos
tratar todas as fontes de corrente quase
ideais como fontes ideais.
Equação1.4e 1.5 OsTeoremasdeNorton
e deThevenin
VTH
IN = RTH
e
RN = RTH
Observe que as resistências de Norton e
de Thevenin são iguais em valores, mas
diferentes em suas posições físicas. A
resistência de Thevenin está sempre em
série com a tensão da fonte, enquanto a
resistência de Norton está sempre em
paralelo com a fonte de corrente.
ATIVIDADESPARAOESTUDANTE
QUESTÕES
1. Uma fonte de tensão ideal tem
a) Resistência interna zero
b) Resistência interna infinita
c) Uma tensão que depende da carga
d) Uma corrente que depende da carga
2. Uma fonte de tensão real tem
a) Resistência interna zero
b) Resistência interna infinita
c) Uma resistência interna pequena
d) Uma resistência interna alta
\
3. Se a resistência de carga for igual a 1 kQ,
uma fonte de tensão quase ideal terá uma
resistência de
a) Pelo menos 10 Q
b) Menos de 10 Q
c) Mais de 100 kQ
d) Menos de 100 kQ
4. Uma fonte de corrente ideal tem
a) Resistência interna zero
b) Resistência interna infinita
c) Uma tensão que depende da carga
d) Uma corrente que depende da carga
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5. Uma fonte de corrente ideal tem
a) Resistência interna zero
b) Resistência interna infinita
c) Uma resistência interna pequena
d) Uma resistência interna alta
6. Se uma resistência de carga for igual a 1
kQ, uma fonte de corrente quase ideal
terá uma resistência de
a) Pelo menos 10 Q
b) Menos de 10 Q
c) Mais de 100 kQ
d) Menos de 100 Q
7. A tensão de Thevenin é a mesma tensão
a) Com a carga em curto
b) Com a carga aberta
c) Da fonte ideal
d) De Norton
8. A resistência de Thevenin é igual, em va-
lor, à resistência
a) Da carga
b) Da metade da carga
c) Interna de um circuito de Norton
d) Com a carga aberta
9. Para obter a tensão de Thevenin, você
deve .
a) Curto-circuitar o resistor da carga
b) Abrir o resistor da carga
c) Curto-circuitar a fonte de tensão
d) Abrir a fonte de tensão
10. Para obter a corrente de Norton, você
deve
a) Curto-circuitar o resistor da carga
b) Abrir o resistor da carga
c) Curto-circuitar a fonte da tensão
d) Abrir a fonte de tensão
11. A corrente de Norton é às vezes chamada
de corrente
a) Com a carga em curto
b) Coma carga aberta
c) De Thevenin
d) De tensão de Thevenin
\
Cap.1 Introdução 17
12. Uma ponte de solda pode provocar
a) Um curto
b) Uma abertura
c) Um incêndio
d) Uma corrente de Norton
13. Uma solda fria pode provocar
a) Um curto
b) Uma abertura
c) Um incêndio
d) Uma tensão de Thevenin
14. Um resistor aberto tem
a) Uma corrente infinita que
circula por ele
b) Uma tensão zero
c) Uma tensão infinita
d) Uma corrente zero que circula por ele
15. Um resistor em curto tem
a) Uma corrente infinita que
circula por ele
b) Uma tensão zero
c) Uma tensão infinita
d) Uma corrente zero que circula por ele
16. Uma fonte de tensão ideal e uma resis-
tência interna são um exemplo de
a) Aproximação ideal
b) Segunda aproximação
c) Terceira aproximação
d) Modelo exato
17. Tratar uma conexão de um fio como um
condutor com resistência zero é um
exemplo de
a) Aproximação ideal
b) Segunda aproximação
c) Terceira aproximação
d) Modelo exato
18. A tensão na saída de uma fonte ideal
a) É zero
b) É constante
c) Depende do valor da resistência
da carga
d) Depende da resistência interna
18 Eletrônica - 4gEdição - Voz. 1 Cap.1
19. A corrente de saída de uma fonte de cor-
rente ideal
a) É zero
b) É constante
c) Depende do valor da resistência
da carga
d) Depende da resistência interna
20. o teorema de Thevenin substitui um cir-
cuito complicado que alimenta uma car-
ga por uma
a) Fonte de tensão ideal e uma
resistência em paralelo
b) Fonte de corrente ideal e um
resistor em paralelo
c) Fonte de tensão ideal e um
resistor em série
d) Fonte de corrente ideal e um
resistor em série
21. o teorema de Norton substitui um circui-
to complicado que alimenta uma carga
por
a) Fonte de tensão ideal e um resistor
em paralelo
b) Fonte de corrente ideal e um
resistor em paralelo
c) Fonte de tensão ideal e um
resistor em série
d) Fonte de corrente ideal e um
resistor em série
22. Uma maneira de curto-circuitar um com-
ponente é
a) Com uma solda fria
b) Com uma ponta de solda
c) Desconectando-o
d) Abrindo-o
PROBLEMASBÁSICOS
Seção1.1 FontesdeTensão
1.1 Suponha q).le uma fonte de tensão tenha
uma tensão ideal de 12 V e uma resis-
tência interna de 0,5 Q. Para que valores
de resistência de carga essa fonte pode
ser considerada quase ideal?
1.2 Uma resistência de carga pode variar de
270 Q a 100 kQ. Se uma fonte de tensão
quase ideal alimenta essa carga, qual é a
resistência interna da fonte?
1.3 Uma pilha de lanterna tem uma resis-
tência interna de 1 Q. Para que valores de
resistências de carga essa pilha pode ser
considerada quase ideal?
1.4 Uma bateria de carro tem uma resistência
interna de 0,06 Q. Para que valores de
resistência de carga a bateria pode ser
considerada quase ideal?
1.5 A resistência interna de uma fonte de ten-
são é igual a 0,05 Q. Qual é o valor da
queda de tensão que aparece na resis-
tência interna quando a corrente que cir-
cula por ela é de 2 A?
1.6 Na Figura 1.11, a tensão ideal é de 9 V e a
resistência interna é de 0,4 Q. Se a resis-
tência de carga for zero, qual é a corrente
na carga?
Rs
~OR'
Figura1.11
Seção1.2 FontesdeCorrente
1.7 Suponha que uma fonte de corrente te-
nha um valor ideal de 10mA e uma resis-
tência interna de 20 MQ. Para que valores
de resistência de carga essa fonte de cor-
rente será considerada ideal?
l:
,
-;
.~
I'!
~iI
Cap.1 Introdução 19
1.8 Uma resistência de carga pode variar de
270 Q a 100 kQ. Seuma fonte de corrente
quase ideal alimenta essa resistência de
carga, qual é a resistência interna dessa
fonte?
1.9 Uma fonte de corrente tem uma resis-
tência interna de 100 kQ. Qual é o maior
valor de resistência de carga se a fonte de
corrente é considerada quase ideal?
1.10 Na Figura 1.12, a corrente ideal é de 10
mA e a resistência interna é de 100 kQ. Se
a resistência de carga for zero, qual é o
valor da corrente? ,
I{W R,
Figura1.12
1.11 A corrente ideal é 5 mA e a resistência
interna é 250 kQ na Figura 1.12. Se a
resistência de carga for 10 kQ, qual é a
corrente na carga? Essa corrente pode ser
considerada como quase ideal?
Seção 1.3 O'Teorema de Thevenin
1.12 Qual é a tensão de Thevenin na Figura
1.13? E a resistência de Thevenin?
6kQ
RL
+
36V -==-
3kQ
Figura1.13
1.13 Calcule a corrente na carga da Figura
1.13 para cada uma das seguintes cargas:
O,1 kQ, 2 kQ, 3 kQ, 4kQ, 5 kQ e 6 kQ.
1.14 A fonte de tensão na Figura 1.13 diminui
para 12V.O que acontece com a tensão
de Thevenin?E com a resistência de The-
venin?
1.15 Todas as resistências na Figura 1.13
foram dobradas. O que ocorre com a ten-
são de Thevenin? E com a resistência de
Thevenin?
Seção 1.4 OTeorema de Norton
1.16 Um circuito tem uma tensão de Thevenin
de 15 Ve uma resistência de Thevenin de
3 kQ . Desenhe o circuito equivalente de
Norton.
1.17 Um circuito tem uma corrente de Norton
de 10mA e uma resistência de Norton de
10 kQ. Desenhe o circuito equivalente de
Thevenin.
1.18 Desenhe o circuito equivalente de Nor-
ton da Figura 1.13.
Seção 1.5 Verificação de Defeitos
1.19 Suponha que a tensão na carga da Figura
1.13 seja de 36 V. O que está errado com
RI?
1.20 A tensão na carga da Figura 1.13 é zero. A
bateria e a resistência de carga estão nor-
mais. Sugira dois possíveis problemas.
1.21 Se a tensão na carga da Figura 1.13 for
zero, e todos os resistores estão normais,
onde está o problema?
1.22 Na Figura 1.13,a tensão na carga é de 12
V.Qual é o provável problema?
20 Eletrônica - 4g Edição - Voz.1 Cap.l
PROBLEMASAVANÇADOS
1.23 A fonte de tensão é temporariamente cur-
to-circuitada. Se a fonte de tensão ideal
for de 6 V e a corrente de curto-circuito
for de 150 A, qual é a resistência interna
da fonte?
1.24 Na Figura 1.11, a tensão ideal é de 10 Ve
a resistência de carga é de 75 Q. Se a
tensão na carga for de 9 V, qual é o valor
da resistência interna? Essa fonte de ten-
são é quase ideal?
1.25 Alguém te dá uma caixa preta com um
resistor de 2 kQ conectado nos terminais de
carga externos. Como pode você medir sua
tensão de Thevenin?
1.26 A caixa preta do Problema 1.25 tem um
knob de ajuste para reduzir a tensão e a
corrente interna a zero. Como você pode
medir a resistência de Thevenin?
1.27 Resolva o Problema 1.13. Depois resolva
o mesmo problema sem usar o teorema
de Thevenin. Quando terminar, comente
o que você aprendeu sobre o teorema de
Thevenin.
1.28 Suponha que você esteja num laboratório
olhando para um circuito como o da Fi-
gura 1.14. Alguém o desafia a encontrar o
circuito equivalente de Thevenin acio-
nando a carga. Descreva um procedi-
mento experimental para a medição da
tensão e da resistência de Thevenin.
1.29 Projete uma fonte de corrente hipotética,
usando uma bateria e um resistor. A fonte
de corrente deve ter as seguintes especi-
ficações: deve fornecer uma corrente de 1
mA quase ideal para qualquer carga entre O
e 10kQ.
1.30 Projete um divisor de tensão (similar ao
da Figura 1.13) que tenha as seguintes
especificações: a fonte de tensão ideal é
de 30V,a tensão sem a carga é de 15V e a
resistência de Thevenin é igualou menor
que 2 kQ.
1.31 Projete um divisor de tensão como o da
Figura 1.13de modo que ele produza uma
tensão de 10 V quase ideal para todas as
cargas acima de 1 MQ. Use uma fonte de
tensão ideal de 30 V.
1.32 Alguém te entrega uma bateria de lanter-
na e um multímetro. Você não tem nada
mais além disso para trabalhar. Descreva
um método experimental para encontrar
o circuito equivalente de Thevenin da ba-
teria.
1.33 Você tem uma bateria de lanterna, um
multímetro e uma caixa com valores dife-
rentes de resistores. Descreva um método
que use um dos resistores para calcular a
resistência de Thevenin da bateria.
1.34 Calcule a corrente na carga da Figura 1.15
para cada uma das seguintes cargas: O,1
kQ, 2 kQ, 3 kQ, 4 kQ, 5 kQ e 6 kQ.
I,(
I
I
Ir
I
I
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Cap.1 Introdução 21
~
Figura1.14
Rr, A
Rs RLR7
Rs
R3
B
6kQ 4kQ 4kQ 4kQ 4kQ A
U V rFFFB R,
B
Figura1.15
PROBLEMASUTILIZANDOO
DISPOSITIVO"VERIFICADORDE
DEFEITOS"
Use a Figura 1.16 para os problemasrestantes.
Se você ainda não o fez, leia o Exemplo 1.5
antes de tentar resolvê-Ios. O verificador de
defeitos é uma versão simplificada do texto do
programa escrito para o ensino auxiliado por
computador. Você achará o verificador de
defeitos útil para adquirir habilidades na veri-
ficação de defeitos. Você pode medir as tensões
em qualquer ordem; por exemplo, VEem pri-
meiro, VA em segundo e VBem terceiro, ou como
quiser. Essas tensões são os sintomas dos pro-
blemas. Após a(s) medição(ões) de uma ou
mais tensões, tente encontrar o problema. Os
problemas possíveis são resistores abertos ou
em curto, terra aberto e falta de alimentação.
1.35 Quais são as causas do Problema 17
1.36 Quais são as causas do Problema 27
1.37 Quais são as causas dos Problemas 3 a 67
1.38 Quais são as causas dos Problemas 7a117
22 Eletrônica - 4gEdição - VaI. 1 Cap.l
DEFEITO Z
3 4 5 6
CIRCUITO OK DEFEITO 1
DEFEITO 3 DEFEITO 4
DEFEITO 6 DEFEITO 7
DEFETO9 DEFEITO 10
VA:B3
:C6
:A3
DEFEITO 5
DEFEITO 8
DEFEITO 11
Figura1.16 o verificador de defeitosTM (Patenteado:cortesiadeMalvino Inc.)
+12V
E[
RI
4kQ
R3
A+ VV\ ,B
2kQ
Rz
r4kQ kQcl- -- -
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A 4
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II~
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i~11
I
Capítulo 2
+
SEMICONDUTORES
Para entender como os diodos, transistores e circuitos integrados funcionam, você
precisa primeiro estudar os semicondutores: materiais que não são condutores nem
isolantes. Os semicondutores contêm alguns elétrons livres, mas o que os faz diferentes
é a presença de lacunas. Neste capítulo, você aprenderá sobre semicondutores,lacunas
e outros tópicos relacionados.
Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde:
~ Identificar, nos níveis atômicos, as características dos bons condutores e
dos semicondutores.
~ Descrever a estrutura de um cristal de silício.
~ Classificar os dois tipos de portadores com os tipos de impurezas que
fazem com que cada um deles seja portador majoritário.
~ Explicar as condições que existem na junção pn de um diodo não-polari-
zado, um diodo diretamente polarizado e um diodo reversamente polari-
zado.
~ Explicar os dois tipos de rupturas provocadas por uma tensão reversa
excessiva no diodo.
I
23
24 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
2.1 CONDUTORES
o cobre é um bom condutor. A razão desse fato fica clara quando olhamos sua
estrutura atômica, conforme mostrado na Figura 2.1. O núcleo ou o centro do átomo
contém 29prótons (cargas positivas). Quando um átomo de cobre tem uma carga neutra,
29 elétrons (cargas negativas) orbitam o núcleo, como os planetas em torno do sol.
ÓrbitasEstáveis
O núcleo positivo da Figura 2.1 atrai os elétrons planetários. A razão pela qual esses
elétrons não se chocam com o núcleo é a força centrífuga ou força externa criada por
seu movimento orbital. Quando um elétron está numa órbita estável, a força centrífuga
é exatamente igual à força de atração do núcleo. A força centrífuga diminui quando o
elétron gira mais lentamente. É por isso que um elétron numa órbita maior gira mais
lentamente que um elétron numa órbita menor. É necessária uma força centrífuga
menor para anular a atração do núcleo.
AParteCentraldoÁtomoe oElétronLivre
Na Figura 2.1, o núcleo e os elétrons internos não são de muito interesse no estudo da
eletrônica. Nosso interesse maior ao desenvolver este livro serão as órbitas externas,
também chamadas órbitas de valência.Essa órbita externa controla as propriedades
elétricas do átomo. Para enfatizar a importância da órbita externa, podemos definir a
parte central do átomo como sendo o núcleo e todas as órbitas internas. Para um átomo
de cobre, a parte central é o núcleo (+29) e suas três primeiras órbitas (-28).
A parte central de um átomo de cobre tem uma carga líquida igual a +1
porque ele contém 29 prótons e 28 elétrons internos. Como o elétron de valência ~stá
numa órbita muito grande em torno da parte central com uma carga líquida de apenas
+1,a atração pelo elétron externo é muito pequena. Em razão dessa pequena atração, o
elétron externo é às vezes chamado elétronlivre.
..
'"
Cap.2 Semicondutores 25
Figura2.1 o átomo de cobre.
A Principal Idéia
A idéia que você deve ter sempre em mente sobre um átomo de cobre é: como o elétron
de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente
deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. Por isso o átomo de cobre é um bom
condutor. Amenor tensão pode fazer com que o elétron livre num fio de cobre circule
de um átomo para outro. Os melhores condutores (prata, cobre e ouro) possuem um
simples elétron de valência.
I'
Exempto2.1
2.1.
Como o
cobre fica!
ou mais d~
chamado
carregado
26 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Capo2'
2.2 SEMICONDUTORES
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo
isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de
valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade.
Os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores possuem
quatro elétrons de valência e isolantes, oito elétrons de valência.
oGermânio
O germânio é um exemplo de um semicondutor. A Figura 2.2 mostra um átomo de
germânio. No centro, há um núcleo com 32 prótons. Desta vez, os elétrons distribuem-
se nas suas órbitas como segue: 2 elétrons na primeira órbita, 8 na segunda e 18 na
terceira. Os últimos quatro elétrons estão na órbita mais externa ou órbita de valência.
Figura2.2 o átomo de germânio.
Cap.2 Semicondutores 27
oSilício
o material semicondutor mais usado é o silício. Um átomo isolado de silício possui 14
prótons e 14 elétrons. Conforme mostrado na Figura 2.3, a primeira órbita contém 2
elétrons e a segunda, 8 elétrons. Os 4 elétrons restantes estão na órbita externa ou órbita
de valência.
"
Na Figura 2.3,o núcleo e as duas primeiras órbitas formam a partecentraldo
átomo de silício. Essa parte central tem uma carga líquida igual a +4 por causa dos 14
prótons no núcleo e os 10 elétrons nas duas primeiras órbitas. Observe os quatro
elétrons na órbita externa ou de valência. Isso nos diz que o silício é um semicondutor.
Figura2.3 o átomo de silício.
de
28 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
2.3 OSCRISTAISDE SILíCIO
Quando átomos de silício se combinam para formar um sólido, eles são arranjados
segundo um padrão ordenado chamado cristal.Cada átomo de silício cede seu elétron
aos outros átomos de silício, assim a órbita de valência fica com oito elétrons, conforme
mostrado na Figura 2.4. Sempre que um átomo fica com oito elétrons na sua órbita de
valência conforme mostrado aqui, ele torna-se quimicamente estável. Os círculos ha-
churados representam as partes centrais do silício. Embora o átomo central original-
mente tenha quatro elétrons em sua órbita de valência, ele agora possui oito elétrons
em sua órbita.
Figura2.4 Ligações covalentes.
AsLigaçõesCovalentes
Cada átomo vizinho cede um elétron com o átomo central. Desse modo, todos os
átomos centrais contribuem para que haja quatro elétrons adicionais dando um total de
oito elétrons na sua órbita de valência. Na verdade, os elétrons não pertencem mais a
um átomo isolado; eles são agora compartilhados pelos átomos adjacentes.
Na Figura 2.4, cada parte central tem uma carga igual a +4. Observe o átomo
do centro e sua parte central da direita. Essa~ duas partes centrais atraem o par de
elétrons com forças iguais e opostas entre eles. E essa força de atração nos dois sentidos
que mantém os átomos de silício agrupados. O efeito é similar ao do jogo do cabo de
guerra, que mantém os times presos por puxarem o cabo. Enquanto os dois times
puxarem com forças iguais e opostas, eles permanecerão ligados uns aos outros.
~
1
l'
I
I
lr
~
Cap,2 Semicondutores 29
Como cada elétron cedido na Figura 2.4 está sendo puxado em sentidos
opostos, o elétron é uma ligação entre as partes centrais opostas. Esse tipo de ligação
química é conhecidocomo ligaçãocovalente.Num cristal de silício,existembilhões deátomos de silício, cada um com oito elétrons de valência. Esses elétrons de valência são
as ligações covalentes que mantêm os átomos de cristal unidos, formando o sólido.
ApenasOitoElétronsdeValência
r
Cada átomo de um cristal de silício tem oito elétrons em sua órbita de valência. Esses
oito elétrons produzem uma estabilidade química que resulta num pedaço de material
sólido. Existem equações matemáticas avançadas que explicam parcialmente por que
oito elétrons produzem a estabilidade química em diferentes materiais, mas nenhuma
sabe na verdade por que o número oito é tão especial. É uma das leis experimentais,
como a lei da gravidade.
A órbita de valência não pode sustentar mais de oito elétrons. Por isso, ela é
descrita como preenchida ou saturada quando contém oito elétrons. Além disso, os oito
elétrons de valência são chamados elétrons de ligação,porque estão fixos pelos átomos.
Por causa desses elétrons de ligação, um cristal de silício é um isolante quase perfeito
na temperatura ambiente (aproximadamente25°C).
1,
A EnergiaTérmicaPodeDarOrigema umaLacuna
t
A temperatura ambiente é aquela que circunda o ar. Quando a temperatura ambiente
está acima do zero absoluto (-273°C),a energia térmica do ar em torno faz os átomos do
cristal de silício vibrar num vaivém dentro do cristal de silício. Quanto mais alta a
temperatura, mais fortes são as vibrações mecânicas desses átomos. Quando você toca
num objeto quente, o calor que você sente é provocado por essas vibrações dos átomos.
As vibrações dos átomos de silício podem, ocasionalmente, deslocar um elétron da
órbita de valência. Quando isso ocorre, o elétron liberado ganha energia suficiente para
passar para outra órbita maior, conforme mostra a Figura 2.5.
Nessa órbita maior, ele se torna um elétron livre. Além disso, a saída do
elétron deixa um vazio na órbita de valência que é chamado lacuna. Essa lacuna
comporta-se como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado
qualquer elétron nas proximidades.
30 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
Figura2.5 A energia térmica produz elétron livre.
Recombinaçãoe TempodeVida
Num cristal de silício puro, são criados iguais números de lacunas e de elétrons livres
pela energia térmica (aquecimento). Os elétrons livres se movem randomicamente
através do cristal. Ocasionalmente, um elétron livre se aproxima de uma lacuna, é
atraído e capturado. Essa união de um elétron livre com uma lacuna é chamada
recombinação.
O tempo entre a geração de um elétronlivre e seu desaparecimentoé chama-
do tempode vida. Ele varia de alguns nanossegundos até vários microssegundos,
dependendo da perfeição do cristal e de outros fatores.
AsPrincipaisIdéias
Num instante qualquer, no interior de um cristal de silício, estão acontecendo os
seguintes fatos:
1.
2.
Estão sendo gerados elétrons livres e lacunas pela energia térmica.
Estão ocorrendo recombinações com outros elétrons livres e lacunas.
3. Existem alguns elétrons e algumas lacunas num estado intermediário,
que ainda não foram previamente gerados nem foram recombinados.
1
f
r.
I
,
i.
I
\
I
J
Capo2 Semicondutores 31
Exemplo2.3
dee1étrons livres e
Seum
quantas lacunas
lacunas se
Solução
Observe.a
sempre o
livres,há também!
Uma temperatulrá.
significa
do valor
elétrons
atômicos, o que
número de
2.4 SEMICONDUTORESINTRíNSECOS
Um semicondutor intrínsecoé um semicondutor puro. Um cristal será um semicondu-
tor intrínseco se todos os átomos do cristal forem de silício. Na temperatura ambiente,
um cristal de silício comporta-se como um isolante aproximadamente, porque ele tem
apenas alguns elétrons e lacunas produzidos pela energia térmica.
o FluxodeElétronsLivres
A Figura 2.6 apresenta uma amostra de um cristal de silício entre placas metálicas
carregadas. Suponha que a energia térmica tenha gerado um elétron livre e uma
lacuna. O elétron livre está numa órbita maior à direita do cristal. Devido à carga
negativa da placa, o elétron livre será repelido para a esquerda. Esse elétron livre pode
mover-se de uma órbita para a próxima até alcançar a placa positiva.
t
32 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
oFluxodeLacunas
Observe a lacuna à esquerda na Figura 2.6. Essa lacuna atrai o elétron de valência no
ponto A. Isso faz com que o elétron de valência mova-se para a lacuna. Essa ação não é
a mesma da recombinação, na qual um elétron livre cai numa lacuna. Em vez de um
elétron livre, temos um elétron de valência movendo-se para uma lacuna.
Quando o elétron de valência no ponto A move-se para a esquerda, ele gera
uma nova lacuna no ponto A. A nova lacuna no ponto A pode então atrair e capturar
outro elétron de valência. Desse modo, elétrons de valência podem viajar ao longo do
caminho mostrado pela seta. Isso significa que uma lacuna pode mover-se no sentido
oposto, ao longo do caminho A-B-C-D-E-F.
Figura2.6 Fluxo de lacunas.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ELÉTRON LIVRE-.
LACUNA
2.5 DOISTIPOSDEFLUXOSDECORRENTE
A Figura 2.7 mostra um semicondutor intrínseco. O número de elétrons livres é igual
ao número de lacunas. Isso ocorre por causa da energia térmica que produz pares de
elétrons livres e lacunas. A tensão aplicada força os elétrons livres a se deslocar para a
esquerda do cristal e as lacunas deslocam-se para a direita. Quando os elétrons livres
chegam ao final do lado esquerdo do cristal, eles passam para o fio externo e circulam
para o terminal positivo da bateria. Por outro lado, os elétrons livres no terminal
negativo da bateria circularão para a direita do cristal. Nesse ponto, eles passam para o
cristal e recombinam-se com as lacunas que chegam até o lado direito do cristal. Desse
modo, ocorre um fluxo estável de elétrons livres e lacunas dentro do semicondutor.
t
I
Cap.2 Semicondutores 33
-----
+ + + + + + +
Figura2.7 o semicondutor intrínseco.
Na Figura 2.7, os elétrons livres e as lacunas movem-se em sentidos opostos.
A partir daqui, vamos visualizar a corrente num semicondutor como o efeito combina-
do de dois tipos de fluxos: o fluxo de elétrons livres num sentido e o fluxo de lacunas
no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados às vezes de portadores,
porque transportam uma carga igual de um lugar para outro.
2.6 DOPAGEMDEUMSEMICONDUTOR
f
Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor é pela dopagem. Isso
significa adicionar impurezas aos átomos de um cristal intrínseco para alterar sua
condutibilidade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado semicondutor extrínseco.
AumentandoosElétronsLivres
..
I
I
I
I
1
I
Como as indústrias dopam um cristal? O primeiro passo é fundir um cristal puro de
silício. Isso quebra as ligações covalentes e muda um silício do estado sólido para o
líquido. Para aumentar o número de elétrons livres, são adicionados átomos pentavalen-
tes ao silício em fusão. Átomos pentavalentes possuem cinco elétrons na órbita de
valência. Alguns exemplos de átomos pentavalentes são antimônio e fósforo. Como
esses materiais doam um elétron extra para o cristal de silício, às vezes são chamados
de impurezasdoadoras.
A Figura 2.8amostra como a estrutura do cristal de silício é alterada após ter
sido esfriada e solidificada. Um átomo pentavalente fica no centro cercado por quatro
átomos de silício. Como antes, os átomos vizinhos cedem um elétron com o átomo
central. Mas dessa vez existe um elétron extra à esquerda e acima. Lembre-se de que
cada átomo pentavalente possui cinco elétrons de valência. Como somente oito elé-
trons podem ser fixados pela órbita de valência, permanece um elétron extra na órbita
maior. Em outras palavras, um elétron livre.
!
1
~
34 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.2
Cada átomo pentavalente ou átomo doador num cristal de silício produz um
elétron livre. É desse modo que é controlada a condutibilidade de um semicondutor na
indústria. Quanto mais adicionamos impurezas, maior a condutibilidade. Assim, um
semicondutor pode ser fracamente ou fortemente dopado. Um semicondutor fraca-
mente dopado tem uma alta resistência,enquanto um semicondutor fortemente dopa-
.do apresenta uma baixa resistência.
. ELÉTRON LIVRE
(a) (b)
Figura2.8 (a)Aumentando os elétrons livres; (b) aumentando as lacunas.
Aumentandoo Númerode Lacunas
Como podemos dopar um cristal puro de silício para obter um excesso de lacunas?
Utilizando impurezas trivalentes,cujos átomos possuem apenas três elétrons de valên-
cia. Podemos citar como exemplo o alumínio, boro e gálio.
A Figura 2.8bmostra um átomo trivalente no centro. Ele é cercado por quatro
átomos de silício, cada um cedendo um de seus elétrons de valência. Como o átomo
trivalente originalmente tinha apenas três elétrons de valência e cada átomo vizinho
cede um de seus elétrons, restam apenas sete elétrons na órbita de valência. Isso
significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. Um
átomo trivalente é também chamado átomo receptor,porque cada lacuna para a qual ele
contribui pode receber um elétron livre durante a recombinação.
-
t
r
Cap.2 Semicondutores 35
PontosQueDevemSer lembrados
Para um fabricante poder dopar um semicondutor, ele precisa antes produzir um
cristal puro. Depois, pelo controle da quantidade de impurezas, ele pode controlar
precisamente as propriedades do semicondutor. Historicamente, os cristais de germâ-
nio eram mais fáceis de ser produzidos do que os cristais puros de silício. É por isso que
os primeiros dispositivos semicondutores eram feitos de germânio. Eventualmente, as
técnicas de fabricação melhoraram e os cristais puros de silício tornaram-se mais
viáveis. Por causa dessa vantagem, o silício tornou-se o mais popular e o mais usado
material semicondutor.
I
l
1
de
~
I
1
2.7 DOISTIPOSDESEMICONDUTORESEXTRíNSECOS
Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou um
excesso de lacunas. Por isso, existem dois tipos de semicondutores.
t
1
oSemicondutorTIpon
o silícioque foi dopado com uma impureza pentavalente é chamado semicondutor
tipo n, onde n está relacionado comnegativo. AFigura 2.9mostra um semicondutor
tipo n.Comoos elétronslivres excedememnúmero as lacunasnum semicondutortipo
n, os elétrons livres são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minori-
tários.
1
36 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++- - - -
Figura2.9 o semicondutor tipo n.
Por causa da tensão aplicada, os elétrons livres dentro do semicondutor
movem-se para a esquerda e as lacunas para a direita. Quando uma lacuna chega à
extrema direita do cristal, um dos elétrons livres do circuito externo entra no semicon-
dutor e recombina-se com a lacuna.
Os elétrons livres mostrados na Figura 2.9 circulam para a extrema esquerda
do cristal, onde passam para o fio e circulam para o terminal positivo da bateria. Além
desses elétrons livres, ocasionalmente um elétron de valência deixa o lado esquerdo do
cristal e passa para o fio.
oSemicondutorTipop
Um silício que foi dopado com uma impureza trivalente é chamado semicondutor tipo
p, onde p representa positivo. A Figura 2.10 mostra um semicondutor tipo p. Como as
lacunas excedem em número os elétrons livres, elas são chamadas de portadores
majoritários e os elétrons livres são chamados portadores minoritários.
------------------------------------------------------------------------
+ + + +
Figura2.10 Semicondutor tipo p.
*
I
I
1
Cap.2 Semicondutores 37
Por câtisà da tensão aplicada, os elétrons livres movem-se para a esquerda e
as lacunas, gãra a direita. Na Figura 2.10, as lacunas que chegam à extrema direita do
cristal recomoinam-se com os elétrons livres do circuito externo.
Existe também um fluxo de portadores minoritários na Figura 2.10. Os elé-
trons livres dentro do semicondutor circulam da direita para a esquerda. Pelo fato de
existirem tão poucos portadores minoritários, eles quase não têm efeito no circuito.
2.8 o 01000NÃO-POLARIZADO
I
t
Por si só, um pedaço de semicondutor tipo n tem a mesma utilidade de um resistor de
carbono; o mesmo pode ser dito do semicondutor tipo p. Mas quando um fabricante
dopa um cristal, de modo que metade dele seja do tipo p e a outra metade seja do tipo
n, acontece um fato novo.
Aborda entre o tipo p e o tipo n é chamada junção pn.Ajunção pn deu origem
a todos os tipos de invenções, incluindo diodos, transistores e circuitos integrados. A
compreensão da junção pn permite que você entenda todos os tipos de dispositivos
semicondutores.
t.
I oDiodoNão-Polarizado
Conforme discutido no capítulo anterior, cada átomo pentavalente num cristal de
silício produz um elétron livre. Por essa razão, podemos visualizar um pedaço de
semicondutor tipo n, conforme mostrado no lado direito da Figura 2.11.Cada círculo
com sinal de mais representa um átomo pentavalente e cada sinal de menos é um
elétron livre que ele forneceu para o semicondutor.
De modo similar, podemos visualizar os átomos trivalentes e as lacunas de
um semicondutor tipo p, conforme mostrado no lado esquerdo da Figura 2.11. Cada
sinal de menos dentro do círculo representa um átomo trivalente e cada sinal de mais é
urna lacuna na sua órbita de valência. Observe que cada pedaço de material semicon-
dutor está eletricamente neutro, porque o número de sinais de mais é igual ao de sinais
de menos.
i
Um fabricante pode produzir um cristal simples com um material tipo p de
um lado e um material tipo n do outro, conforme mostrado na Figura 2.12. Ajunção é
a borda onde as regiões do tipo p e do tipo n se encontram, e diododejunçãoé outro
nome para um cristal pn. A palavra diodo é a contração de dois eletrodos, onde di
representa" dois" .
38 Eletrônica - 43 Edição - Volume 1 Cap.2
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
+ + + +
~ ~ ~ ~
+ + + +
~ ~ ~ ~
+
~
Figura2.11
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
Pedaços separados de semicondutores.
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+
~
+
~
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
Figura2.12 o cristal.
ACamadadeDepleção
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
Por causa da repulsão entre eles,os elétrons livres no lado n da Figura 2.12tendem a se
difundir (espalhar) em todas asdireções. Alguns dos elétrons livres sedifundem através
da junção. Quando um elétron livre penetra na região p, ele setoma um portador minori-
tário. Com tantas lacunasa suavolta, esseportador minoritário tem pouco tempo de vida.
Logo que ele entra na região p, o elétron livre cai numa lacuna. Quando isso ocorre, a
lacuna desapareceeo elétron livre passaa serum elétron de valência.
Cada vez que um elétron se difunde através da junção, ele gera um par de
íons. Quando um elétron sai do lado n, ele deixa para trás um átomo pentavalente que
ébrevemente uma carga negativa; esseátomo pentavalente passa a ser um íon positivo.
Após a imigração, o elétron cai numa lacuna do lado p e faz com que o átomo trivalente
que o capturou tome-se um íon negativo.
A Figura 2.13mostra essesíons em cada lado da junção. Dentro dos círculos,
os sinais de mais são os íons positivos e os sinais de menos, os íons negativos. Os íons.
são presos na estrutura do cristal por causa das ligações covalentes e não podem
mover-se como os elétrons livres e as lacunas.
Cada par de íons positivo enegativo na junção é chamado de dipolo.Ageração
de um dipolo significa que um elétron livre e uma lacuna saíram de circulação. Como
o número de dipolos aumenta, a região próxima da junção fica vazia de portadores.
Chamamos essaregião vazia de camadadedepleção.
Cap.2 Semicondutores 39
+
~
+
~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~
J
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
+ + +
~ ~ ~
- - -
~ ~ ~
Figura2.13 A camada de depleção.
~
ABarreiradePotencial
"
f
Cada dipolo possui um campo elétrico entre o íon positivo e o íon negativo. Portanto,
quando elétrons livres adicionais penetram na região da camada de depleção, o campo
elétrico tenta empurrá-Ios de volta para a região n. A intensidade do campo elétrico
aumenta à medida que os elétrons cruzam a junção até que o equiHbrio seja atingido.
Para uma primeiraaproximação, isso significa que o campo elétrico eventualmente
interrompe a difusão de elétrons por meio da junção.
Na Figura 2.13, o campo elétrico entre os íons é equivalente a uma diferença
de potencial chamada barreirade potencial.À temperatura de 25°C,a barreira de poten-
cial é aproximadamente igual a 0,3Vpara os diodos de germânio e 0,7Vpara os diodos
de silício..',
2.9 APOLARIZAÇÃODIRETA
AFigura 2.14mostra uma fonte ccalimentando um diodo. O terminal negativo da fonte
está conectado ao material tipo n e o terminal positivo está conectado ao material tipo
p. Essa conexão é chamada polarizaçãodireta.
oFluxo deElétronsLivres
A corrente circula facilmente num circuito como o da Figura 2.14. Por quê? Porque a
bateria força os elétrons e as lacunas a se mover em direção à junção. Quando os
elétrons livres se movem para a junção, íons positivos são gerados na extrema direita
do cristal. Esses íons positivos puxam os elétrons do circuito externo para o cristal.
Desse modo, elétrons livres podem sair do terminal negativo da fonte cce circular para
a extrema direita do cristal.
40 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
p n
+ +
~ ~ ~
+ +
~ ~
+ +
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
+
v~
Figura2.14 A polarização direta.
Quando olhamos para a Figura 2.14, vemos o seguinte. Elétrons entram pela
extrema direita do cristal, enquanto a massa de elétrons na região n move-se na direção
da junção. Aborda esquerda desse grupo em movimento desaparece quando ela atinge
a junção (os elétrons recombinam-se com as lacunas). Desse modo, há uma contínua
enxurrada de elétrons do terminal negativo da fonte de alimentação em direção à
junção.
o FluxodeElétronsdeValência
o que ocorre com os elétrons que desaparecem na junção? Eles se tornam elétrons de
valência. Como elétrons de valência, eles se movem através das lacunas na região p.Em
outras palavras, os elétrons de valência no lado p se movem em direção à junção.
Quando os elétrons de valência alcançam a extrema esquerda do cristal, deixam o
cristal, passam para o circuito externo e circulam até o terminal positivo da fonte.
Recapitulação
Aqui está o que ocorre com um elétron na Figura 2.14:
1. Após ter deixado o terminal negativo da fonte, ele entra pela extrema
direita do cristal.
2.
3.
Ele viaja através da região n como um elétron livre.
Na junção, ele se recombina com uma lacuna e se torna um elétron de
valência.
4. Ele viaja através da região p como um elétron de valência.
Cap.2 Semicondutores 41
5. Após deixar a extrema esquerda do cristal, ele circula para o terminal
positivo da fonte.
o QueDeveSerlembrado
A corrente circula facilmente num diodo de silício com polarização direta. Enquanto a
tensão aplicada for maior que a barreira de potencial, haverá uma corrente incessante
no circuito. Em outras palavras, se a fonte de tensão for maior que 0,7 V,um diodo de
silício produz uma corrente incessante no sentido direto.
ExeD1plo2,ti
Suponha qu~ 'à
para você?
"'
Solução
Na Figura 2.1~1
que a COIT'
1 mA na
junção e.l
2.10 A POLARIZAÇÃO REVERSA
~-=-- Inve;;a a posição da bateria e terá polarizado reversamente o diodo, conforme mostra-
do na Figura 2.15.Dessa vez, o terminal negativo da bateria está conectado ao lado p e
o terminal positivo da bateria, ao lado n. Essa conexão é chamada polarizaçãoreversa.
"
42, Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.2
p n
+ + +
~ ~ ~
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
v -==-
+
Figura2.15 A polarização reversa.
A LarguradaCamadadeDepleção
o terminal negativo da bateria atrai as lacunas e o terminal positivo da bateria atrai os
elétrons livres. Por isso, lacunas e elétrons livres circulam afastando-se da junção.
Portanto, a camada de depleção fica maior.
Até quanto a camada de depleção aumenta? Quando as lacunas e os elétrons
movem-se afastando-se da junção, os novos íons recentemente gerados aumentam a
diferença de potencial. Quanto mais larga for a camada de depleção, maior será a
diferença de potencial. A camada de depleção pára de aumentar quando sua diferença
de potencial se iguala à tensão reversa aplicada. Quando isso ocorre, elétrons e lacunas
cessam seus movimentos, afastando-se da junção.
Algumas vezes, a camada de depleção é mostrada com uma região sombrea-
da, conforme aparece na Figura 2.16. A largura dessa região sombreada é proporcional
à tensão reversa. Com o aumento da tensão reversa, a camada de depleção fica mais
larga.
p n
v -==-
+
Figura2.16 A camada de depleção.
~
I
/,
"1-'
Cap.2 Semicondutores 43
ACorrentedePortadoresMinoritários
Existe alguma corrente após a camada de depleção ser estabilizada? Sim. Existe uma
pequena corrente com a polarização reversa. Lembre-se de que a energia térmica gera
pares de elétrons livres e lacunas incessantemente. Isso significa que existem alguns
poucos portadores minoritários nos dois lados da junção. Muitos deles se recombinam
com os portadores majoritários. Mas aqueles dentro da camada de depleção podem
não existir suficientemente para cruzar a junção. Quando isso ocorre, uma pequena
corrente circula pelo circuito externo.
A Figura 2.17 ilustra essa idéia. Suponha que a energia térmica tenha gerado
um elétron livre e uma lacuna próximos da junção. A camada de depleção empurra o
elétron livre para a direita, forçando um elétron a deixar a extrema direita do cristal. A
lacuna na camada de depleção é empurrada para a esquerda. Essa lacuna extra no lado
p admite a entrada de um elétron pela extrema esquerda do cristal, que cai na lacuna.
Como a energia térmica está incessantemente gerando pares de elétrons e lacunas
dentro da camada de depleção, teremos uma pequena corrente contínua pelo circuito
externo.
A corrente reversa provocada pelos portadores minoritários produzidos ter-
micamente é chamada corrente de saturação.Nas equações, a corrente de saturação é
simbolizada por Is' O nome saturaçãosignifica que não podemos obter mais portadores
minoritários do que os gerados pela energia térmica. Em outras palavras, aumentando
a tensão reversa, não aumentamos o número de portadores minoritários gerados
termicamente. Isso é uma função da temperatura apenas.
p n
+ + +
eeee ~~~~
+ + + + - - - -
eeee ~~~~
+++ ---
eeee ~~~~
v-=-
+
Figura2.17 A corrente de portadores minoritários.
44 Eletrônica - 4" Edição - Volume 1 Cap.2
Quanto maior a temperatura na junção, maior a corrente de saturação. Con-
forme mencionado anteriormente, o silício tomou-se o semicondutor dominante na
indústria. Uma das razões é que existem menos portadores minoritários nos diodos de
silício que nos diodos de germânio. Em outras palavras, um diodo de silício tem uma
corrente de saturação muito menor que um diodo de germânio com as mesmas formas
e dimensões.
A CorrentedeFugadaSuperfície
Além da corrente devida aos portadores minoritários gerados termicamente, existe
alguma outra corrente circulando pelo diodo polarizado reversamente? Sim. Circula
uma pequena corrente pela superfície do cristal. Conhecida como correntedefuga da
superfície,ela é causada pelas impurezas na superfície e pelas imperfeições na estrutura
do cristal. (Se você quer saber mais sobre isso, veja os "Tópicos Opcionais" .)
o QueDevemoslembrar
A corrente reversa total num diodo consiste de uma corrente de portadores minoritá-
rios (muito pequena e que depende da temperatura) e uma corrente de fuga da
superfície (muito pequena e diretamente proporcional à tensão). Em muitas aplicações,
a corrente reversa num diodo de silício é tão pequena que não a notamos. A idéia
principal a ser lembrada é que: a correnteé aproximadamentezeronum diododesilício
reversamentepolarizado.
2.11 RUPTURA
Os diodos têm tensões nominais máximas. Existe um limite do valor de tensão reversa
que um diodo pode suportar antes de ser destruído.
o EfeitoAvalanche
Continue a aumentar a tensão reversa e você atingirá sua tensão de ruptura. Para os
diodos retificadores(aqueles fabricados para conduzir melhor de um modo que de
outro), a tensão de ruptura é usualmente maior que 50V.
(
r,~ t
~<r
..,.
Cap.2 Semicondutores 45
Uma vez atingida a tensão de ruptura, um grande número de portadores
minoritários aparece repentinamente na camada de depleção e o diodo conduz forte-
mente.
De onde vêmesses portadores?Elessãoproduzidos pelo efeitoavalanche(veja
a Figura 2.18), que ocorre em tensões reversas altas. Aqui está o que acontece. Como
sempre, existe uma pequena corrente reversa de portadores minoritários. Quando a
tensão reversa aumenta, ela acelera os portadores minoritários. Esses portadores mino-
ritários colidem com os átomos do cristal. Quando esses portadores minoritários
adquirem energia suficiente, podem chocar-se e liberar elétrons de valência, isto é,
produzir elétrons livres. Esses novos portadores minoritários somam-se aos já exis-
tentes e colidem com outros átomos. O processo é geométrico porque um elétron livre
libera um elétron de valência obtendo, portanto, dois elétrons livres. Esses dois elétrons
livres, por sua vez, libertam mais dois elétrons, obtendo quatro elétrons livres. Esse
processo continua até que a corrente reversa se torne alta.
v
Figura2.18 Avalanche.
AFigura 2.19mostra uma visão ampliada da camada de depleção. Apolariza-
ção reversa força o elétron livre a se mover para a direita. À medida que ele se
movimenta, adquire uma aceleração. Quanto maior a tensão reversa, maior é a acelera-
ção do elétron. Se a alta velocidade do elétron fornecer energia suficiente, pode arran-
car o elétron de valência do primeiro átomo e levá-Io para uma órbita maior. Isso
resulta em dois elétrons livres. Esses dois aceleram e deslocam outros dois elétrons.
Desse modo, o número de portadores minoritários fica muito alto e o diodo conduz
intensamente.
A tensão de ruptura de um diodo depende do nível de dopagem. Com os
diodos retificadores (o tipo mais comum), a tensão de ruptura é geralmente maior que
50V.Quando usar um diodo retificador, você não deve exceder sua tensão de ruptura.
Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.246
@
fi\
. @.
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.
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Figura2.19 Como ocorre a avalanche.
o EfeitoZener
Quando um diodo é fortemente dopado, a camada de depleção é muito estreita. Por
isso, o campo elétrico na camada de depleção (tensão dividida por comprimento) é
muito intenso. Quando a intensidade do campo atingir aproximadamente 300.000
V/ cm, o campo elétrico será forte o suficiente para arrancar os elétrons de suas órbitas
de valência.Ageraçãode elétrons livres dessemodo é chamadaefeitoZener(conhecida
também como emissãodealto campo).Isso é distintamente diferente do efeito de avalan-
che, o qual depende da alta velocidade dos portadores minoritários que deslocam os
elétrons livres.
o efeito Zener produz rupturas com tensões abaixo de 4 V,enquanto o efeito
avalanche requer uma tensão reversa de pelo menos 6 V.Quando a tensão de ruptura
ocorre entre 4 e 6 V,ambos os efeitos podem estar presentes.
If!l
t.'
,c.;.t .
'I 1
r
Cap.2 Semicondutores 4í
TÓPICOSOPCIONAIS
o material a seguir dá prosseguimento às discussões precedentes em um nível mais
avançado. Todos os tópicos são opcionais porque não são usados em qualquer das
discussões dos próximos capítulos.
2.12 NíVEISDEENERGIA
Para uma boa aproximação, podemos identificar a energia total de um elétron pelas
dimensões de sua órbita. Isto é, podemos pensar em cada raio da Figura 2.20a como
equivalente ao nível de energia na Figura 2.20b.Elétrons em órbitas menores estão nos
primeiros níveis de energia; elétrons na segunda órbita estão nos segundos níveis de
energia, e assim sucessivamente.
1
~~
~~
(a)
r3
r2
rI
(b)
Figura2.20 Os níveis de energia.
48 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
AltaEnergianasÓrbitasMaiores
Como o elétron é atraído pelo núcleo, é necessária uma energia extra para o elétron ser
levado para uma órbita maior. Quando um elétron sai de sua primeira ou segunda
órbita, ele ganha energia potencial em relação ao núcleo. Algumas das formas de
energia externas que podem levar elétrons para uma órbita maior são calor, luz e
tensão.
Por exemplo, assuma que uma força externa leve o elétron da primeira para a
segunda órbita. Esse elétron possui mais energia potencial, pois ele está mais afastado
do núcleo. A idéia é similar à de um objeto sobre a Terra. Quanto mais alto o objeto,
maior sua energia potencial em relação à Terra. Se o objeto for solto, ele pode cair e
realizar um trabalho quando atingir o solo.
AQuedadoElétrone a LuzIrradiante
Após um elétron ser levado para uma órbita maior, ele pode voltar para seu nível de
energia original. Quando isso ocorre, o elétron devolve sua energia extra em forma de
calor, luz ou outro tipo de irradiação. A energia perdida pela volta do elétron é igual à
quantidade de energia que é irradiada do átomo. Como elementos diferentes têm
diferentes níveis de energia, a cor da luz irradiada (vermelha, verde, laranja etc.)
depende do material usado.
O princípio de funcionamento do diodo emissor de luz (LED) baseia-se nos
níveis de energia. Com esse tipo de dispositivo, a tensão aplicada leva os elétrons aos
níveis mais altos de energia. Quando eles voltam para seus níveis originais, devolvem
a energia em forma de luz. Dependendo do material utilizado, a luz pode ser vermelha,
verde, laranja, azul etc.
As BandasdeEnergia
Na temperatura de zero absoluto, o semicondutor intrínseco da Figura 2.21 não tem
elétrons livres. Uma forma de entender isso é pelo conceito de níveis de energia. Dois
elétrons num cristal não podem ter exatamente os mesmos níveis de energia. Por isso,
todos os elétrons na primeira órbita têm níveis de energia ligeiramente diferentes. É
por isso que o primeiro nível de energia na Figura 2.21é mostrado como uma banda de
níveis de energia em vez de uma linha reta horizontal. De modo similar, os elétrons da
segunda órbita ficam dentro da segunda banda e os elétrons de valência, na banda de
valência.
,,'1
1')
r
I
J
1St
'-'I,' .
,1:1J
Cap.2 Semicondutores 49
. .
. .
BANDA DE CONDUÇÃO
BANDA DE VALÊNCIA
2S0C
2"BANDA
-273°C 1"BANDA
Figura2.21 As bandas de energia para um semicondutor intrínseco.
Na temperatura de -273°C (temperatura de zero absoluto), todos os elétrons
de valência estão firmemente presos à banda de energia de valência. Mas na tempera-
tura ambiente, a energia térmica pode ocasionalmente levar um elétron de valência
para a banda de condução. A energia adicional permite que alguns elétrons sejam
retirados da banda de valência para a banda de condução, conforme mostrado na
Figura 2.21. Os elétrons livres ficam nas órbitas da banda de condução, enquanto as
lacunas ficam nas órbitas da banda de valência.
AsBandasdeEnergiadoCristalTipon
Qual é a aparência das bandas de energia de um semicondutor tipo n?Na temperatura de
zero absoluto, a banda de condução possui muitos elétrons livres,mas a banda de valência
não tem lacunas. Na temperatura ambiente, porém, a energia térmica produz alguns
portadores minoritários. A Figura 2.22 ilustra essa situação. A banda de condução tem
muitos elétrons livres, enquanto a banda de valência tem apenas algumas lacunas.
AsBandasdeEnergiadeCristalTipop
Qual é a aparência das bandas de energia de rim semicondutor tipo p?Na temperatura
de zero absoluto, a banda de condução não possui elétrons livres, enquanto a banda de
valência não tem muitas lacunas produzidas pela dopagem. Na temperatura ambiente,
porém, a energia térmica produz alguns portadores minoritários. A Figura 2.23 ilustra
essa situação. A banda de condução tem apenas alguns elétrons livres, enquanto a
banda de valência tem muitas lacunas.
50 Eletrônica - 4G Edição - Volume 1 Cap.2
Figura2.22
Figura2.23
2.13
.
.
.
.
.
.
.
.
25°C
BANDA DE CONDUÇÃO
2~BANDA
1~BANDA
As bandas de energia para os semicondutores tipo n.
-273°C
~
25°C
-273°C
.
BANDA DE CONDUÇÃO
1~BANDA
As bandas de energia para os semicondutores tipo p.
COLINA DE ENERGIA
Para entender os dispositivos semicondutores dos tipos mais avançados, você precisa-rá conhecer como os níveis de energia controlam a ação de uma junção pn.
f
I
"J
ta
I
'I" .
Cap.2 Semicondutores 51
AntesdaDifusão
Supondo uma junção abrupta (aquela que muda repentinamente do material tipo p
para o tipo n), qual será a aparência do seu diagrama de energia? AFigura 2.24amostra
as bandas antes da difusão dos elétrons por meio da junção. O lado p possui muitas
lacunas na banda de valência e o lado n tem muitos elétrons livres na banda de
condução. Mas por que as bandas do lado p estão ligeiramente mais altas que as bandas
do lado n?
O lado p tem átomos trivalentes com uma parte central de carga +3,mostrada
na Figura 2.24b. Por outro lado, o lado n tem átomos pentavalentes com uma parte
central de carga +5 (Figura 2.24c).Uma parte central +3 exerce em um elétron uma
atração menor que uma parte central +5. Portanto, as órbitas de um átomo trivalente
(lado p) estão ligeiramente mais altas que as órbitas de um átomo pentavalente (lado n).
É por essa razão que as bandas p na Figura 2.24aestão ligeiramente mais altas.
ENERGIA
ÓRBITAS DA BANDA DE CONDUçÃO
JUNÇÃO
.
I
BANDA DE.. . ... CONDUçÃO
L
p
o 0000 oo 0000 BANDA DEVALÊNCIA
n
(a) (b) (c)
Figura 2.24 As bandas de energia antes da difusão.
Uma junção abrupta como a da Figura 2.24aé uma idealização, pois o lado p
não pode terminar repentinamente e logo a seguir iniciar um lado n. Um diodo
fabricado tem uma mudança gradativa de um material para o outro. Por essa razão, a
Figura 2.25amostra um diagrama de energia mais real de uma junção de diodo.
NoEquilíbrio
.}
Quando o diodo é formado, inicialmente não existe a camada de depleção (Figura
2.25a).Nesse caso, os elétrons livres irão difundir-se por meio da junção. Em termos de
níveis de energia, isso significa que os elétrons próximos à parte superior da banda de
condução se movem pela junção, conforme descrito anteriormente. Imediatamente
após ter cruzado a junção, um elétron livre recombina-se com uma lacuna. Em outras
52 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
palavras, o elétron passará da banda de condução para a banda de valência. Quando
faz isso, ele emite calor, luz ou outra forma de irradiação. Essa recombinação cria não
somente a camada de depleção, mas também muda os níveis de energia n~ junção.
A Figura 2.25bmostra o diagrama de energia após a formação da camada de
depleção. As bandas p movem-se para cima em relação às bandas n. Como você pode
ver, a parte de baixo de cada banda p fica no nível da parte de cima da banda n
correspondente. Isso significa que elétrons do lado n não têm energia suficiente para
cruzar a junção. A seguir, damos uma explanação simplifica da de por que a banda p
move-se para CIma.
ENERGIA ENERGIA
BANDA DE CONDUçÃO
-. ..........
p
n p
. ..........
BANDA DE VALÊNCIA
n
o o b o
o o b o
(a) (b)
ÓRBITA DA BANDA DE ÓRBITA DA BANDA DE CONDUçÃO
CONDUçÃO COM LACUNA COM A LACUNA PREENCHIDA
LACUNA
PREENCHIDA
(c) (d)
Figura 2.25 A difusão muda as bandas de energia.
A Figura 2.25cmostra uma órbita da banda de condução em torno de átomos
trivalentes antes de ter acontecido a difusão. Quando um elétron se difunde através da
junção, ele cai numa lacuna de um átomo trivalente (Figura 2.25d).Esse elétron extra na
órbita de valência fará com que a órbita da banda de condução seja empurrada para
I
1
~
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\I
Cap.2 Semicondutores 53
fora, afastando-se do átomo trivalente, conforme mostrado na Figura 2.25d.Portanto,
qualquer outro elétron que entrar nessa área necessitará de mais energia que o anterior
para fazer parte da órbita da banda de condução. Dito de modo diferente, a órbita da
banda de condução maior significa que o nível de energia é maior. Isso é equivalente a
dizer que as bandas p se movem para cima em relação às bandas n depois de a camada
de depleção ter sido formada.
No equilíbrio, os elétrons da banda de condução do lado n viajam em órbitas
que não são grandes o suficiente para alcançar o lado p (Figura 2.25b). Em outras
palavras, os elétrons do lado n não têm energia suficiente para atravessar a junção. Se
um elétron tentar se difundir pela junção, o caminho que ele encontrará irá parecer-se
comuma colina,uma colinade energia (vejaa Figura2.25b).O elétronnão pode subir
essa colina a não ser que receba alguma energia de uma fonte de tensão externa.
APolarizaçãoDireta
A polarização direta diminui a colina de energia (veja a Figura 2.26). Em outras
palavras, a bateria aumenta o nível de energia dos elétrons livres, o que equivale a
forçar a banda n para cima. Por isso, os elétrons livres adquirem energia suficiente para
entrar na região p.Assim que entra na região p, cada elétron cai numa lacuna (caminho
A). Como um elétron de valência, ele continua sua jornada em direção ao final esquer-
do do cristal.
ENERGIA
.. . . . .. .....
p
I
AI
~
n
Figura 2.26 As bandas de energia com a polarização direta.
Um elétron da banda de condução pode cair numa lacuna mesmo antes de
cruzar a junção. A Figura 2.26mostra como um elétron de valência pode cruzar a junção
da direita para a esquerda. Isso deixa uma lacuna imediatamente à direita da junção.
Essa lacuna não tem uma existência muito longa. Um elétron da banda de condução
logo preenche essa lacuna (caminho B).
54 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.2
Independentemente do local de onde ocorre a recombinação, o resultado é o
mesmo. Uma corrente constante de elétrons livres move-se em direção à junção, recom-
binando-se com as lacunas próximas da junção. Os elétrons capturados (agora elétrons
de valência) movimentam-se para a esquerda numa corrente constante através das
lacunas na região p.Desse modo, obtemos um fluxo contínuo de elétrons através do
diodo.
A propósito, quando os elétrons livres caem da banda de condução para a
banda de valência, eles irradiam seus excessos de energia na forma de calor e luz. Com
um diodo comum, a irradiação é em forma de energia térmica, que não tem um
propósito útil. Mas com um diodo emissor de luz (LED), a irradiação é uma luz
colorida que pode ser vermelha, verde, azul ou laranja. Os LEDs são largamente
usados como indicadores luminosos em instrumentos eletrônicos, teclados de compu-
tadores, equipamentos de consumo e outros.
2.14 BARREIRADEPOTENCIALETEMPERATURA
A temperatura ambienteé a temperatura do ar em volta do componente. A temperatura
na junção é a temperatura dentro do diodo, exatamente na junção do material tipo p
com o tipo n.
Qual é a
Solução
Se a
para
e
O valor da barreira de potencial depende da temperatura na junção. Uma
temperatura alta gera mais elétrons livres e lacunas. Esses elétrons extras e lacunas
reduzem a largura da camada de depleção, equivalente a diminuir a barreira de
potencial. Muitas pessoas usam a seguinte regra prática para estimar a variação na
barreira de potencial: a barreirade potencialdiminui 2 mV paracadagrau Celsiusde
aumentona temperatura,para diodostanto degermânioquanto desilício.
I
t
Capo2 Semicondutores 55
2.15 01000REVERSAMENTEPOLARIZADO
Vamos discutir algumas idéias um pouco mais avançadas sobre um diodo reversamen-
te polarizado. Para começar, você sabe que a largura da camada de depleção varia
quando a tensão reversa varia. Vamos ver o que isso implica.
ACorrentedeTransiente
Quando a tensão reversa aumenta, lacunas e elétrons movem-se afastando-se da jun-
ção. Como os elétrons livres e as lacunas afastam-se da junção, eles deixam íons
positivos e negativos atrás de si. Portanto, a camada de depleção fica mais larga.
Quanto maior a polarização reversa, mais larga é a camada de depleção. Enquanto a
camada de depleção ajusta-se à sua nova largura, circula uma corrente no circuito
externo. Essa corrente de transiente cai a zero após a camada de depleção parar de
crescer.
o tempo que a corrente de transiente circula depende da constante de tempo
RC do circuito externo. Isso ocorre tipicamente na faixa de nanossegundos. Por isso,
você pode desprezar os efeitos da corrente de transiente abaixo de 10 MHz, aproxi-
madamente.
ACorrentedeSaturaçãoReversaA Figura 2.27 ilustra a corrente de saturação em termos das bandas de energia. Supo- i
nha que um par de elétrons livre-lacuna seja gerado na área da junção A e B.O elétron I
livre em A vai descer a colina de energia, empurrando um elétron para fora do lado
direito da banda de condução. De modo similar, um elétron de valência desce a colina
dentro da lacuna em B.A descida do elétron de valência deixa uma lacuna atrás de si.
Essa lacuna extra no lado p deixa um elétron entrar pelo lado esquerdo do cristal.
56 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
.
.
.. .. ..
Figura 2.27 A corrente de saturação reversa.
Quanto maior for a temperatura, maior será a corrente de saturação. Um valor
aproximado útil que você deve lembrar é: 15dobra para cada 10°C de aumento na
temperatura. Isso representa um aumento de 7% na corrente de saturação para cada
grau Celsius de aumento.
A CorrentedeFugadaSuperfície
Damos a seguir urna explicação resumida da existência dessa corrente. Suponha que os
átomos na parte de cima e na parte de baixo da Figura 2.28asejam átomos da superfície
do cristaL Corno esses átomos não têm vizinhos, eles possuem ligações covalentes
quebradas (lacunas). Visualize essas lacunas ao longo da superfície do cristal mostrado
na Figura 2.28b.Em efeito, a superfície de um cristal é corno um semicondutor tipo p.
Por isso, os elétrons podem entrar pelo lado esquerdo do cristal, viajar através das
lacunas da superfície e deixar o lado direito do cristaL Desse modo, obtemos urna
pequena corrente reversa ao longo da superfície. Ao contrário da corrente de portado-
res minoritários que independe <;iatensão reversa, a corrente de fuga da superfície é
diretamente proporcional à tensão reversa.
++++++++
LIGAÇÕES QUEBRADAS
0=0=0=0
11 11 11 11
0=0=0=0
11 11 11 11
0=0=0=0
LIGAÇÕES QUEBRADAS
(a)
p n
++++++++
V-=-
+
(b)
Figura 2.28 A corrente _defuga da superfície.
Cap.2 Semícondutores 57
Exemplo2.7
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 5 nA a 25°c. Estime o valor da
corrente de saturação a 1O0"C.
Solução
A corrente de saturação dobra para cada 10°Cde aumento na temperatura. Portanto,
ela é igual aIO nA em 3~oC,.~. nAé:\45°Ç, 40 nA a 55°Ç, 80 nA a 65°C, 160 nA a 75°C,
320 nA a 85°C,MOnA a5J5"Cé"t,28fi,A a 1.05°C.LogO, êla éde 1 !-tAaproximadamente
a 100°c.
Lembre-se de que essa regra é apenas uma aproximação. Mas se precisar de
uma resposta mais precisa, use UIDa regra equivalente: 7% de aumento por grau
Celsius de aumento. Nesse casO,
15 = (1,07)(1,07)(1,07)(1,07)(1,07)640 nA = 898 nA
Realmente, um míi\temâ,tico!J!1eSolV'~a'IJiO1pJíK)ble11'l,acomo esse do seguinte
modo: existem sete fatores de 10° e cinco fatores de 1°entre 25"C e 100°c. Portanto,
15 = (27)(1,075)(5 nA) = 898 nA
Exemplo2.8
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 5 nA e uma corrente de fuga
da superfície de 10 nA quando a tensão reversa é de 15 V. Qual é a corrente reversa
total quando a tensão mversí1li.for<:b.3bradapara 30V?
>,
Solução
A corrente de saturaçãoperIDanece em 5nA porque. a temperatura é o único fator de
variação dessa corrente. Mas, relatei deOhm, a corrente de fuga da superfície será
o dobro. Portanto, a corrente reversa total é
IR; = 5Ji1A + 20 nA = 25 nA
58 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
RESUMO
Seção2.1 Condutores
Um átomo neutro de cobre tem apenas
um elétron em sua órbita. Como esse
elétron simples pode ser deslocado facil-
mente de seu átomo, ele é chamado de
elétron livre. O cobre é um bom condu-
tor porque o menor valor de tensão faz
com que os elétrons livres circulem de
um átomo para outro.
Seção 2.2 Semicondutores
O silício é o material semicondutor mais
largamente empregado. Um átomo iso-
lado de silício tem quatro elétrons em
sua órbita de valência. O número de elé-
trons na órbita de valência é a chave na
determinação de sua condutibilidade.
Os condutores possuem um elétron de
valência, semicondutores possuem qua-
tro elétrons de valência e isolantes, oito
elétrons de valência.
Seção2.3 OsCristaisdeSilício
Cada átomo de silício num cristal tem
seus quatro elétrons de valência mais
outros quatro elétrons cedidos pelos áto-
mos vizinhos. Na temperatura ambi-
ente, um cristal puro de silício tem
apenas alguns elétrons livres e lacunas
produzidos termicamente. O tempo
entre a geração e a recombinação de um
elétron livre e uma lacuna é chamado de
tempo de vida.
-==-
Seção 2.4 Semicondutores Intrínsecos
Um semicondutor intrínseco é um semi-
condutor puro. Quando uma tensão ex-
terna é aplicada num semicondutor
intrínseco, os elétrons livres circulam na
direção do terminal positivo da bateria e
as lacunas na direção do terminal negati-
vo da bateria.
Seção2.5 DoisTIposdeFluxosde
Corrente
Existem dois tipos de fluxos de portado-
res num semicondutor intrínseco. Pri-
meiro, há o fluxo de elétron livre através
das órbitas maiores (banda de condu-
ção). Segundo, há um fluxo de lacunas
através das órbitas menores (banda de
valência).
Seção 2.6 Dopagemdeum
Semicondutor
A dopagem aumenta a condutibilidade
de um semicondutor. Um semicondutor
dopado é chamado de semicondutor ex-
trínseco.Quando um semicondutor intrín-
seco é dopado com átomos pentavalentes
(doadores), ele tem mais elétrons livres
do que lacunas. Quando um semicondu-
tor intrínseco é dopado com átomos tri-
valentes (receptor), ele tem mais lacunas
do que elétrons livres.
~
"'"'
r
I
I
J
r
T
'"
r
J
Cap.2 Semicondutores 59
Seção 2.7 DoisTIposdeSemicondutores
Extrínsecos
Num semicondutor tipo n os elétrons
livres são portadores majoritários, en-
quanto as lacunas são portadores mino-
ritários.
Seção2.8 ODiodoNão-polarizado
Um diodo não-polarizado tem uma ca-
mada de depleção na junção pn. Os íons
nessa camada de depleção produzem
uma barreira de potencial. Na tempera-
tura ambiente, essa barreira de potencial
é de 0,7V aproximadamente para um dio-
do de silício.
Seção2.9APolarizaçãoDireta
Quando uma tensão externa se opõe à
barreira de potencial, o diodo fica direta-
mente polarizado. Se a tensão aplicada
for maior que a barreira de potencial, a
corrente é alta. Em outras palavras, a
corrente circula facilmente quando o
diodo é diretamente polarizado.
Seção 2.10 A PolarizaçãoReversa
Quando uma tensão externa está no
mesmo sentido da barreira de potencial,
o diodo fica reversamente polarizado. A
largura da camada de depleção aumenta
quando a tensão reversa aumenta. A cor-
rente é aproximadamente zero.
Seção2.11 Ruptura
Uma tensão reversa muito alta pode
produzir um efeito de avalanche ou Ze-
ner. Portanto, a corrente alta de ruptura
destrói o diodo. Em geral, os diodos
nunca operam na região de ruptura. A
única exceção é o diodo Zener, um diodo
de aplicação especial que será estudado
num próximo capítulo.
QUESTÕES
1. Quantos prótons existem no núcleo do
átomo de cobre?
a) 1 c) 18
b) 4 d) 29
2. A carga líquida de um átomo neutro de
cobre é
a) O c) - 1
~ +1 ~+4
3. Suponha que um elétron de valência te-
nha sido retirado do átomo de cobre. A
carga líquida do átomo fica sendo
a) O
b) +1
c) -1
d) +4
4. o elétron de valência do átomo de cobre
experimenta que tipo de atração na dire-
ção do núcleo?
a) Nenhuma
b) Fraca
c) Forte
d) Impossível saber
5. Quantos elétrons de valência tem um áto-
mo de silício?
a) O c) 2
b) 1 d) 4
60 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
-
6. Qual é o semicondutor mais largamente 13. A fração de tempo entre a geração de
empregado? uma lacuna e seu desaparecimento é cha-
a) Cobre mada de
b) Germânio a) Dopagem
c) Silício b) Tempo de vida
d) Nenhum desses c) Recombinação
d) Valência
7. Quantos prótons existem num núcleo de
um átomo de silício? 14. O elétron de valência de um condutor é
a) 4 c) 29 chamado também de um
b) 14 d) 32 a) Elétron de ligação
b) Elétron livre
8. Os átomos de silício combinam-se segundo c) Núcleo
um padrão ordenadamente chamado de d) Próton
a) Ligação covalente
b) Cristal 15. Quantos tipos de fluxos tem um condu-
c) Semicondutor tor?
d) Órbita de valência a) 1 c)3
b) 2 d) 4
9. Um semicondutorintrínseco tem algu-
mas lacunas na temperatura ambiente. O 16. Quantos tipos de fluxos tem um semi-
que originou essas lacunas? condutor?
a) A dopagem a) 1 c) 3
b) Os elétrons livres b) 2 d) 4
c) A energia térmica
d) Os elétrons de valência 17. Quando uma tensão externa é aplicada
num semicondutor, as lacunas circulam
10. Cada elétron de valência num semicon- a) Afastando do potencial negativo
dutor intrínseco estabelece b) Em direção ao terminal positivo
a) Uma ligação covalente c) No circuito externo
b) Um elétron livre d) Nenhum desses
c) Uma lacuna
d) Uma recombinação 18. Quantas lacunas tem um condutor na
temperatura ambiente?
11. A fusão de um elétron livre com uma a) Muitas
lacuna é chamada de b) Nenhuma
a) Ligação covalente c) Apenas aquelas produzidas pela
b) Tempo de vida energia térmica
c) Recombinação d) A mesma quantidade de elétrons
d) Energia térmica
19. Num semicondutor intrínseco, o número
12. Na temperatura ambiente, um cristal de de elétrons livres é
silício age aproximadamente como a) Igual ao número de lacunas
a) Uma bateria b) Maior que o número de lacunas
b) Um condutor c) Menor que o número de lacunas
c) Um isolante d) Nenhum desses
d) Um pedaço de fio de cobre
..
I
I
1
t
t
f'
,
20.o valor da temperatura de zero absoluto
é
a) -273°C
b) O°C
c)
d)
25°C
50"C
21. Na temperatura de zero absoluto um se-
micondutor intrínseco
a) Tem alguns elétrons livres
b) Tem muitas lacunas
c) Tem muitos elétrons livres
d) Não tem lacunas nem elétrons
livres
22. Na temperatura ambiente, um semicon-
dutor intrínseco
a) Tem poucos elétrons e lacunas
b) Tem muitas lacunas
c) Tem muitos elétrons livres
d) Não tem lacunas
23. o número de elétrons livres e de lacunas
num semicondutor intrínseco aumenta
quando a temperatura
a) Diminui
b) Aumenta
c) Permanece a mesma
d) Nenhum desses
24. o fluxo de elétrons de valência para a
esquerda significa que o fluxo de lacunas
vai
a) Para a esquerda
b) Para a direita
c) Nos dois sentidos
d) Nenhum desses
25. As lacunas agem como
a) Átomos
b) Cristais
c) Cargas negativas
d) Cargas positivas
26. Quantos tipos de fluxos de corrente exis-
tem num condutor?
a) O b) 1
c) 2 d) 3
Cap.2 Semicondutores 61
27. Quantos tipos de fluxos de corrente exis-
tem num semicondutor?
a) O b) 1
c) 2 d) 3
28. Quantos elétrons de valência existem nos
átomos trivalentes?
a) 1 b) 3
c) 4 d) 5
29. Quantos elétrons de
num átomo doador?
a) 1 b) 3
c) 4 d) 5
valência existem
30. Para produzir um semicondutor tipo p, o
que você usaria?
a) Átomos receptores
b) Átomos doadores
c) Impurezas pentavalentes
d) Silício
31. Em que tipo de semicondutor as lacunas
são portadores minoritários?
a) Extrínseco
b) Intrínseco
c) Tipo n
d) Tipo p
32. Quantos elétrons livres existem num se-
micondutor tipo p?
a) Muitos
b) Nenhum
c) Apenas aqueles produzidos
pela energia térmica
d) O mesmo número de lacunas
33. A prata é o melhor condutor.
elétrons de valência ela tem?
a) 1 c) 18
b) 4 d) 29
Quantos
34. Suponha que um semicondutor intrínseco
tenha um bilhão de elétrons livres na tem-
peratura ambiente. Se a temperatura mu-
dar para 75°c, quantas lacunas existirão?
62 Eletrônica - 4g Edição- Volume1 Cap.2
-
a) Menos de um bilhão
b) Um bilhão
c) Mais de um bilhão
d) Impossível dizer
35. Uma fonte de tensão externa é aplicada
num semicondutor tipo p. Se a extrema
esquerda do cristal for positiva, qual será
o sentido do fluxo dos portadores majori-
tários?
a) Para a esquerda
b) Para a direita
c) Nenhum
d) É impossível dizer
36. Qual dos seguintes itens não se relaciona
com os outros três?
a) Condutor
b) Semicondutor
c) Quatro elétrons de valência
d) Estrutura cristalina
37. Qual das seguintes é considerada aproxi-
madamente a temperatura ambiente?
a) O"C c) 40°C
b) 25"C d) 75"C
38. Quantos elétrons existem na órbita de va-
lência de um átomo de silício dentro do
cristal?
a) 1
b) 4
c) 8
d) 14
39. Os íons positivos são átomos que
a) Ganharam um próton
b) Perderam um próton
c) Ganharam um elétron
d) Perderam um elétron
40. Qual dos seguintes descreve um semi-
condutor tipo n?
a) Neutro
b) Carregado positivamente
c) Carregado negativamente
d) Possui muitas lacunas
41. Um semicondutor tipo p possui lacunas e
a) Íons positivos
b) Íons negativos
c) Átomos pentavalentes
d) Átomos doadores
42. Qual dos seguintes descreve um semi-
condutor tipo p?
a) Neutro
b) Carregado positivamente
c) Carregado negativamente
d) Possui muitos elétrons livres
43. Qual dos seguintes não pode se mover?
a) Lacunas
b) Elétrons livres
c) Íons
d) Portadores majoritários
44. Qual dos seguintes é causa da camada de
depleção?
a) Dopagem
b) Recombinação
c) Barreira de potencial
d) Íons
45. Qual é a barreira de potencial de um dio-
do de silício?
a) 0,3 V
b) 0,7 V
c) 1 V
d) 2 mV por grau Celsius
46. Para que a corrente num diodo de silício
seja alta, a tensão aplicada deve ser maior
que
a) O
b) 0,3 V
c) 0,7 V
d) 1 V
47. Num diodo de silício, a corrente reversa é
geralmente
a) Muito pequena
b) Muito alta
c) Zero
d) Na região de ruptura
--
t
i
I
1
I
t
1-
Cap.2 Semicondutores 63
i
,.
48. A corrente de fuga da superfície é parte
da
a) Corrente direta
b) Ruptura direta
c) Corrente reversa
d) Ruptura reversa
49. A tensão em que se dá a ruptura é cha-
mada de
a) Barreira de potencial
b) Camada de depleção
c) Tensão de joelho
d) Tensão de ruptura
50. A difusão dos elétrons livres por meio da
junção de um diodo não-polarizado pro-
duz
a) polarização direta
b) polarização reversa
c) ruptura
d) camada de depleção
51. Quando a tensão reversa aumenta de 5
para 10 V, a camada de depleção
a) Torna-se menor
b) Torna-se maior
c) Não é afetada
d) Atinge a ruptura
52. Quando um diodo é diretamente polari-
zado, a recombinação dos elétrons livres
com as lacunas deve produzir
a) Aquecimento
b) Luz
c) Irradiação
d) Todos esses
53. Uma tensão reversa de 20 V é aplicada
num diodo. Qual é a tensão na camada
de depleção?
a) OV
b) 0,7 V
c) 20 V
d) Nenhum desses
PROBLEMASBÁSICOS
2.1 Qual será a carga líquida de um átomo de
cobre se ele ganhar três elétrons?
2.2 Qual será a carga líquida de um átomo de
silício se ele perder todos seus elétrons?
2.3 Classifique cada um dos elementos a se-
guir como um condutor ou semicondu-
tor:
a) Germânio
b) Prata
c) Silício
d) Ouro
2.4 Um diodo é diretamente polarizado. Se a
corrente for de 5 mA no lado n, qual é a
corrente em cada um dos seguintes
pontos:
a) No lado p
b) Nos fios conectados
externamente
c) Na função
2.5 Classifique cada um dos seguintes semi-
condutores como tipo n ou tipo p:
a) Dopado com átomos receptores
b) Cristal com impurezas pentavalentes
c) Os portadores majoritários são
as lacunas .
d) Átomos doadores foram adicionados
ao cristal
e) Os portadores majoritários são os
elétrons livres
PROBLEMASAVANÇADOS
2.6 Um projetista deverá usar um diodo de
silício numa temperatura de O' a 75'c.
Quais são os valores m~ximo e mínimo
da barreira de potencial?
64 Eletrônica - 4" Edição - Volume 1 Cap.2
2.7 Um diodo de silício tem uma corrente de
saturação de 10 nA na temperatura de
25°c. Se ele opera numa faixa de tempe-
ratura de 0° a 75"C, quais são os valores
máximo e mínimo da corrente de satura-
ção?
2.8 Um diodo tem uma corrente de fuga da
superfície de 10 nA quando a tensão re-
versa é de 10 V.Qual é a corrente de fuga
da superfície se a tensão reversa aumen-
tar para 50 V?
...
t
i
-t
l
1
r
Capítulo 3
+
ATEORIADOSOIOOOS
Este capítulo trata dos métodos de aproximação do diodo. A aproximação a ser usada
numa situação depende do que você está tentando fazer. Se for manutenção, a aproxi-
mação ideal é às vezes adequada. Sefor projeto, a terceira aproximação deve ser usada.
Na maioria das vezes, a segunda aproximação é suficiente.
Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde:
~ Desenhar o símbolo do diodo e identificar o catodo e o anodo.
~ Desenhar a curva do diodo e identificar todos os seus pontos ou áreas
significativos.
~ Descrever as características de um diodo ideal
~ Explicar a segunda aproximação de um diodo.~ Desenhar a curva do diodo para a terceira aproximação.
~ Listar quatro características básicas dos dispositivos sernicondutores que
você encontrará nas folhas de dados.
65
66 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
3.1 o SíMBOLO ESQUEMÁTICO
Alguns dispositivos eletrônicos são lineares,o que significa que suas correntes são
diretamente proporcionais às suas tensões. Eles são chamados lineares porque o gráfi-
co da corrente versus tensão desses componentes é uma linha reta. O exemplo mais
simples de um dispositivo linear é um resistor comum. Sevocê levantar seu gráfico da
corrente versus tensão, obterá uma linha reta.
Um diodo é diferente. Por causa da barreira de potencial, um diodo não age
como um resistor. Conforme será visto, uma curva de corrente versus tensão para um
diodo produz um gráfico não-linear.
A Figura 3.1 mostra o símbolo esquemático de um diodo retificador. O lado p
é chamado anodo e o lado n, catodo. O símbolo do diodo parece-se com uma seta que
aponta do lado p para o lado n, do anodo para o catodo. Por isso, a seta do diodo lembra
que a corrente convencional circula facilmente do lado p para o lado n. Se você usa o
sentido real da corrente, os elétrons circulam facilmente contra a seta do diodo.
p
n
Figura3.1 o símbolo esquemático de um diodo retificador.
3.2 ACURVADO01000
Quando um fabricante produz um diodo para converter uma corrente alternada em
corrente contínua, o diodo é chamado de diodo retificador.Uma de suas principais
aplicações é nas fontes de alimentação- circuitos que convertem a tensão alternada em
tensão contínua.
A Figura 3.2 mostra o mais simples dos circuitos com diodo. Como analisar
um circuito como esse? Quando você está analisando circuitos com diodos, uma das
coisas a identificar é se o diodo está direta ou reversamente polarizado. Isso nem
sempre é fácil. Mas aqui temos algo que pode ajudar. Faça a você mesmo a seguinte
....
f
I
-1
i
t
'1
Capo3 A teoria dos diodos 67
pergunta: o circuito externo está tentando fazer com que a corrente convencional
circule no sentido da seta do diodo ou no sentido contrário? Se a corrente
convencional for no mesmo sentido da seta do diodo, o diodo está diretamente
polarizado.
R
+
vs-
+
vD
Figura3.2 A polarização direta.
Se você preferir o sentido real da corrente, faça a você mesmo a pergunta
declarada para o fluxo de elétrons livres. O circuito externo está tentando fazer com
que os elétrons livres circulem no sentido da seta do diodo ou no sentido oposto? Se for
no sentido oposto, o diodo conduz facilmente.
3.3 AREGIÃODIRETA
A Figura 3.2 mostra um circuito que você pode montar no laboratório. Depois de
montado, você pode medir a tensão no diodo e a corrente que circula por ele. Isso
fornecerá pares correspondentes de I e V para usar no seu gráfico.
ATensãodeJoelho
A Figura 3.3 mostra o gráfico do diodo de silício diretamente polarizado. O que o
gráfico nos diz? Para iniciar, a corrente é pequena para os primeiros décimos de tensão.
Quando nos aproximamos de 0,7 V, os elétrons livres começam a cruzar a junção em
grande quantidade. Acima de 0,7 V, o mais leve aumento na tensão do diodo produz
um maior aumento na corrente.
O valor de tensão no qual a corrente começa a aumentar rapidamente é
chamado tensãodejoelhodo diodo. Para um diodo de silício,a tensão de joelho é igual
à barreira de potencial, aproximadamente 0,7 V. Um diodo de germânio, por outro
lado, tem uma tensão de joelho de cerca de 0,3V.
68 Eletrônica - 46 Edição - Volume 1 Cap.3
RUPTURA
1
CORRENTE
DE FUGA
REGIÃO
DIRETA
v
REGIÃO
REVERSA
JOELHO:::: 0,7 V
Figura3.3 A curva do díodo.
oDispositivoNão-linear
Um diodo é um dispositivo não-linear.Abaixo de 0,7 V, o diodo tem apenas uma
corrente muito pequena. Logo após 0,7V,a corrente aumenta rapidamente. Essa ação é
muito diferente de um resistor comum, no qual a corrente aumenta em proporção
direta com a tensão. A razão do diodo ser diferente é que ele tem uma barreira de
potencial produzida por camada de depleção.
AResistênciadeCorpo
Acima da tensão de joelho, a corrente no diodo aumenta rapidamente. Isso significa
que pequenos aumentos na tensão do diodo implica grandes aumentos na corrente do
diodo. A razão é que, uma vez vencida a barreira de potencial, tudo o que impede a
corrente é a resistência das regiões p e n. A soma dessas resistências é chamada
resistênciade corpodo diodo. Em símbolos,
rB = rp + rN
A resistência de corpo depende do nível de dopagem e das dimensões das
regiões p e n. Tipicamente, a resistência de corpo de um diodo retificador é menor
que 1Q.
~
{
~
i
~
-t.
Cap.3 A teoria dos diodos 69
AMáximaCorrenteccDireta
Se a corrente num diodo for muito alta, uma temperatura excessiva irá destruí-Io.
Mesmo se nos aproximarmos do valor de queima, sem contudo atingi-Io, ele pode
encurtar a vida do diodo e degradar suas propriedades. Por essa razão, as folhas de
dados dos fabricantes especificam a corrente máxima na qual um diodo pode funcionar
com segurança sem diminuir sua vida ou degradar suas características.
A correntediretamáximaé um dos valoresnominaismáximosfornecidospelas
folhas de dados. Essa corrente pode ser listada como IF(~máx)'10etc.,dependendo do fabri-
cante.Por exemplo, um 1N456tem um valor nominal maximo de 135mA. Isso significaque
ele pode funcionar seguramente com uma corrente contínua direta de 135mA.
oResistorde limitaçãodeCorrente
Na Figura 3.2,o resistor é chamado resistor de limitaçãodecorrente.Quanto maior o
valor dessa resistência, menor a corrente no diodo. A resistência de limitação da
corrente deve garantir que a corrente no diodo seja menor que o valor nominal
máximo.
A corrente no diodo é dada por
Vs - VD
I=~
(3.1)
onde V5 é a tensão da fonte e VD é a tensão no diodo. Essa equação é a lei de Ohm
aplicada no resistor de limitação da corrente. Em outras palavras, a tensão no resistor é
igual a Vs - Vo. Dividindo essa tensão pela resistência, obtemos a corrente no resistor.
Como esse circuito é em série, o diodo tem o mesmo valor de corrente do resistor.
ADissipaçãoMáximadePotência
+ A relação mais próxima da corrente cc direta máxima é a potência de dissipação máxima.
Como um resistor, um diodo tem sua potência nominal. Esse valor nominal diz com
que potência o diodo pode dissipar seguramente sem diminuir sua vida útil ou degra-
dar suas propriedades. Quando a corrente no diodo é direta, o produto da tensão pela
corrente é igual à potência dissipada pelo diodo.
I
,
70 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.3
Com diodos retificadores, a potência nominal máxima não é normalmente
usada, pois todas as informações já estão contidas na corrente nominal máxima. Por
exemplo, a folha de dados de um 1N400l fornece o valor da corrente direta máxima 10
de 1 A. Enquanto você mantiver a corrente direta máxima dentro de 1 A, o diodo não
queimará.
Exemplo3.1
Suponha que um diodo tenha rp = 0,13 Q e rN = 0,1 Q. Qual é o valor da resistência
de corpo?
Solução
Some as resistências individuais para obter a resistênda de corpo:
rB = 0,13 Q + 0,1 Q = 0,23 Q
A resistência de corpo é também chamada de resistência ôhmicado diodo, porque ela
nada mais é que a resistência do material por onde a corrente circula.
Exemplo3.2
Na Figura 3.2, Vs =10 V,VD.=0,7Ve R =1 k,Q..Qualé a corrente no diodo?
Solução
A tensão no resistor é igual a 9,3 V. Agora, use a lei de Ohm para calcular a corrente
no circuito:
I = 9,3V
1 kQ = 9,3mA
3.4 AREGIÃOREVERSA
Quando você polariza reversamente um diodo, obtém apenas uma pequena corrente
de fuga. Fazendo medições na corrente e tensão do diodo, você pode plotar a curva
reversa; ela terá a aparência da região reversa mostrada na Figura 3.3. A corrente no
diodo é muito pequena para todas as tensões reversas de menos na tensão de ruptura.
Na ruptura, a corrente aumenta rapidamente para pequenos aumentos na tensão.
J
Cap.3 A teoria dos diodos 71
Essa é
num é a potência
Exemplo3.3
A
Solução
gera calor,
A Figura 3.3 mostra a corrente versus tensão no diodo. Mesmo medindo a
correntee a tensão no diodo no circuito da Figura 3.2, a curva da Figura 3.3 pode ser
usada para qualquer circuito com diodo. Por quê? Porque a relação entre a corrente e a
tensão no diodo é a mesma, não importa como o diodo está conectado.
","
3.5 o 01000IDEAL
.:!
Até o fim deste capítulo, discutiremos três métodos de aproximação para os diodos de
silício. Cada um é útil dentro de certas condições. Vamos começar com a aproximação
mais simples,chamada diodoideal.
O que faz um diodo retificador? Ele conduz bem na polarização direta e
conduz mal na polarização reversa. ldealmente, um diodo retificador funciona como
um perfeito condutor (resistência zero) quando diretamente polarizado e como um
perfeito isolante (resistência infinita) quando reversamente polarizado....
I
"
A Figura 3.4mostra o gráfico corrente tensão de um diodo ideal. Ele reforça o
que acabamos de dizer: uma resistência zero qw;mdo diretamente polarizado e resis-
tência infinita quando reversamente polarizado. E impossível construir tal dispositivo,
mas isso é o que os fabricantes produziriam se pudessem.
Existe algum dispositivo que funcione como um diodo ideal? Uma chave
comum tem resistência zero quando fechada e resistência infinita quando aberta.
Portanto, um diodo ideal funciona como uma chave que fecha quando diretamente
polarizada e abre quando reversamente polarizada. A Figura 3.5 resume a idéia da
chave.
72 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.3
I
V
Figura3.4 A curva do diodo ideal.
IDEAL
~ -/0
POLARIZAÇÃO REVERSA
0-0
POLARIZAÇÃO DIRETA
Figura3.5 O diodo ideal funciona como uma chave.
Exemplo3.4
Use a aproximação do diodo ideal para calcular a corrente na carga, a tensão na
carga, a potência na carga, a potência .no diodo e a potência total na Figura 3.6.
Solução
A fonte de alimentação polariza o diodo diretamente. Visualizeo diodo substituído
por uma chave fechada. Portanto, temos um circuito em série com uma fonte de
tensão de 10 V e uma resistência de carga de 1 kQ. Com a lei de Ohm,
1 = 10V
1kQ = 10mA
Como a chave está fechada, toda a tensão da fonte aparece no resistor de carga e
VL = 10V
A seguir, use o produto VI para obter a potência, como segue:
PL = (10V)(10mA) = 100mW
PD = (OV)(10mA) = O
Apotência total é a soma das potências individuais:
PT = PD + PL = O + lOOmW = lOOmW
--
Capo3 A teoria dos diodos 73
lN4001
RL
1 kQ1OV -=:....
1
- -
Figura3.6 Exemplo.
3.6 ASEGUNDAAPROXIMAÇÃO
A Figura 3.7 mostra o gráfico corrente versus tensão para a segunda aproximação.O
gráfico diz que não há corrente enquanto a tensão no diodo não chegar a 0,7 V.Nesse
ponto, o diodo conduz. A partir daí, apenas 0,7 V aparece no diodo, não importando o
valor da corrente.
I
.(
0,7 V
v
Figura3.7 A curva do diodo para a segunda aproximação.
A Figura 3.8 mostra o circuito equivalente para a segunda aproximação.
Pensamos no diodo como uma chave em série com uma barreira de potencial de 0,7V.
Se a tensão da fonte for de pelo menos 0,7 V, a chave fecha. Nesse caso, a tensão no
dispositivo é de 0,7 V.Como a barreira de potencial é fixada em 0,7 V,a queda total no
diodo será de 0,7 V para qualquer valor de corrente direta.
2' APROXIMAÇÃO
~ -/0
0,7 V
111~
0,7V
0-0---111 ~
POLARIZAÇÃODIRETAPOLARIZAÇÃO REVERSA
Figura3.8 Na segunda aproximação, o diodo funciona como uma chave com bateria.
74 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
Por outro lado, se a tensão da fonte for menor que 0,7V ou se a tensão da fonte
for negativa (com polaridade reversa), a chave fica aberta. Logo, a barreira de potencial
não tem efeito e você pode pensar no diodo como um circuito aberto.
Exemplo3.5
Use a segunda aproximação para calcular a corrente na carga, a tensão na carga, a
potência na carga, a potência no diodo e a potência total na Figura 3.6.
Solução
Visuatizeo diodo substituído por uma chave fechada e uma barreira de potencial de
0,7 V. Portanto, temos um circuito em série com duas baterias em oposição,
conforme mostrado na Figura 3.9. As tensões em oposição se subtraem e a lei de
Ohm fornece
10 V O,7V - 9/3V = 9,3mA
I =.. 1 kQ - 1 kQ
A tensão na carga é igual a
VL .""!..hRL"" (9,3.mA)(11çQ) =9,3 V
Um modo alternativo de calcular a tensão na carga é pela subtração da queda do
diodo da fonte de alimentação:
VL = Vs - Vo = 10V - 0,7 V = 9,3 V
Aseguir, usebproduto VI para o~er a pQfência.como<segue:
PL = (9,3V)(9,3mA) = 86,5mW
Po = (0,7V)(9,3mA) = 6,51mW
Apotência total é a soma das potêficiasm&viduãis:
PT = Po + PL = 6,51mW + 86,5mW = 93mW
0,7v
~II-
10V -==-
1
RL
lkQ
- -
Figura3.9 Exemplo.
Capo3 A teoria dosdiados 75
3.7 ATERCEIRAAPROXIMAÇÃO
Na terceiraaproximaçãode um diodo, incluímos a resistência de corpo rB' A Figura 3.10
mostra o efeito que rB tem sobre a curva do diodo. Após o diodo de silício entrar em
condução,a tensão aumenta linear ou proporcionalmentecomo aumento da corrente.
Quanto maior a corrente, maior a tensão, porque a queda IR em rB aumenta para a
tensão total do diodo.
I
v
0,7V
Figura3.10 A curva do diodo para a segunda aproximação.
3~ APROXIMAÇÃO
~
0,7 V r
~o 1ll~
POLARIZAÇÃO REVERSA
0,7 V r
~II~
POLARIZAÇÃO DIRETA
Figura3.11 Circuito equivalente para a terceira aproximação.
~;:-
o circuito equivalente para a terceira aproximação é uma chave em série com
uma barreira de potencial de 0,7 V e uma resistência rB (veja a Figura 3.11).Quando a
tensãoaplicadafor maior que 0,7V,o diodo conduz.A tensão total no diodo é igual a
VD = 0,7 + IDrB (3.2)
3.8 AESCOLHADAAPROXIMAÇÃO
-f
Que aproximação você deve usar? Se você está fazendo uma verificação de defeito
(manutenção) ou uma análise preliminar, os erros são sempre aceitáveis. Por outro
lado, se o seu circuito usa resistores de precisão com tolerâncias de 1 por cento, você
deve usar a terceira aproximação. Mas, na maioria das vezes, a segunda aproximação é
a melhor escolha.,
76 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
Exemplo3.6
Use a terceira aproximação para calcular a corrente na carga, a tensão na carga, a
potência na carga, a potêncianodigdQ e í,l.pgtêBcií,ltotal Ba>Figurí,l3.6.Um lN4001
tem uma resistência de corpo de 0,23Q.
Solução
Visualize o diodo substituído por uma..chave fechada, uma barreira de potencial e
uma resistência de corpo de 0,23 Q. Logo, temos um circuito em série como o
mostrado na Figura 3.12.Asbaterias em opm,içãose subtraem e as duas resistências
se somâm. Portanto, a lei de Ohm fornece
I ...1QV- O,7V9,~V
1 kQ + 0,23Q" 1 kQ .. 9,3rnA
A resistência de corpo (0,23 Q) é tão pequena comparada com a resistência de carga
(1 kQ) que a soma pode ainda ser considerada como sendo de 1 kQ após o
arredondamento dos dígitos significati"'os. Por isso, todos os outros cálculos
produzem quase os mesmos resultados de antes:
VL ..frRL ..(9,3 mA)(l kQ) ..9,3V
PL .. (9,3V)(9,3mA); .. 86)5rnW'
6
PD .. (0,702V)(9,3mA) .. 6,53mW
PT" PD + PL" 6,53mW + 86,5mW .. 93mW
A única quantidade que é significativamente diferente é a potência do diodo. Isso
ocorre porque a tensão.:nodioPoEé um pouco maior em razão da queda adicional na
resistência de corpo:
0,7V
[11[-
IOV1
0,23 Q
RL
1 kQ
- -
Figura3.12 Exemplo de um circuito em série.
A equação-guia que diz que aproximação você deve usar é:
I
I
T
I
I
r
~:.;
f,
Capo3 A teoria dos diodos 77
Vs - 0,7 (3.3)
IF = RL + YB
Primeiro, você deve considerar se o valor de tensão da alimentação é muito maior que
0,7V. SeVs for igual a 7 V, ignorando-se a barreira de potencial, produz-se um erro de
cálculo de 10% conforme mostrado na Tabela 3.1. Se Vs for igual a 14 V, o erro de
cálculo será de 5%, e assim por diante.
Tabela3.1 Erros quando ignoramos 0,7 V.
Vs
3,5V
7V
DiodoIdeal
20%
10%
14 V
28V
5%
2,5%
70V 1%
De modo similar, quando a resistência da carga for 10 vezes maior que a
resistência de corpo, ignorando-se a resistência de corpo, produz-se um erro de cálculo
de 10%. Quando a resistência de carga for 20 vezes maior, o erro cai para 5%, conforme
mostrado na Tabela 3.2.
Muitos diodos retificadores têm resistência de corpo acima de 1 Q, o que
significaque a segunda aproximação produz um erro demenos de 5%para resistências
de cargamaiores que 20 Q. Isso cobre quase todos os circuitos práticos que você deve
encontrar. É por isso que a segunda aproximação é uma excelente escolha sempre que
você tiver dúvidas sobre qual delas usar.
Tabela3.2 Erros quando ignoramos a resistência de corpo.
Vs Ideal ou 2 aproximação
X5 20%
X 10 10%
X 20 5%
X 40 2,5%
X 100 1%
78 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
3.9 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS
Vocêpode verificar rapidamente a condição de um diodo com um ohmímetro. Meça a
resistência cc do diodo num sentido, depois inverta os terminais e meça a resistência cc
novamente. A corrente direta dependerá da faixa de medição do ohmímetro usado, o
que significa que você obtém diferentes leituras com diferentes faixas de medição. O
principal fator a ser observado, contudo, é que a razão da resistência reversa para a
resistência direta dá como resultado uma alta taxa. Para os diodos típicos de silício
usados nos circuitos eletrônicos, a razão deve ser maior que 1.000:1.
68Q
Usar um ohmímetro para verificar as condições de um diodo é um exemplo
de teste passa/não passa. Você não está realmente interessado no valor exato da
resistência cc do diodo; tudo o que você quer saber é se o diodo tem uma baixa
resistência no sentido direto e uma alta resistência no sentido reverso. Os defeitos dos
diodos estão indicados como sendo qualquer um dos seguintes: uma resistência extre-
mamente baixa em ambos os sentidos (diodo em curto); alta resistência em ambos os
sentidos (diodo aberto); uma resistência um pouco baixa no sentido reverso (que
chamamosde diodocomfuga).
Exemplo3.7
A Figura 3.13 11\0stra o ç:irqqito çoIjj}o diod~al'1i~is~do~nteriormente. Suponha que
alguma coisa provocou a queima do diodo. Que tipos de sintomas você espera
encontrar?
Solução
Quando um diodo queíma,.ele$e toPla 11l1\çÍrÇJij.itoaberto. t-Jess.ecaso,a corrente cai
a zero. Portanto, se você medir a tensão na ciirga, a indicação no voltímetro será
zero.
IDEAL
...,
lWV1160Hz
-= I -=
....,
IDEAL --
Figura3.13 Exemplo de um circuito com diodo.
l~.
Capo3 A teoria dos diodos 79
Exemplo 3.8
e
Solução
Muitos problemas
tensão da fonte c!
estar aberto.
Como
defeito. Depois,
Por exemp
Se houver tE
teste com o
verifique as
justifique a
Senão
conexãoent
comuns. 1\
é da tomada
procurar os..
a
pode
eito ou uma
entação são
(>problema
começa a
3.10 PENSANDOEMTERMOSDECOMPORTAMENTO
VARIACIONAL
':I
Não existe nada melhor que uma análisevariacionaZlpara ajudá-Io a compreender o
comportamento dos circuitos eletrônicos. A idéia é a seguinte: qualquer circuito possui
variáveis independentes (como as fontes de alimentação e malhas com resistência) e
variáveis dependentes (como a tensão nos resistores, correntes, potências etc.). Quando
uma variável independente aumenta, cada uma das variáveis dependentes responderá
geralmente com um aumento ou diminuição. Se você entende como o circuito funcio-
na, será capaz de prever se a variável aumentará ou diminuirá.
t... 1 N. T. - Esta expressão não tem relação alguma com o cálculo variacional.
80 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
Eis como isso funciona para o circuito da Figura 3.13.Uma tensão Vs de 10V
é aplicada no diodo em série com uma resistência de carga RLde 1 kQ. Na segunda
aproximação de um diodo, existem três variáveis independentes para esse circuito: Vs,
Rv VK'Estamos incluindo a tensão de joelho (VK) como uma variável independente
porque ela pode ser ligeiramente diferente do valor ideal de 0,7 V. Existem cinco
varáveis dependentes: Vv Iv PD,PLe PT'Elas são chamadas tensão na carga, corrente
na carga, potência no diodo, potência na carga e potência total.
Suponha que a tensão da fonte Vs tenha um ligeiro aumento, digamos de
10%. Qual será a resposta de cada variável? Elas aumentarão (A), diminuirão (O) ou
não mudarão (N)? Aqui estão algumas idéias que devem vir-lhe à mente quando você
está resolvendo um problema:
Na segunda aproximação, o diodo tem uma queda de 0,7 V. Se a tensão da fonte
aumentar ligeiramente, a queda no diodo ainda será de 0,7 V, o que significa que a
tensão na carga aumenta. Se a tensão na carga aumenta, a corrente na carga aumenta.
Um aumento na corrente da carga significa que as potências no diodo e na carga
aumentam. A potência total é a soma das potências no diodo e na carga, logo a
potência total aumenta.
A primeira hipótese da Tabela 3.3 resume o efeito de um ligeiro aumento na
tensão da fonte. Como você pode ver, cada variável dependente aumenta.
O que você acha que ocorre quando a resistência de carga da Figura 3.13
aumenta ligeiramente? Como a tensão no diodo é constante na segunda aproximação,
a tensão na carga não varia, mas a corrente na carga diminuirá. Isso implica uma menor
potência no diodo, na carga e na potência total. A segunda hipótese na Tabela 3.3
resume esse caso.
Tabela3.3 O Pensamento Variacional.
VL h Po PL Pr
Vs aumenta A A A A A
RLaumenta N O O O O
VK aumenta O O A O O
'I
"
L
1J"
fr
Capo3 A teoriadosdiodos 81
Finalmente, considere o efeito da tensão de joelho. Se a tensão de joelho
aumentar ligeiramente, as variáveis dependentes diminuirão, exceto no caso da po-
tência do diodo, conforme mostrado na terceira hipótese da Tabela 3.3.
Cqpítulo 1.
na variável
O primeiro
fonte Vs.A
~ denominado
Você pode praticar seu pensamento variacional no circuito pela seleção de
uma variável independente (Vs, Rlt R2I R3 ou VÚ A seguir, escolha uma variável
dependente no retângulo (VA' VB, Vo 11etc.). Depois, tente imaginar se a variável
aumenta, diminui ou permanece inalterada. Para confirmar sua resposta, leia o símbo-
lo e depois a resposta.
Par exemplo, como um aumento na tensão de joelho afeta a corrente em R3?
Na Figura 3.21, um divisar de tensão quase ideal alimenta o diodo em série com uma
resistência de 100 kQ. Portanto, um ligeiro aumento na tensão de joelho diminuirá a
tensão na resistência de 100 kQ. Logo, a lei de Ohm diz que 13deve diminuir. Para
verificarsua resposta, vejao retângulo denominado VK' 13 tem um símboloA3.Depois
procure no quadrado de respostas, onde obterá D, o que significa diminui. Isso revela
que sua resposta está correta.
3.11 INTERPRETAÇÃODAFOLHADEDADOS
Amaioria das informações contidas na folha de dados do fabricante é obscura e usada
apenas pelos projetistas de circuitos. Por essa razão, vamos discutir apenas as informa-
ções que descrevem os dados contidos neste livro.
82 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.3
ATensãodeRupturaReversa
Vamos começar com a folha de dados do lN400l, um diodo retificador usado em
fontes de alimentação (circuitos que convertem a tensão ca em cc).No Apêndice, você
encontrará a folha de dados da série lN40XX, ou seja, dos diodos lN40Ol até lN4007:
sete diodos que têm as mesmas características diretas, mas diferentes características
reversas. Estamos interessados no lN4001, um dos membros dessa família de diodos.
A primeira informação trata de seus valores nominais:
Tensão de Pico Inverso Repetitivo
Tensão de Pico Inverso de Trabalho
Tensão de Bloqueio CC
Esses três símbolos de ruptura diferentes especificam a ruptura sobre certas
condições de operação. Você só precisa saber que a tensão de ruptura para esse diodo
é de 50 V,não importa como o diodo está sendo usado. Essa ruptura ocorre porque o
diodo entra em avalanche onde uma grande quantidade de portadores aparece de
repente na camada de depleção. Com um diodo retificador como o lN4001, a ruptura
é geralmente destrutiva.
Com um lN400l, uma tensão reversa de 50V representa um nível destrutivo
que o projetista geralmente evita sobre todas as condições de operação. É por isso que
um projetista inclui um fator desegurança.Não existe uma regra para o valor desse fator
de segurança, porque ele depende de vários fatores de projeto. Um projeto muito
cauteloso pode usar um fator 2, o que significa que ele nunca permite que a tensão
reversa seja maior que 25 V no diodo lN4001. Um projeto menos cauteloso pode
permitir quea tensão no lN400l seja de no máximo 40V.
ACorrenteMáximaDireta
Um outro dado de interesse é a corrente direta retificada média, que é apresentada na
folha de dados:
Símbolo Valor
Corrente Direta Retificada Média (carga resistiva,
monofásica, 60 Hz, TA = 75°C)
10 IA
Símbolo 1N4001
VRRM 50 V
VRWM 50 V
VR 50 V
"I
r:
:t~i
f '
~
I I
I
'i' 1
Capo3 A teoria dos dia dos 83
Essas informações revelam que o 1N400l pode funcionar com 1 A no sentido
direto quando usado como retificador. Você aprenderá mais sobre corrente direta
retificada média no próximo capítulo. Por hora, tudo o que você precisa saber é que 1
A é o nível de corrente direta onde o diodo queima por causa da dissipação de potência
excessiva.
Novamente, um projetista se preocupa com o valor de 1 A como o valor
nominal máximo absoluto para o 1N400l, um nível de corrente direta que nunca deve
ser aproximado. É por isso que um fator de segurança deve ser incluído, possivelmente
um fator 2. Em outras palavras, um projeto de confiança deve garantir que a corrente
direta seja menor que 0,5 A em qualquer condição de operação. Estudos de defeitos de
dispositivos mostram qu,e o tempo de vida de um dispositivo diminui com valores
próximos dos nominais. E por isso que alguns projetistas usam um fator de segurança
de até 10:1. Um projeto realmente cauteloso deve manter a corrente direta de um
1N400l com valor de 0,1 A ou menos.
QuedadeTensãoDireta
A respeito das "Características Elétricas" no Apêndice, o primeiro dado mostrado
fornece o seguinte:
Característica e Condições
Queda de Tensão Direta Máxima Instantânea
(iF = 1,0 A, Tj = 25°C)
Essas medições são feitas com um sinal ca, que explica o aparecimento do
termo instantâneona especificação. O 1N4001 típico tem uma queda de tensão direta de
0,93V quando a corrente for de 1Ae a temperatura na junção for de 25°c. Sevocê testar
milhares de 1N4001, descobrirá que poucos terão 1,1V quando a corrente for de 1A.
ACorrenteReversaMáxima
Uma outra informação na folha de dados que é de difícil discussão é:
-,"
Valor Valor
Símbolo Típico Máximo
1JF 0,93 V 1,1 V
84 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.3
(Tj =25°C)
Tj =100°C
Característica e Condições
Corrente Reversa Máxima
Essa é a corrente reversa com uma tensão ccnominal (50V para um lN4001).
A 25°C, o lN4001 típico tem uma corrente reversa de 0,05 IlA.Mas observe como ela
aumenta para 1 IlA a 100c. No pior caso, a corrente reversa é 10 IlA a 25°C e 50 IlA a
100°c. Lembre-se de que essa corrente reversa inclui a corrente produzida termicamen-
te e a corrente de fuga da superfície. Você pode ver por esses números que a tempera-
tura é importante. Um projeto baseado na corrente reversa de 0,05 IlA trabalhará bem
na temperatura de 25°Ccom um lN4001 típico, mas não funcionará bem numa produ-
ção em massa se a temperatura da junção atingir o valor 100°c.
TÓPICOSOPCIONAIS
3.12 DISPOSITIVOSLINEARES
A lei de Ohm diz que a corrente através de um resistor comum é proporcional à tensão
no resistor. Isso produz um gráfico da corrente no resistor versus tensão no resistor
linear. Por exemplo, dado um resistor de 500 Q, seu gráfico tem a aparência da Figura
3.14. Observe os pontos de amostras. A corrente é 1 mA para uma tensão de 0,5 V e 2
mA para 1V.Em ambos os casos, a razão da tensão para a corrente é de 500Q. Inverter
a tensão da fonte não surte efeito sobre a linearidade do gráfico. Existe uma corrente
reversa de -1 mA para uma tensão de -0,5V; a corrente aumenta para -2 mA com uma
tensão de -1 V.
Um resistor comum é sempre chamado dispositivolinearporque seu gráfico de
corrente versus tensão é uma linha reta similar à da Figura 3.14.Um resistor comum é
também chamado dispositivopas~jvo,porque tudo o que ele faz é dissipar potência; ele
não pode gerar potência. Uma bateria, por outro lado, é um dispositivoativo, porque
pode gerar potência.
Valor Valor
Símbolo Típico Máximo
IR
0,05 A 10 A
1,0 A 50 A
f
I(
,
Ir
I
I r
T
I
'(
t
,, I
(
I 't
Capo3 A teoria dos diodos 85
I
2 mA ~ ',
IV V
',: ~ -2 mA
Figura3.14 A resistência linear.
3.13 COMOCALCULARARESISTÊNCIADECORPO
Quando você está tentando analisar um circuito com diodo de precisão, tem de saber o
valor da resistência de corpo do diodo. As folhas de dados dos fabricantes não forne-
cem o valor da resistência de corpo do diodo separadamente, mas fornecem informa-
ções suficientes que nos permitem calcular seu valor. Aqui está uma fórmula para a
resistência de corpo:
Vz - VI
rB = lz - 11
(3.4)
onde VI e 11são a tensão e a corrente em algum ponto no joelho ou acima; Vz e lz são a
tensão e a corrente em algum ponto bem acima do joelho na curva do diodo.
Por exemplo, a folha de dados de um lN4001 (veja o Apêndice) fornece uma
tensão direta de 0,93V para uma corrente de 1 A. Como ele é um diodo de silício, tem
uma tensão de joelho de 0,7 V aproximadamente e uma corrente de aproximadamente
zero. Portanto, os valores a serem usados são Vz =0,93Y,lz = 1A, VI = 0,7V e 11= O.
Substituindo esses valores na equação, obtemos uma resistência de corpo de
Vz - VI 0,93V - 0,7V 0,23V
rB = lz - 11 = 1A - OA = tA = 0,23Q
86 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.3
3.14 ARESISTÊNCIAee DEUM01000
Se você dividir a tensão total pela corrente total no diodo, obterá sua resistênciaCC.No
sentido de condução direta, essa resistência cc é simbolizada por RF;no sentido de
condução reversa, ela é designada por RR'
A Resistência Direta
Como o diodo tem uma resistência não-linear, sua resistência cc varia conforme a
corrente que circula por ele. Por exemplo, aqui estão alguns pares de corrente e tensão
diretas para um 1N914: 10mA com 0,65V; 30mA com 0,75V e 50 mA com 0,85V.No
primeiro ponto, a resistência cc é
0,65V = 65 Q
RF = 10mA
No segundo ponto, é
0,75 V = 25 Q
RF = 30 mA
No terceiro ponto, é
0,85V = 17Q
RF = 50 mA
Observe como a resistência cc diminui com o aumento da corrente. Em
qualquer caso, a resistência direta é baixa.
AResistênciaReversa
De modo similar, aqui estão dois pares de correntes e tensões reversas para um 1N914:
25 nA com 20 V;5 !-tAcom 75V.No primeiro ponto, a resistência cc é
RR = 20V25nA = 800MQ
;.,-
4'
1'
.
/1
I/
"
\1
1
Capo 3 A teoria dos diados 87
no segundo ponto, é
'"I
75V = 15MQ
RR = 5 ~A
Observe como a resistência diminui à medida que nos aproximamos da
tensão de ruptura (75V).
3.15 AS RETAS DE CARGA
Essa seção trata das retas decarga,um recurso usado para calcular o valor exato da
corrente e da tensão no diodo. As retas de carga são úteis para os transistores, de modo
que uma explanação detalhada será dada numa discussão posterior sobre transistor.
AEquaçãoparaa RetadeCarga
Como podemos calcular os valores exatos de corrente e tensão na Figura 3.15? A
corrente é
Vs - V
I=~
Rs
(3.5)
Como esse é um circuito em série, sua corrente é a mesma em qualquer ponto do
circuito.
Rs
+ +
VVs -=-
1- -
Figura3.15 o circuito com diodo.
88 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.3
UmExemplo
Se a tensão da fonte for de 2 V e a resistência de limitação da corrente for de 100 Q,
então a Equação (3.5) será
2-V
I = 100Q
(3.6)
A Equação (3.6) é uma relação linear entre a corrente e a tensão. Se plotarmos
essa equação, obteremos uma reta. Por exemplo, suponha que V seja zero. Portanto,
I=2V-OV
100Q = 20mA
Plotando esse ponto (I=20mA, V = O),obtemos o ponto sobre o eixo vertical
da Figura 3.16. Esse ponto é chamado saturação,porque ele representa a corrente
máxima.
fornece
Aqui está como obter outro ponto. Suponha V =2 V.Portanto, a Equação (3.6)
2V-2V
I = 100Q = O
Quando plotamos esse ponto (I = O,V = 2), obtemos o ponto mostrado sobre
o eixo horizontal (Figura3.16).Esse ponto é chamado corteporque representa a cor-
rente mínima.
Pela escolha de outras tensões, podemos calcular e plotar pontos adicionais.
Pelo fato da Equação (3.6)ser linear, todos os pontos repousarão sobre a reta mostrada
na Figura 3.16. A reta é chamada retade carga.
oPontoa
A Figura 3.16 mostra a reta de carga e a curva do diodo. O ponto de interseçãorepresenta a solução simultânea. Em outras palavras, as coordenadas do ponto Q são a
corrente e a tensão no diodo para uma tensão de fonte de 2 V e uma resistência de
limitação da corrente de 100Q. Pela leitura das coordenadas do ponto Q, obtemos uma
corrente de 12,5mA e uma tensão no diodo de 0,75V.
~
I
Cap.3 A teoriadosdiodos 89
Figura3.16
I,
v
o 0,75V 1V 2V
A reta de carga.
90 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.3
'I
RESUMO
Seção3.1 OSímboloEsquemático
o lado p é chamado anodo e o lado n,
catodo. O símbolo do diodo parece-se
com uma seta que aponta para o sentido
de condução da corrente convencional.
O sentido oposto é o de condução dos
elétrons (real).
Seção 3.2 A CurvadoDiodo
Quando um fabricante otimiza um dio-
do para converter corrente alternada em
corrente contínua, ele é chamado de dio-
do retificador. Sua maior aplicação é nas
fontes de alimentação: um circuito que
converte a tensão alternada da tomada
de alimentação em tensão contínua para
os equipamentos eletrônicos.
Seção3.3 ARegiãoDireta
A tensão de joelho de um diodo é onde a
curva direta inicia sua condução. Essa
tensão é aproximadamente igual à bar-
reira de potencial do diodo. O diodo é
chamado dispositivo linear porque o
gráfico de sua corrente versus tensão não
é uma linha reta. O resisto r de limitação
da corrente é sempre usado com o diodo
para evitar que a corrente exceda seu
valor nominal máximo.
;;8
Seção3.4 ARegiãoReversa
Existe apenas uma pequena corrente no
diodo reversamente polarizado. Para
uma primeira aproximação, essa cor-
rente é zero porque um diodo reversa-
mente polarizado funciona como uma
chave aberta.
Seção 3.5 ODiodoIdeal
O diodo ideal é a primeira aproximação
de um diodo. A idéia é visualizar o diodo
como uma chave que fecha automa-
ticamente quando diretamente polarizado
e abre quando reversamente polarizado.
Seção3.6 ASegundaAproximação
Nesta aproximação, visualizamos um
diodo de silício como uma chave em sé-
rie com uma bateria de 0,7 V. A chave
fecha quando a tensão da fonte é igual
ou maior que 0,7V.Achave abre quando
a tensão da fonte é menor que 0,7V.
Seção 3.7 ATerceiraAproximação
Nesta aproximação, a resistência de cor-
po do diodo está em série com uma cha-
ve e uma bateria. Por isso, a tensão total
de um diodo de silício em condução é a
soma de 0,7 Veda tensão na resistência
de corpo.
j
I
1
'I.
II
ir
j
Capo3 A teoria dos diodos 91
Seção 3.8 A Escolha da Aproximação
o diodo ideal pode ser usado na veri-
ficação de defeitos e em análises preli-
minares dos circuitos. A terceira aproxi-
mação é usada pela maioria dos projetis-
tas nos estágios finais de um projeto. A
segunda aproximação é um excelente
compromisso entre a verificação de defei-
tos e o projeto. A escolha certa sobre qual
delas usar numa determinada situação
virá com a experiência.
Seção 3.9 Verificação de Defeitos
Quando você achar que um diodo está
com defeito, use um ohmímetro para
verificar sua resistência em cada sentido
de condução. Vocêdeve obter uma baixa
resistência no sentido direto e uma alta
resistência no sentido reverso.
Seção3.10 PensandoemTermosde
ComportamentoVariacional
o pensamento variacional é útil na veri-
ficação de defeitos, análise e projeto.
Quando você sabe antecipadamente
como uma variável dependente deve
responder às variações nas variáveis
independentes, fica menos propenso a
cometer erros com fórmulas.
Seção3.11 InterpretaçãodaFolhade
Dados
As folhas de dados especificam as carac-
terísticas dos dispositivos semiconduto-
res. A folha de dados do lN4001 contém
as seguintes informações úteis: tensão de
ruptura, corrente direta máxima, queda de
tensão direta e corrente reversa máxima.
EQUAÇÕESIMPORTANTES
Equação(3.1) Parao Resistorde
LimitaçãodaCorrentenoDiodo
Vs - Vo
1=-
R
Esta é a lei de Ohm para a corrente que
circula pelo resistor de limitação da cor-
rente. Ela diz que a corrente é igual à
tensão no resistor dividida pela resis-
tência.
Equação(3~2)A EquaçãodaTerceira
Aproximação
Vo = 0,7 + IorB
Ela é uma combinação da lei de Ohm e da
lei de Kirchhoff.Esta é a equação para a
tensão total no diodo quando você está
usando a terceiraaproximação.Atensão no
diodo é igual à barreira de potencial (0,7V)
mais a tensão na resistência de corpo.
Equação(3.3) A Escolhade uma
Aproximação
Vs - 0,7
IF = RL + rB
o numerador é a tensão líquida no cir-
cuito: a diferença entre a tensão da fonte
e a barreira de potencial. Essa tensão lí-
quida aparece na resistência total em sé-
rie. O denominador é a resistência total
em série: a soma da resistência de carga e
da resistência de corpo. A equação diz
que a corrente direta é a tensão líquida
dividida pela resistência total.
92 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.3
.....
QUESTÕES
1. Quando o gráfico da corrente versus ten-
são é uma linha reta, o dispositivo é cha-
mado de
a) Ativo
b) Linear
c) Não-linear
d) Passivo
2. Que tipo de dispositivo é o resistor?
a) Unilateral
b) Linear
c) Não-linear
d) Bipolar
3. Que tipo de dispositivo é o diodo?
a) Bilateral
b) Linear
c) Não-linear
d) Unipolar
4. Qual é a polarização de um diodo em
corte?
a) Direta
b) Inversa
c) Fraca
d) Reversa
5. Quando a corrente num diodo é alta, sua
polarização é
a) Direta
b) Inversa
c) Fraca
d) Reversa
6. A tensão de joelho de um diodo é aproxi-
madamente igual à
a) Tensão aplicada
b) Barreira de potencial
c) Tensão de ruptura
d) Tensão direta
7. A corrente de fuga consiste da corrente
dos portadores minoritários e da
a) Corrente de avalanche
b) Corrente direta
c) Corrente de fuga da superfície
d) Corrente Zener
8. Na segunda aproximação, que valor de
tensão existe num diodo de silício quando
ele está reversamente polarizado?
a) O c) 0,7 V
b) 0,3 V d) 1 V
9. Na segunda aproximação, que valor de
corrente existe num diodo de silício
quando ele está reversamente polarizado?
a) O c) 300 mA
b) 1 mA d) Nenhum desses
10. Na aproximação do diodo ideal, qual é a
tensão no diodo?
a) O c) Mais de 0,7 V
b) 0,7 V d) 1 V
11. A resistência de corpo de um lN400l é
a) O c) 10 Q
b) 0,23 Q d) 1 kQ
12. Se a resistência de corpo for zero, o gráfi-
co acima do joelho se torna
a) Horizontal
b) Vertical
c) Com inclinação de 45"
d) Nenhum desses
13. o diodo ideal é geralmente adequado
a) Na verificação de defeito
b) Em cálculos precisos
c) Quando a tensão da fonte for baixa
d) Quando a resistência da carga for
baixa
14. A segunda aproximação funciona bem
a) Na verificação de defeitos
b) Quando a resistência de carga for alta
c) Quando a tensão da fonte for alta
d) Todos acima
~
Cap.3 A teoria dos diodos 93
\<
1
15. A única vez que você deve usar a terceira
aproximação é no momento em que
a) A resistência de carga for baixa
b) A tensão da fonte for alta
c) For verificar defeitos
d) Nenhum desses
16. Qual é o valor da corrente na carga da
Figura 3.17 com um diodo ideal?
a) O c) 15 mA
b) 14,3 mA d) 50 mA
1N4001
15V~
1
1 kQ
- -
Figura3.17 o circuito com diodo.
17. Qual é o valor da corrente na carga da
Figura 3.17, considerando-se a segunda
aproximação?
a) O
b) 14,3 mA
c) 15 mA
d) 50 mA
18. Qual é o valor da corrente na carga da
Figura 3.17, considerando-se a terceira
aproximação?
a) O
b) 14,3 mA
c) 15 mA
d) 50 mA
19. Seo diodo da Figura 3.17 estiver aberto, a
tensão na carga será
a) O c)20 V
b) 14,3 V d) -15 V
20. Seo resistor da Figura 3.17 estiver aterra-
do, a tensão medida entre a parte de cima
do resistor e o terra será
a) O c)20V
b) 14,3 V d) -15 V
21. Na Figura 3.17, a tensão medida na carga
é zero. O problema deve ser
a) Um diodo em curto
b) Um diodo aberto
c) O resistor de carga aberto
d) Tensão de alimentação muito alta
PROBLEMASBÁSICOS
Seção3.3 ARegiãoDireta
3.1 Um diodo está em série com uma resis-
tência de 220 Q. Se a tensão nessa resis-
tência for de 4 V, qual será a corrente no
diodo?
3.2 Um diodo tem uma tensão de 0,7 V e
uma corrente de 50 mA. Qual é a po-
tência no diodo?
3.3 Dois diodos estão em série. O primeiro
tem uma tensão de 0,75 V e o segundo,
uma tensão de 0,8 V. Se a corrente no
primeirodiodo for de 500 mA, qual será a
corrente no segundo diodo?
Seção3.5 ODiodoIdeal
3.4 Na Figura 3.18a, calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo ea potência total.
lN4001
20Vn- 1 kQ1- -
- (a) -
470 Q
15Vn- lN40011- -
- (b) -
Figura3.18
94 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.3
3.5 Se o resistor tiver seu valor dobrado na
Figura 3.1&, qual será a corrente na carga?
3.6 Na Figura 3.18b, calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo e a potência total.
3.7 Se o valor do resistor na Figura 3.18b for
dobrado, qual será o valor da corrente na
carga?
3.8 Se a polaridade do diodo for invertida na
Figura 3.18b, qual será a corrente no dio-
do? E a tensão no diodo?
Seção 3.6 A Segunda Aproximação
3.9 Na Figura 3.18a,calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo e a potência total.
3.10 Se o valor do resistor na Figura 3.1& for
dobrado, qual será a corrente na carga?
3.11 Na Figura 3.18b, calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo e a potência total.
3.12 Se o resistor tiver seu valor dobrado na
Figura 3.18b,qual será a corrente na carga?
3.13 Se a polaridade do diodo for invertida na
Figura 3.18b, qual será a corrente no dio-
do? E a tensão no diodo?
Seção 3.7 A Terceira Aproximação
3.14 Na Figura 3.18a, calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo e a potência total.
3.15 Se o valor do resistor for dobrado na Fi-
gura 3.18a, qual será a corrente na carga?
3.16 Na Figura 3.18b, calcule a corrente na car-
ga, a tensão na carga, a potência na carga,
a potência no diodo e a potência total.
3.17 Se o resistor tiver seu valor dobrado na
Figura 3.18b,qual será a corrente na carga?
3.18 Se o diodo tiver sua polaridade invertida
na Figura 3.18b, qual será a corrente no
diodo? E a tensão no diodo?
Seção 3.9 Verificação de Defeitos
3.19 Suponha que a tensão no diodo da Fi-
gura 3.19a seja de 5 V.O diodo está aberto
ou em curto-circuito?
+12 V
RI
+5V
R
Rz
- - -
(a)
Figura3.19
(b)
3.20 Alguma coisa faz com que o resistor R
entre em curto-circuito na Figura 3.19a.
Qual será a tensão no diodo? O que acon-
tecerá com o diodo?
3.21 Você mede OV no diodo da Figura 3.19a.
Depois, você verifica que a tensão da fonte é
de +5 V em relação ao terra. O que está
errado com o circuito?
3.22 Na Figura 3.19b, você mede um potencial
de +3 V na junção de RI e Rz. (Lembre-se
de que os potenciais são em relação ao
terra.) A seguir, você mede OV na junção
do diodo com o resistor de 5 kQ. Cite
alguns possíveis problemas.
g
+
'"ó'
3.23 Você mede OV na junção de RI e R2 na
Figura 3.19b. O que pode estar errado
com o circuito?
Seção 3.11 Interpretação da Folha de
Dados
3.24 Que diodo da série IN40XX você esco-
lheria para suportar uma tensão reversa
de pico repetitivo de 700 V?
3.25 A folha de dados mostra uma faixa num
dos lados do diodo. Qual é o nome do
terminal identificado por essa faixa? A
seta do símbolo esquemático do diodo
aponta para essa faixa ou para o lado
oposto a ela?
3.26 A água ferve a uma temperatura de IOODe.
Se você colocar um diodo IN400I numa
vasilha com água fervendo, ele será des-
truído ou não? Justifique sua resposta.
PROBLEMASAVANÇADOS
3.27 Aqui estão apenas alguns diodos e suas
especificações de pior caso:
Diodo
1N914
1N400l
1N1185
IF
10 mA a 1 V
1 A a 1,1 V
10 A a OL95V
IR
25 nA a 20 V
10 [tA a 50 V
4L6mA a 1O0V
Calcule a resistência direta e reversa para
cada um desses diodos.
3.28 Na Figura 3.I9a, qual deve ser o valor de
R para que a corrente num diodo seja de
10 mA aproximadamente?
3.29 Que valor deve ter R2 na Figura 3.I9b
para que a corrente num diodo seja de
0,25 mA?
Cap.3 A teoria dos diodos 95
3.30 Um diodo de silício tem uma corrente
direta de 50 mA a Iv. Use a terceira
aproximação para calcular sua resis-
tência de corpo.
3.31 Dado um diodo de silício com uma cor-
rente de 5 !-tAa 25"C e 100 !-tAa 100°C,
calcule a corrente de fuga de superfície.
3.32 Na Figura 3.I9b, a alimentação foi desli-
gada e o terminal superior de RI foi ater-
rado. Agora, você usa um ohmímetro
para medir as resistências direta e reversa
do diodo. As leituras são idênticas. Que
valor foi indicado pelo ohmímetro?
3.33 Alguns sistemas, como os alarmes contra
ladrão e os computadores, usam uma ba-
teria de emergência para o caso de uma
eventual queda da tensão da rede. Des-
creva como o circuito da Figura 3.20
funciona.
CARGA
Figura3.20
PROBLEMASUTILIZANDOO
DISPOSITIVODEANÁLISE
VARIACIONAL
Use a Figura 3.21 para os problemas restantes.
Se você ainda não usou esse dispositivo, leia o
Exemplo 3.9 antes de tentar resolver esses pro-
blemas. Suponha que os aumentos sejam de
10% aproximadamente para as variáveis inde-
pendentes e use a segunda aproximação do
diodo.
96 Eletrônica - 4« Edição - Volume 1 Cap.3
3.34 Faça uma previsão da resposta de cada
variável dependente no retângulo deno-
minado Vs. Confira suas respostas.
Depois, responda à seguinte questão o
mais simples e diretamente possível. Que
efeito um aumento na tensão de fonte
tem sobre as variáveis dependentes do
circuito?
3.35 Faça uma previsão da resposta de cada
variável dependente no retângulo deno-
minado RI. Confira suas respostas.
Depois, faça um resumo de suas observa-
ções em uma ou duas sentenças.
3.36 Faça uma previsão da resposta de cada
variável dependente no retângulo deno-
+Vs (12V)
A
B
2g APROXIMAÇÃO
C
-
Vs
VA:C3
VB :A5
Vc :E6
11 : Bl
12 : E2
13 :D4
Pl :A2
P2 : B4
P3 :F6
R3
100 kQ
-
RI
VA:C2
VB :B6
Vc :F3
11 :A3
12 : Cl
13 :A6
P1 :E5
P2 : DI
P3 :A4
minado R2. Confira suas respostas. Liste
as variáveis dependentes que diminuem.
Justifique por que elas diminuem, usan-
do a lei de Ohm ou idéias básicas simila-
res.
3.37 Faça uma previsão da resposta de cada
variável dependente no retângulo deno-
minado R3. Liste as variáveis que não
apresentam variações. Justifique por que
elas não variam.
3.38 Faça uma previsão da resposta de cada
variável dependente no retângulo deno-
minado VK. Liste as variáveis que dimi-
nuem. Justifique por que elas diminuem.
1
A
B
C
O
E
F
R2 R3
2 3 4 5 6
VA:C6
VB :Al
Vc :06
11 : B2
lz : C4
13 : F4
P1 :05
P2 :B3
P3 :El
VA:Fl
VB :B5
Vc:F2
h :F5
12 : 03
13 : E4
PI : C2
P2 : FI
P3 : 05
Respostas
VK
VA:E3
VB :Fl
Vc:C4
11 : 03
12 : F5
13 :A3
P1 :C2
P2 :E3
P3 :A4
Figura3.21 Dispositivo de análise variacionalTM. (Patenteado: cortesia de Malvino Inc.)
A A D D A D
A D A A N D
D N A D N N
D A N A D A
A A N D D A
N N D A N A
li
'"
~-
Capítulo 4
+
CIRCUITOSCOMOIOOOS
Um diodo retificador é idealmente uma chave fechada quando diretamente polarizado
e uma chave aberta quando reversamente polarizado. Por isso, ele é muito usado na
conversão de corrente alternada em corrente contínua. Este capítulo discute os três
tipos básicos de circuitos retificadores.
Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde:
~ Entender a função do transformador de entrada das fontes de alimenta-
ção.
~ Desenhar um diagrama de um retificador de meia onda e explicar seu
funcionamento.
~ Desenhar um diagrama de um retificador de onda completa com tomada
central (centertrap)e explicar seu funcionamento.
~ Desenhar um diagrama de um retificador de onda completa em ponte e
explicar seu funcionamento.
~ Demonstrar seu conhecimento sobre o capacitor de filtro e a corrente de
surto relacionada.
~ Listar três especificações importantes encontradas normalmente nas fo-
lhas de dados dos diodos retificadores.
97
98 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
4.1 o TRANSFORMADORDEENTRADA
As companhias de energia elétrica no Brasil fornecem.uma tensão senoidal monofásica
de 127V rms, ou, dependendo da região, de 220V rms com uma freqüência de 60Hz.
Na realidade, a tensão nas tomadas de alimentação varia de 139,7V rms a 114,3V rms,
para o caso de 127 V rms, e de 242 V rms a 198 V rms, para o casode 220 V rms
(dependendo da hora, da localidade e de outros fatores). A relação entre o valor rms e
o valor máximo da senóide é dada por
Vnus = 0,707 Vp (4.1)
Essa equação diz que a tensão rms é igual a 70,7%do valor máximo.
A EquaçãoBásica
A tensão de linha é muito alta para a maioria dos dispositivos usados nos equipa-
mentos eletrônicos. É por isso que um transformador é encontrado geralmente em
quase todos os equipamentos eletrônicos. Esse transformador abaixa a tensão ca a
níveis mais compatíveis com os dispositivos em uso, como os diodos e os transistores.
AFigura 4.1 mostra um exemplo de um transformador. Abobina da esquerda
é chamada enrolamentoprimário e a da direita, enrolamentosecundário.O número de
espiras no enrolamento primário é N1e o número de espiras no enrolamento secundá-
rio é Nz. As duas linhas verticais entre os enrolamentos primário e secundário indicam
que as espiras estão enroladas num núcleo de ferro.
NI :N2
VI
II
V2
Figura4.1 o transformador sem carga.
~
Cap.4 Circuitos com diodos 99
Com esse tipo de transformador, o coeficiente de acoplamento k é próximo de
um, o que significa que existe um bom acoplamento. Em outras palavras, todo o fluxo
magnético produzido pelo enrolamento primário penetra através do enrolamento
secundário. A tensão induzida no enrolamento secundário é dada por
Nz
Vz = ~ VI
NI
(4.2)
11
~ N1 :N2
12
~
VI RL
t
Figura 4.2 o transformador com carga.
1
oTransformadorElevador
Quando o enrolamento secundário tiver mais espiras que o enrolamento primário, a
tensão induzida no secundário é maior que no primário. Em outras palavras, quando
Nz/Nl for maior que um, o transformador é chamado transformador elevador.SeN1=
100 espiras e Nz = 300 espiras, o mesmo fluxo penetra através de um número de
espiras três vezes maior no enrolamento secundário. É por isso que a tensão no
secundário é três vezes maior que a tensão no primário.
oTransformadorAbaixador
Quando o enrolamento secundário tiver menos espiras que o enrolamento primário, a
tensão induzida no secundário é menor que no primário. Nesse caso, a relação das
espiras, Nz:N1é menor que um e o transformador é chamado transformador abaixador.
Se N1 =100 espiras e Nz =50 espiras, o mesmo fluxo penetra através de um número de
espiras que é a metade no enrolamento secundário. Épor isso que a tensão no secundá-
rio é a metade da tensão no primário.
100 Eletrônica - 48Edição - Volume 1 Cap.4
o Efeitosobrea Corrente
A Figura 4.2 mostra uma resistor de carga conectado ao enrolamento secundário. Por
causa da tensão induzida no enrolamento secundário, existe uma corrente na carga. Se
o transformador for ideal (k = 1 e não há perda de potência no enrolamento nem no
núcleo), a potência de saída é igual à potência de entrada:
P2 = PI
ou
V212 = VI11
Podemos rearranjar a equação anterior como segue:
11 V2
12 - VI
Mas pela Equação (4.2) implica que VZ/V1 =Nz/N1. Portanto,
11 N2
12 - NI
ou
Nz
11 = NI 12
(4.3)
Uma forma alternativa de escrever a equação anterior é
NI
12 = N2 11
(4.4)
Observe o seguinte: para um transformador elevador, a tensão é maior que no
primário, mas a corrente é menor. Por outro lado, para um transformador abaixador, a
tensão no secundário é menor, mas a corrente é maior.
Cap.4 Circuitos com diodos 101
Exemplo 4.1
Suponha que a tensão numa tomada de alimentação seja de 120V rms. Qual deve
ser a tensão de pico?
Solução
Usando álgebra,podemos reescrevera Equação(4.1)na sua forma equivalente:
V:ríris
Vp = 0,707
Agora, substituímos a tensão rms e calculatnos a tensão de pico:
120 V = 170 V
Vp = 0,707
Ela nos diz que a tensão se.noid"l.natgmadi\.de alimentação tem um valor de pico
de 170V.
Exemplo4.2
Um transformador abaixador tem uma relação de espiras de 5:1. Se a tensão no
primário for de 120V rms, qual será a tensão no secundário?
Solução
Divida a tensão do primário por 5 para encontrar a tensão no secundário:
120V '" 24Y
= 5
Exemplo4.3
Suponha que um transformador abaixador tenha uma relação de espiras de 5:1.Se a
corrente no secundário for de 1A rms,qual é a corrente no primário?
Solução
Pela Equação (4.3),
= 5 = 0,2
102 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.4
4.2 o RETIFICADORDEMEIAONDA
o circuito mais simples capaz de converter uma corrente alternada em corrente contÍ-
nua é o retificador demeiaonda,mostrado na Figura 4.3.A tensão de linha numa tomada
de alimentação é aplicada no enrolamento primário do transformador. Em alguns
casos, a tomada possui um terceiro pino de formato achatado e de maior comprimento
para aterrar o equipamento. Por causa da relação de espiras, a tensão de pico no
enrolamento secundário é
N2
Vp2 = Nl Vpl
Existe uma convenção de pontos usada para os transformadores. Os pontos
nos terminais de transformador indicam que eles têm as mesmas polaridades num
instante qualquer. Quando o terminal superior do enrolamento primário for positivo,
o terminal superior do enrolamento secundário também será positivo. Quando o
terminal superior do enrolamento primário for negativo, o terminal superior do enro-
lamento secundário também será negativo.
No semiciclo positivo da tensão no primário, o enrolamento secundário tem
um semiciclo da senóide nos seus terminais. Isso significa que o diodo está diretamente
polarizado. Porém, no semiciclo negativo da tensão no primário, o enrolamento secun-
dário tem um semiciclo negativo da senóide. Logo, o diodo fica reversamente polariza-
do. Se você usar a aproximação do diodo ideal para uma análise inicial, perceberá que
o semiciclo positivo aparecerá no resistor de carga, mas não no semiciclo negativo.
RL
- -
Figura4.3 o retificador de meia onda.
Por exemplo, a Figura 4.4 mostra um transformador com uma relação de
espiras de 5:1. A tensão de pico no primário é
120V = 170V
Vpl = 0,707
Cap.4 Circuitos com diodos 103
5:1 1N400l
RL
- -
Figura 4.4 A relação de espiras de 5:1.
A tensão de pico no secundário é
170V = 34V
Vp2 = 5
Com a aproximação do diodo como ideal, a tensão na carga tem um valor de
pico igual a 34V.
A Figura 4.5 mostra a tensão na carga. Esse tipo de forma de onda é chamado
sinal de meiaonda,porque o semiciclo negativo foi ceifado ou retirado. Como a tensão
na carga tem apenas os semiciclos positivos, a corrente na carga é unidirecional, o que
significa que ela circula apenas num sentido. Portanto, a corrente na carga é contínua e
pulsante. Ela começa no zero do semiciclo, depois aumenta até o valor máximo no pico
positivo, em seguida diminui até zero e fica com esse valor durante o semiciclo
negativo total.
Período
A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha, que é de 60 Hz.
Lembre-se de que o período T é igual ao inverso da freqüência. Portanto, o sinal de
meia onda tem um período de
T=~- 1
f - 60Hz = 0,0167s = 16,7ms
I
104 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.4
VL
~ IDEAL~ 6
Figura4.5 o sinal de meia onda.
Esse é o intervalo de tempo entre o início de um semiciclo positivo e o início
do próximo semiciclo positivo. Isso é o que você observaria se medisse o sinal de meia
onda com um osciloscópio.
Valorcc ouValorMédio t1I
Se você ligasse um voltímetro cc no resistor de carga da Figura 4.4 ele indicaria uma
tensão cc de Vp/ Jt,que pode ser escrito como
Vdc = 0,318Vp (4.5)
onde Vp é o valor de pico do sinal de meia onda no resistor de carga. Por exemplo, se a
tensão de pico fosse de 34V,o voltímetro cc indicaria
Vdc = 0,318(34V) = 10,8V
G
Essa tensão cc algumas vezes é chamada valor médiodo sinal de meia onda,
porque o voltímetro lê a tensão média de um ciclo completo.
~
Aproximações
Como a tensão no secundário é muito maior que a tensão de joelho, usando a
segunda aproximação, teremos apenas uma ligeiramelhora na análise.Seusarmos a segun-
da aproximação, o sinal de meia onda terá um valor de pico de 33,3 V. Além
disso, visto que a resistência de corpo de um 1N4001 é de apenas 0,23 Q, comparada
com uma resistência de carga de 1 kQ não teremos um aumento significativo na
precisão quando usarmos a terceira aproximação.Concluindo, tanto a aproximação
ideal como a segunda aproximação são adequadas na análise desse circuito.
li"
~
(I
~
w,
~
--=
'I-
Capo4 Circuitos com diodos 105
Ignorar à
com um
Exemplo4.4
Na
Se4
de pico na carga?
Solução
Vocêpode
alternativo de
exemplos an'
modo
nos
Como a relaÇão de, e.pico.igual a
onda
DI
. .
II
RL
-
Figura4.6
D2
O retificador de onda completa com tomada central.
4.3 o RETIFICADORDEONDACOMPLETA
COMTOMADACENTRAL(CENTERTRAp)
A Figura 4.6 mostra um retificadorde ondacompleta.Observe a tomada central (center-
trap)no enrolamento secundário. Por causa dessa tomada central, o circuito é equivalente
a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da
tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo nega-
106 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.4
tivo da tensão do secundário. Em outras palavras, DI conduz durante o semicic1o
positivo e D2 conduz durante o semicic1o negativo. Por isso, a corrente retificada na
carga circula durante os dois semicic1os.Além disso, a corrente que circula na carga é
unidirecional.
Por exemplo, a Figura 4.7 mostra um transformador com uma relação de
espiras de 5:1. A tensão de pico no primário é ainda igual a
120V = 170V
Vpl = 0,707
A tensão de pico no secundário é
170V = 34V
Vp2 = 5
Como a tomada central está aterrada, cada semicic1odo enrolamento secun-
dário tem uma tensão senoidal com um valor de pico de apenas 17V.Portanto, a tensão
na carga tem um valor de pico ideal de apenas 17V em vez de 34V.
5:1 1N400l
-
. .
II
RL
1kQ
1N400l
Figura4.7 Exemplo do retificador de onda completa com tomada central.
A Figura 4.8 mostra a tensão na carga. Esse tipo de forma de onda é chamado
sinal de onda completa.Ele é equivalente ao inverso dos semicic1osnegativos da onda
senoidal para obtermos semicic1os positivos. Por causa da lei de Ohm, a corrente na
carga é um sinal de onda completa com um valor de pico de
1 = 17V
p 1 kQ = 17mA
~
~
~
r
":.::'
,
r-
'~
Cap.4 Circuitos com diodos 107
VL
~ ' ',,("i,,<'it'rf, ,(i'"
Figura4.8 o sinal de onda completa.
oValorccouMédio
Se um voltímetro cc fosse conectado à resistência de carga da Figura 4.7, ele indicaria
uma tensão cc de 2Vp/:7t,que é equivalente a
Vde = 0,636 Vp (4.6)
onde Vp é o valor de pico do sinal de meia onda na resistência de carga. Por exemplo,
se a tensão de pico fosse 17V,o voltímetrocc indicaria
Vde = 0,636(17V) = 10,8V
Essa tensão ccé o valor médio do sinal de onda completa porque o voltímetro
lê a tensão média de um ciclo completo.
A FreqüênciadeSaída
A freqüência do sinal de onda completa é o dobro da freqüência de entrada. Por quê?
Lembre-se da definição de um ciclo completo. Uma forma de onda completa seu ciclo
quando ela começa a repeti-lo. Na Figura 4.8, a forma de onda retificada começa a
repetição após um semiciclo da tensão do primário. Como a tensão da linha tem um
período de
TI = ~ = ~ -
f 60Hz - 0,0167s = 16,7ms
a tensão retificada na carga tem um período de
16,7ms = 8,33ms
T2 = 2
108 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.4
A freqüência da tensão na carga é igual a
f2 = 1- - 1
T2 - 8,33 ms = 120 Hz
Isso significa que a freqüência na saída é duas vezes a freqüência da entrada.
Em símbolos,
f out = 2fin (4.7)
Portanto,
apenas
diodo, -
valor de
O
caso,
Exemplo 4.5
Solução
A
Novamente, observe o seguinte detalhe sobre a aproximação do diodo. Pelo
fato da tensão no secundário ser muito maior que a tensão de joelho, a segunda
aproximação resulta numa tensão de saída em onda completa com um valor de pico de
16,3V em vez de 17V.Uma vez mais, a resistência de .corpo de um 1N400l quase não
t-
\
~r
"r
i
I
~
Cap.4 Circuitos com diodos 109
surte efeito. Em conseqüência, tanto a aproximação do diodo ideal como a segunda
aproximação são adequadas à análise da maioria dos circuitos de onda completa. A
única vez que você poderia considerar o uso da terceira aproximação seria quando a
resistência de carga fosse pequena.
4.4 o RETIFICADORDEONDACOMPLETAEMPONTE
A Figura 4.9 mostra um retificadorde ondacompletaem ponte.Se usarmos quatro diodos
em vez de dois, poderemos eliminar a necessidade de uma tomada central aterrada. A
vantagem de não usarmos uma tomada central é que a tensão retificada na carga é o
dobro daquela que teria o retificador de onda completa com tomada central.
Durante o semiciclo positivo da tensão de linha, os diodos D2e D3conduzem,
o que produz um semiciclo positivo no resistor de carga. Durante o semiciclo negativo
da tensão de linha, os diodos DI e D4conduzem, produzindo outro semiciclo positivo
no resistor de carga. O resultado é um sinal de onda completa no resistor de carga.
NI :N2
RL
. .
V2VI
-
Figura4.9 o retificador de onda completa em ponte.
Por exemplo, a Figura 4.10 mostra um transformador com uma relação de
espiras de 5:1. A tensão de pico no primário é igual a
120V = 170V
VpI = 0,707
A tensão de pico no secundário é
170V = 34V
Vp2 = 5
110 Eletrônica - 4~ Edição- Volume 1 Cap.4
Como a tensão total do secundário está aplicada aos diodos em condução que
estão em série com o resistor de carga, a tensão na carga tem um valor ideal de pico de
34V,que é o dobro do retificador em onda completa discutido antes.
A Figura 4.11mostra a tensão ideal na carga. Como você pode ver, a forma é
idêntica à do retificador de onda completa com tomada central. Portanto, a freqüência
do sinal retificado é igual a 120Hz, duas vezes a freqüência da linha. Por causa da lei de
Ohm, a corrente na carga é um sinal de onda completa com um valor de pico igual a
I = 34V
p 1kQ = 34mA
5:1
VI V2
RL
1 kQ
120 V
60Hz . .
-
-
Figura4.10 Exemplo de um retificador em ponte.
Existe um fator novo que deve ser considerado quando estivermos usando a
segunda aproximação com um retificador em ponte: existem dois diodos em série em
condução com o resistor de carga durante cada semiciclo. Logo, devemos subtrair a
queda de dois diodos, em vez de um apenas. Isso significa que a tensão de pico com a
segunda aproximação é
Vp = 34V - 2(0,7 V) = 32,6V
VL
~
Figura4.11 o sinal de onda completa.
i
r
,"
~
t
!r,':::':'
v
"J
Cap.4 Circuitos com diodos 111
A queda de tensão adicional por causa do segundo diodo é uma das poucas
desvantagens de um retificador em ponte. As vantagens do retificador em ponte são
saída em onda completa, tensão ideal de pico igual à tensão de pico do secundário e a
não necessidade do enrolamento secundário com tomada central. Essas vantagens
fizeram do retificador em ponte o projeto mais popular de retificador. Muitos equipa-
mentos usam o retificador em ponte para converter a tensão cada linha em uma tensão
cc adequada ao uso dos dispositivos semicondutores.
Exemplo4.6
Suponha que"Qi
240V rms cQm
relação dé
de
uma
Soluçi\o
da
4.5 o FILTROCOM CAPACITO R
A tensão de saída de um retificador aplicada numa carga é pulsante em vez de ser
estável. Por exemplo, observe a Figura 4.11. Durante um ciclo completo na saída, a
tensão na carga aumenta a partir de zero até um valor de pico e depois diminui de volta
a zero. Esse não é o tipo de tensão cc de que a maioria dos circuitos eletrônicos precisa.
É necessária uma tensão estável ou constante similar à produzida por uma bateria.
Para obter esse tipo de tensão retificada na carga, precisamos de filtro.
112 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.4
5:1
IDEAL
c
I470 ""
RL
1kQ
- - -
Figura4.12 o filtro com capacitar.
FiltrandooSinaldeMeiaOnda
o tipo mais comum é o filtro comcapacitarmostrado na Figura 4.12. Para simplificar a
explicação inicial sobre os filtros, estamos representando um diodo ideal como uma
chave. Como você pode ver, um capacitor foi ligado-em paralelo ao resistor de carga.
Antes de ligarmos a alimentação, o capacitor está descarregado, logo, a tensão de carga
é zero. Durante o primeiro quarto de ciclo da tensão no secundário, o diodo está
diretamente polarizado. ldealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o
diodo conecta o enrolamento secundário diretamenteao capacitor, ele carrega até o
valor da tensão de pico Vp'
Logo após o pico positivo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma
chave aberta. Por quê? Porque o capacitor tem uma tensão Vp' Como a tensão no
secundário é ligeiramente menor que Vp' o diodo fica com polarização reversa. Com o
diodo agora aberto, o capacitor descarrega por meio da resistência de carga. Mas aqui
está a idéia principal sobre o filtro com capacitor: por um projeto deliberado, a constan-
te de tempo de descarga (que é o produto de RL e C) é muito maior que o período T do
sinal de entrada. Por isso, o capacitor perderá apenas uma parte de sua carga durante
o tempo que o diodo estiver em corte, conforme mostrado na Figura 4.13.
Quando a tensão da fonte atingir novamente seu valor de pico, o diodo
conduzirá brevemente e recarregará o capacitor até o valor da tensão de pico. Em
outras palavras, após o capacitor ter sido inicialmente carregado durante o primeiro
quarto de ciclo, sua tensão será aproximadamente igual à tensão de pico do secundário.
~
A tensão na carga é agora uma tensão ccmais estável ou quase constante. A
única diferença para uma tensão cc pura é a pequena ondulação (ripple)causada pela
carga e descarga do capacitor. Quanto menor a ondulação, melhor. Uma forma de
reduzir essa ondulação é pelo aumento da constante de tempo de descarga que é igual
aRLc.
\~
~
fI
1
~-
i,r
1~
I
~-', -
\(1-,.
fI~
Cap.4 Circuitos com diodos 113
Vp-
/ \
~
""
/ \
~
Vp
/'~\ /~ ~\ /~~\ /~ ~\ /~\
I \I \I \I \I \
-
/ \
~
(a) (b)
Figura 4.13 (a) Filtrando o sinal de meia onda; (b) filtrando o sinal de onda completa.
FiltrandooSinaldeOndaCompleta
Um outro modo de reduzir a ondulação é pelo uso de um retificador de onda completa
com tomada central ou em ponte; portanto, a freqüência de ondulação é de 120Hz em
vez de 60 Hz. Nesse caso, o capacitor é carregado duas vezes e descarrega-se apenas
metade do tempo (veja a Figura 4.13b).Como resultado, a ondulação é menor e a tensão
cc na saída é mais próxima da tensão de pico.
OBreveTempodeConduçãodoDiodo
Nos retificadores sem filtro discutidos anteriormente, cada diodo conduzia a cada
semiciclo. Nos retificadores com filtro que estamos discutindo agora, cada diodo
conduz por um tempo muito menor que um semiciclo. Quando a chave de alimentação
é ligada pela primeira vez, o capacitor está descarregado. Idealmente, ele leva apenas
um quarto de ciclo para carregar até o valor de pico do secundário. Após essa carga
inicial, o diodo conduz por breves momentos, próximo do valor de pico, e fica cortado
durante o resto do ciclo. Em termos de graus, o diodo conduz por apenas alguns graus
durante cada ciclo.
UmaFórmulaImportante
Aqui está uma fórmula para a tensão de ondulação expressa em termos de valores do
circuito medidos facilmente:
I
VR = fC
(4.8)
114 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.4
onde VR = tensão de ondulação pico a pico
I = corrente cc na carga
f = freqüência de ondulação
C = capacitância
A prova da Equação (4.8) é muito extensa para ser mostrada neste livro. Mas
a dedução supõe que a tensão de ondulação de pico a pico é menor que 20% da tensão
da carga. Além desse ponto, você não pode usar a Equação (4.8) sem que seja encon-
trado um alto valor de erro. Mas como já foi discutido anteriormente, o principal
objetivo do filtro com capacitor é produzir uma tensão ccestável ou constante. Por essa
razão, muitos projetistas escolhem deliberadamente valores de circuito que mante-
nham a tensão de ondulação na tensão da carga abaixo de 10%.
ATensãocc
A eletrônica não é uma ciência exata como a matemática pura. Para a maioria dos
trabalhos em eletrônica, respostas aproximadas são adequadas e até mesmo desejáveis.
Com isso em mente, aqui está como as aproximações do diodo afetam a
tensão na carga. Para um diodo ideal e sem ondulação, a tensão ccna carga na saída de
um retificador em ponte com filtro é igual à tensão de pico do secundário:
Vdc = Vp2
É disso que você deve se lembrar quando estiver dando manutenção ou
fazendo uma análise preliminar de um retificador em ponte com filtro.
Com a segunda aproximação de um diodo, devemos admitir os 0,7V em cada
diodo. Como existem dois diodos conduzindo em série com o resisto r de carga, a
tensão ccna carga sem a ondulação na saída de um retificador em ponte é
Vdc = Vp2 - 1,4V
Na terceira aproximação, duas resistências de corpo estão na malha de carga
do capacitor. Isso complica a análise porque o diodo conduz brevemente apenas
próximo do pico. Felizmente, as resistências de carga dos diodos retificadores são
tipicamente abaixo de 1 Q. Por isso, elas apresentam pouco ou nenhum efeito sobre a
tensão de carga. A não ser que você esteja projetando um retificador em ponte com
filtro, não precisará considerar o efeito da resistência de corpo.
Existe uma melhoria que podemos usar. Podemos incluir o efeito da tensão de
ondulação como segue:
f
,t,
~.
~
"'-..'
~
~
u
Cap.4 Circuitos com diodos 115
VR
Vcc(com ondulação) = Vcc(sem ondulação) - 2"
A idéia aqui é subtrair metade da tensão de ondulação de pico a pico para
refinar um pouco a resposta. Como o valor de pico a pico é menor que 10%,a melhoria
na resposta é menor que 5%.
Uma Regra Básica
Os resistores usados nos circuitos eletrônicos típicos têm uma tolerância de :t5%.
Algumas vezes, você verá resistores de :t10%sendo usados. Mas se tomarmos os de 5%
como sendo de tolerância geral, uma regra para a escolha de uma aproximação é:
ignore um valor se ele produzir um erro menor que 5%. Isso significa que podemos
usar a aproximação do diodo ideal se ela produzir um erro menor que 5%. Se o diodo
ideal resultar num erro maior que 5%,mude para a segunda aproximação. Além disso,
ignore o efeito da tensão de ondulação quando ela for menor que 10% da tensão da
carga. (Lembre-se: a tensão de ondulação de pico a pico é dividida por 2 e subtraída da
tensão da carga. Logo, uma ondulação de 10% produzirá um erro de apenas 5% na
tensão da carga.)
Exemplo4.1
116 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.4
Exemplo4.8
Suponha que temos um retificador em ponte com filtro capacitivo com uma tensão
da rede de 120V rms, u.ma:t:'elafi;ão.ge e~piréilsde 9,~, u.rnaçapacitância de filtro de
470 !-lFe uma resistência de carga de 1kQ. QuaTé a tensão média na carga?
Solução
Comece pelo cálculoda tensão eficaz no secundário: V2 = 1~~; = 12,7V
Esse é o valor que você mediria com um "oltímetro ai conectado ao enrolamento
secundário.
A seguir, calcule a tt"?nsãogt"?pi(!ono sectm.âárió: V'p21111~;oi = 18V
Supondo um diodo ideal e ignorando a ondulação, a tensão média na carga é igual
à tensão de pico do secundário:
Vde = 18 V
Essa resposta satisfaz se você estiver dando manutenção num circuito como esse. A
tensão média na carga é o valor aproximado que você leria com um voltírnetro ccno
resistor de carga. Se acoutecer algum defeito num circuito como esse, a tensão média
provavelmente será muito menor que 18V.
A segunda aproximação melhora a resposta pela inclusão do efeito da queda de
dois diodos:
Vde = 18V - 1,4V = 16,6V
Isso é mais preciso, logova1l'\osusá l0 nos cálculos testantes.
Para calcular a tensão de ondulação, precisamos do valor da corrente média na
carga:
I - 16,6V = 166mA
- 1kQ ,
~ . - 16,6mA = O294V
Agora, podemos usar a Equaçao (4.8). VR - (120Hz)(470 I-lf) ,
Essa é a tensão de pico a pico da Qndl.1laçãioque 'você veria se ligasse um
osciloscópio,acoplado para ca,na carga.
Essa ondulação apresenta um pequeno efeito sobre a tensão média na carga:
Vcc(com ondulação) = 16,6V - 0,2~4V = 16,5V
Isso lhe dá a idéia básica sobre comocal~ul(Ú' a tens'âo média na carga e a tensão de
on~~l,~ção. .
b
..
I' .
)
Cap.4 Circuitos com diodos 117
4.6 o CÁLCULODEOUTROSVALORES
Além da tensão na carga e da tensão de ondulação de pico a pico, existem outros
valores que você pode ter de calcular num retificador em ponte com filtro capacitivo
como o da Figura 4.14. Vamos começar com a corrente no diodo. Durante o semiciclo
positivo, D2 e D3 conduzem. Durante o semiciclonegativo, esses dois diodos cortam.
Portanto, a corrente cc ou média através desses diodos é igual à metade da corrente cc
na carga:
ID = 0,5 Ir (4.9)
De modo idêntico, DI e D4 conduzem durante os semiciclos negativos. Por-
tanto, cada um deles tem um diodo com uma corrente dada pela Equação (4.9). Essa
corrente no diodo deve ser muito menor que a corrente cc máxima nominal especi-
ficada nas folhas de dados do diodo. Por exemplo, o lN4001 tem uma corrente nominal
de 1 A. Portanto, a corrente na carga pode ser menor que 2 A para evitar que o diodo
seja danificado.
120V
60Hz
-
. .
VI V2
-
rC
RL
-
Figura4.14 o retificador em ponte com filtro capacitivo.
Um outro valor que devemos encontrar é a tensão de pico inversa (PIV) no
diodo que não estiver em condução. Na Figura 4.14, o diodo DI está em corte e o diodo
D2 está em condução durante o semiciclo positivo. Visualize o diodo D2 como uma
chave fechada. Se você estiver fazendo isso corretamente, verá que a tensão total do
secundário está aplicada no diodo DI, Na tensão de pico positivo do secundário,
portanto, o diodo DI deve suportar a tensão reversa de Vp2'Essa é a tensão de pico
inversa no diodo.
PIV = Vp2 (4.10)
118 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
De modo idêntico, cada diodo deve suportar a mesma tensão de pico inversa
dada pela Equação (4.10). Por exemplo, o 1N400l tem uma PIV nominal (chamada
também de tensão de ruptura) de 50 V. Isso significa que ele poderá funcionar num
retificador em ponte que forneça tensão para a carga de até 50V.
Um valor final que você necessita é a corrente no primário. Veja aqui como
obtê-Ia:
Nz
11= NI Ir
(4.11)
que a c'
igual à tensão
carga dividid~
SOlução
Ela é parecida com a Equação (4.3),já discutida anteriormente. Uma equação
alternativa que nos leva ao mesmo resultado é:
PL
11 = VI
(4.12)
.,
'1<1
.
LL
-1
!
Cap.4 Circuitos com diodos 119
Essa corrente deve ser menor que o valor nominal do fusível, caso contrário,
o fusível queima.
4.7 ACORRENTEDESURTO
Na Figura 4.14, antes da alimentação ser ligada, o capacitor de filtro está descarregado.
No instante em que a alimentação for ligada o capacitar descarregado funcionará como
se fosse um curto-circuito. Portanto, a corrente inicial de carga é muito alta. No pior
caso, o circuito pode ser energizado no momento em que a tensão da rede está no seu
valor máximo. Isso significa que V2(pico)no enrolamento secundário é.aplicado no
capacitar de filtrodescarregado.OÚnICOelementoque limita a correnteéa resistência
do enrolamentoe a resistênciade corpo dos diodos.Por essa razão, a corrente inicial é
muito alta. À medida que o capacitar carrega, a corrente diminui aos seus níveis mais
baixos.
A alta corrente instantânea quando a alimentação é ligada pela primeira vez é
chamada correntede surto.Um projetista deve certificar-se de que o diodo usado pode
suportar essa corrente de surto, de duração muito rápida. O que devemos considerar
quanto à corrente de surto é o valor do capacitor de filtro. Se o capacitor de filtro for
menor que 1.000 [.lF,a corrente de surto é geralmente muito rápida para danificar o
diodo. Mas quando o capacitor de filtro é muito maior que 1.000 [.lF,ele necessita de
alguns ciclos para carregar o capacitor. Nesse caso, o diodo pode ser danificado. Se
você quer saber mais sobre esse problema no projeto, veja a seção "Tópicos Opcionais"
4.8 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS(MANUTENÇÃO)
Vamos concentrar nossa discussão sobre os capacitares de filtro na verificação de
defeitos. Quase todos os reparos de equipamentos eletrônicos envolve uma fonte de
alimentação, tipicamente um retificador com capacitor de filtro seguido por um regu-
lador de tensão (que será discutido mais tarde). Essa fonte de alimentação fornece uma
tensão cc necessária para o funcionamento dos transistores e outros componentes. Seo
equipamentonão funcionacorretamente,aprimeira coisaa fazeré testar a tensãoccna
saída da fonte de alimentação.
120 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.4
Você pode verificar o retificador e o capacitor de filtro como segue: use um
voltímetro ca para medir a tensão no secundário. Essa leitura é a tensão rms no
enrolamento secundário. Essa tensão rms multiplicada por 1,414é o valor de pico. Use
uma calculadora ou, melhor ainda, estime mentalmente o valor de pico. Por exemplo,
aqui está uma forma que o técnico em manutenção pode usar para estimar o valor da
tensão de pico na Figura 4.14, depois de ter medido a tensão eficaz de 12,7 V no
secundário.
Tudo o que precisamos é de um valor aproximado da tensão de pico. 12,7 V pode ser
arredondado para 13 V. O valor de pico é cerca de 40% maior que esse valor. Quando
multiplicamos 13 V por 0,4, obtemos 5,2 V, que podemos arredondar para 5 V.
Somando esse valor com os 13 V, obtemos 18 V. Esse é o valor aproximado da tensão
de pico no enrolamento secundário.
Uma vez obtido o valor da tensão de pico do secundário, você pode medir a
tensão cc na carga. Essa tensão deve ter um valor próximo do estimado para a tensão
de pico do secundário. Se a tensão de pico for muito diferente ou se você suspeitar do
valor mt>dido,então ligue um osciloscópio para verificar a ondulação na tensão cc de
saída. Uma tensão de ondulação de pico a pico em torno de 10% da tensão na carga é
aceitável. A ondulação pode ter mais ou menos esse valor, dependendo do projeto.
Além disso, a freqüência da ondulação deve ser de 120Hz para um retificador de onda
completa ou em ponte.
Veja aqui alguns defeitos comuns que aparecem e os seus sintomas. Se um
diodo estiver com defeito, a tensão média na carga será um pouco menor que o valor
que deveria ter e a freqüência de ondulação será igual a 60 Hz em vez de 120Hz. Se o
capacitor de filtro estiver aberto, a tensão na carga será baixa, igual ao valor médio, em
vez do valor da tensão de pico, porque a saída será um sinal de onda completa
não-filtrado. Por outro lado, se o capacitor de filtro for curto-circuitado, um ou mais
diodos e o transformador podem ser danificados. Algumas vezes o capacitor de filtro
apresenta uma fuga com o tempo e isso reduz a tensão média na carga. Ocasionalmen-
te, algumas espiras podem entrar em curto e o transformador pode reduzir a tensão
média na carga. Além desses defeitos, é possível ainda que ocorram pontes de solda,
solda fria etc.
O sucesso na verificação de defeitos começa com o pleno conhecimento do
funcionamento do circuito. Quando você sabe os valores corretos da tensão num
circuito, pode medir essas tensões com um voltímetro ou osciloscópio. As tensões com
valores muito abaixo ou muito acima do normal são os indícios que você deve usar
para encontrar um defeito.
Cap.4 Circuitos com diodos 121
,
Quando o
no secundá
318 mv. Se o
defeitoprod "
Solução
Como q,
comple
tensão
porque o ç
0,25A
120 V
60Hz . .
1 kQ
-
-
I
Figura4.15 Exemplo de um retificador em ponte.
122 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
""
Solução
"
4.9 INTERPRETAÇÃODAFOLHADEDADOS
Consulte a folha de dados do lN4001 no Apêndice. Para começar, a tensão de pico
inversa repetitiva, designada por VRRMna folha de dados, é a mesma tensão de pico
inversa discutida anteriormente. A folha de dados diz que o lN4001 pode suportar
uma tensão de 50V no sentido reverso.
A corrente direta retificada média 10 é a corrente média ou cc que circula pelo
diodo. Como você sabe, ela é igual à metade da corrente na carga, tanto para o
retificador de onda completa com tomada central quanto para o retificador de onda
completa em ponte. Para um retificador de meia onda, a corrente no diodo é igual à
corrente média na carga. A folha de dados diz que o lN400l pode ter uma corrente de
1 A, o que significa que a corrente na carga pode ser de até 2 A num retificador em
ponte.
óf
I,
's
~
,
~-
~
Cap- 4 Circuitos com diodos 123
Observe também o valor nominal da corrente de surto IFSM'Conforme indi-
cado na folha de dados, um lN400l pode suportar até 30 A quando a chave de
alimentação 'é ligada pela primeira vez. Mas ele suporta essa corrente alta por um ciclo
apenas.Logo, o valor da capacitância do filtro é muito importante para determinar se
o diodo pode funcionar com esse valor de corrente de surto.
TÓPICOSOPCIONAIS
4.10 FusíVEIS
Em um transformador ideal, as correntes são dadas por
r",
II Nz
h - Nl
124 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.4
Você pode usar essa equação para dimensionar o fusível. Por exemplo, se a
corrente na carga for de 1,5 A rms e a relação de espiras for 9:1, então
II 1
1,5 A = "9
ou
I - 1,5A = 0,167 A rms1 - 9
Isso quer dizer que o fusível deve ter um valor maior que 0,167A, mais 10%
no caso da tensão de linha aumentar, mais 10% aproximadamente para as perdas no
transformador (que produzem uma corrente extra no primário). O fusível de 0,25 A,
que é o valor padrão mais próximo (retardado no caso dos surtos de linha), deve ser
satisfatório. A função do fusível é prevenir danos no caso de um curto-circuito aciden-
tal da resistência de carga.
4.11 TRANSFORMADORESREAIS
Os transformadores encontrados no comércio para o caso do enrolamento não são
ideais por causa da resistência da bobina que produz perdas de potência. Além disso,
o núcleo laminado tem perdas adicionais por corrente de Foucault (parasita). Em razão
dessas perdas de potência indesejáveis, um transformador real é um dispositivo difícil
de ser totalmente especificado. As folhas de dados dos transformadores raramente
fornecem a relação de espiras, a resistência das bobinas e outros valores nominais.
Geralmente, tudo o que obtemos é tensão no secundário com uma corrente nominal.
Por exemplo, o F25Xé um transformador industrial cuja folha de dados fornece apenas
as seguintes especificações: para uma tensão no primário de 115 V ca, a tensão no
secundário é de 12,6V caquando a corrente no secundário for de 1,5A. Sea corrente no
secundário for menor que 1,5 A, a tensão no secundário aumentará ligeiramente por
causa da queda IR na resistência do enrolamento.
Quando for necessário conhecer a corrente no primário, você pode estimar
sua relação de espiras de um transformador ideal pelo uso da Equação (4.2) e pode
calcular a corrente do primário com a Equação (4.3).
~
Cap.4 Circuitos com diodos 125
4.12 REGRASPARAOPROJETO
Se você está projetando um capacitor de filtro, precisa escolher um capacitor que tenha
um valor suficiente para manter a tensão de ondulação com um valor pequeno.
Pequeno até quanto? Isso depende do valor de capacitor que você está tentando usar.
Com a diminuição da ondulação, o capacitor aumenta e torna-se mais caro.
Como um compromisso entre uma pequena ondulação e um alto valor de
capacitor, muitos projetistas usam a regra dos 10%,que diz que você deve escolher um
capacitor capaz de manter a tensão de ondulação de pico a pico em aproximadamente
10% da tensão de pico, Por exemplo, se a tensão de pico for de 15 V, escolha um
capacitor que mantenha a tensão de ondulação de pico a pico em torno de1,5V.
4.13 ACORRENTEDESURTO
Antes que a chave de alimentação seja ligada, o capacitor de filtro está descarregado.
No instante que o circuito for ligado, o capacitor funcionará como um curto-circuito,
portanto, a corrente de carga inicial pode ser muito alta. Essa alta corrente instantânea
é chamada corrente de surto.
No pior caso, o circuito pode ser energizado no exato momento em que a
tensão de linha está no seu valor de pico. Isso quer dizer que V2(pico)está aplicado no
capacitor descarregado. O único obstáculo que a corrente encontra é a resistência do
enrolamento secundário e a resistência de corpo dos diodos. Podemos representar
essas duas correntes por RTH, a resistência de Thevenin vista do capacitor para o
retificador. Portanto, no pior caso,
t
1 V2(pico)
[surto = RTH
(4.13)
Por exemplo, suponha que a tensão no secundário seja de 12,6 V rms e a
resistênciade Thevenin que limita a corrente no capacitor seja de 1,5Q. Comojá foi
determinado antes, V2(pico)= 17,8V,o que implica uma corrente de surto de
.t
I 17,8 V = 11,9 A
[surto = 1,5 Q
Essa corrente começa a aumentar logo que o capacitor carrega. Se o valor do
capacitor for muito alto, a corrente de surto pode permanecer com um valor alto por
um determinado tempo e o diodo pode ser danificado.
126 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
CapacitordeAltoValorSignificaCorrentedeSurtoProlongada
A tensão no secundário tem um período de
T = ~ 1
f = 60Hz = 16,7ms
Para uma resistência de Thevenin de 1 Q, um capacitor de 1.000 !-tFproduz
uma constante de tempo de 1 ms. Isso significa que o capacitor pode ser carregado
dentro de alguns milessegundos, uma fração de um ciclo. Esse tempo geralmente não
é suficiente para danificar o diodo.
Quando o capacitor émaior que 1.000!-tF,a constante de tempo torna-se muito
longa e o capacitor pode levar muitos ciclos para ser totalmente carregado. Se a
corrente de surto for muito alta, o capacitor pode sofrer danos pelo aquecimento e pela
formação de gases na eletrólise.
A FolhadeDados
As folhas de dados listam os valores de corrente de surto, nominais, como Isurto'
IpM(surto)etc. Por exemplo, a corrente de surto nominal do 1N4001 é de 30 A para um
ciclo,24 Apara dois ciclos, 18Apara quatro ciclos etc. Amaioria dos projetos neste livro
serve para carregar o capacitor no intervalo de um ciclo.De fato, se o capacitor de filtro
for menor que 1.000 !-tF,ele irá carregar-se num intervalo menor que um ciclo.
SugestõesparaProjetos
Suponha que você esteja projetando um circuito retificador com um capacitor de filtro.
O que você faria a respeito da corrente de surto? Como foi mencionado antes, você
escolhe um valor de capacitância capaz de produzir uma tensão de ondulação de cerca
de 10%da tensão média na carga. Se esse valor de capacitância for menor que 1.000!-tF,
você geralmente pode desprezar a corrente de surto, uma vez que ela não é suficiente
para danificar os diodos retificadores de um circuito típico.
Por outro lado, se a capacitância for maior que 1.000 !-tF,você pode ter de usar
a resistência do enrolamento secundário e a resistência de corpo para calcular a cor-
rente de surto pela Equação (4.13). Você pode medir a resistência do enrolamento
secundário com um ohmímetro. E pode usar a equação abaixo para calcular a resis-
tência de corpo:
".
...
J
Cap.4 Circuitos com diodos 127
VF - 0,7
rB =-
IF
(4.14)
Os valores de VFe de IFsão listados nas folhas de dados. Após o cálculo da
corrente de surto, você pode escolher um diodo cuja corrente de surto nominal seja
maior que a corrente de surto calculada.
4.14 FILTROS LCRC E
Com a regra dos 10%, obtemos uma tensão média na carga com uma tensão de
ondulação em torno de 10%da tensão média. Antes dos anos 70, filtros passivos eram
conectados entre o filtro capacitivo e a carga para reduzir a tensão de ondulação para
1%. A idéia principal era obter uma tensão cc quase perfeita, parecida com aquela que
obtemos de uma bateria. Nos circuitos novos, raramente são vistos os filtros passivos,
mas ocasionalmente eles poderão ser viáveis em aplicações especiais.
oFiItro RC
lI'
AFigura 4.16amostra dois filtros RC entre o capacitor de entrada e o resistor de carga.
Por um projeto determinado, R é muito maior que Xc na freqüência da ondulação.
Portanto, a tensão de ondulação sofre uma queda através do resistor em série em vez
do resistor de carga. Tipicamente, R é pelo menos 10vezes maior que Xc; isso implica
que cada seção atenua (reduz) a tensão de ondulação por um fator de 10pelo menos. A
principal desvantagem do filtro RC é queda de tensão em cada R. Isso quer dizer que o
filtro RC é adequado apenas para cargas leves (pequenas correntes de carga ou alto
valor de resistência de carga).
oFiItro LC
Quando a corrente na carga for alta, os filtros LC da Figura 4.16bmelhoram o funcio-
namento dos filtros RC Novamente, a idéia é provocar uma queda na tensão de
ondulação nos componentes em série; neste caso, nos indutores. Isso é conseguido
fazendo-se XLmuito maior que Xc na freqüência da ondulação. Desse modo, a ondu-
{
128 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.4
lação pode ser reduzida a níveis extremamentebaixos. Além disso, a queda de tensão
média nos indutores é muito menor, porque estão envolvidas apenas as resistências
dos enrolamentos.
R R
Retificador
de onda
completa
c
1000 ~ ' 000 ~ 'I I II I I
i CT: CIJ
:- SEÇÃO-+-- SEÇÃO-:
(a)
RL
:- ,-I
RL
Retificador
de onda
completa
c : L ~: L ~:
: CT i cIJ
:- SEÇÃO-+-- SEÇÃO-:
(b)
Figura 4.16 (a) O filtro RC; (b) o filtro Lc.
o filtro LC era muito usado. Hoje em dia, eles estão obsoletos por causa das
dimensões e custo dos indutores nas fontes de alimentação típicas. Para as fontes de
alimentação de baixos valores, os filtros LCforam substituídos por CIs reguladores de
tensão, filtros ativos que reduzem a ondulação e mantêm a tensão média na saída
constante.
4.15 OSMULTIPLlCADORESDETENSÃO
o multiplicador de tensão é um circuito com dois ou mais diodos retificadores que
produzem uma tensão média igual a um múltiplo do valor da tensão de pico (2VP'3VP'
4Vp etc.). Essas fontes de alimentação são usadas com dispositivos de alta ou baixa
corrente, como os tubos de raios catódicos (tubos de imagem dos receptores de TV,
osciloscópios e monitores de computadores).
..
"c'
1
1
Cap.4 Circuitos com diodos 129
o DobradordeTensãodeMeia Onda
A Figura 4.17a mostra o diagrama de um dobradorde tensão.No pico do semiciclo
negativo, °1 fica diretamente polarizado e °2' reversamente polarizado. Idealmente,
isso carrega o capacito r C1com tensão de pico, Vpcom a polaridade mostrada na Figura
4.17b.No pico do semiciclo positivo, °1 fica reversamente polarizado e °2, diretamente
polarizado. Como a fonte ca e C1estão em série, C2tentará carregar até uma tensão de
2Vp' Depois de vários ciclos, a tensão em C2será igual a 2Vp' conforme mostrado na
Figura 4.17c.
Redesenhando o circuito e conectando a resistência de carga, obtemos a
Figura 4.17d. Agora, está claro que o capacitor descarrega pelo resistor de carga.
Enquanto RLfor de alto valor, a tensão de saída será igual a 2Vp (idealmente). Isto é,
desde que a carga seja de baixo valor, ou alta resistência (uma alta constante de tempo),
a tensão de saída será o dobro da tensão de pico da entrada. Essa tensão de entrada
vem do enrolamento secundário de um transformador.
+
DI
C2
D2 DI
C2
D2
II
(a) (b)
mc, J~
Vp
+
DI
C2
D2
(c)
+
2Vp
(d)
Figura4.17 o dobrador de tensão de meia onda.
..
Para um dado transformador, você obtém na saída o dobro de tensão que
obteria com um retificador de pico comum. Ele é útil quando você tenta produzir altos
valores de tensão (centenas de volts ou mais). Por quê? Porque os transformadores com
altos valores de tensão no secundário são volumosos. Até um certo ponto, um projetis-
ta pode preferir usar um dobrador em vez de um transformador de grandes dimensões
que ocupa muito espaço.
130 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
o circuito é chamado dobrador de meia onda porque o capacitor de saída C2
carrega apenas uma vez durante um ciclo. Como resultado, a freqüência da ondulação
é de 60Hz. Algumas vezes você verá um resistor de surto em série com CI.
oDobradordeTensãodeOndaCompleta
A Figura 4.18 mostra um dobrador de tensão de onda completa. Durante o semiciclo
positivo da fonte ca, o capacitor de cima carrega até o valor de pico com a polaridade
mostrada. No próximo semiciclo, o capacitor de baixo carrega até o valor de pico com
a polaridade mostrada. Para cargas leves, a tensão final é de aproximadamente 2Vp'
O circuito é chamado dobrador de tensão de onda completa porque cada um
dos capacitores de saída é carregado durante cada semiciclo. Dizendo isso de modo
diferente, a saída da ondulação é de 120 Hz. Essa freqüência de ondulação é uma
vantagem porque isso facilita a operação do filtro. Uma outra vantagem do dobrador
de onda completa é que a tensão reversa nominal, PIV, dos diodos pode ser apenas
maior que Vp.
A desvantagem do dobrador de onda completa é quanto à falta de um ponto
comum entre a entrada e a saída. Se aterrarmos o terminal do resistor de carga na
Figura 4.18, a fonte fica em flutuação. No dobrador de meia onda da Figura 4.17d, o
aterramento do resistor de carga é um ponto comum com um dos terminais da fonte,
que é uma vantagem em certas aplicações.
DI
I
+
RL 2Vp
~
D2
Figura4.18 o dobrador de tensão de onda completa.
OTriplicadordeTensão
Pela conexão de outra seção, obtemos o triplicadorde tensão da Figura 4.19a.Os dois
primeiros retificadores de pico funcionam como um dobrador. No pico do semiciclo
negativo, °3 fica diretamente polarizado. Isso carrega C3 a 2Vp com a polaridade
mostrada na Figura 4.19a.A saída do triplicador aparece entre CI eC3.
Cap.4 Circuitos com diodos 131
A resistência de carga é conectada na saída do triplicador. Enquanto a cons-
tante de tempo for alta, a saída será aproximadamente igual a 3Vp.
~ Saída do Triplicador~
I ~; ~~P, I-\ 1+ - - -\ I+
DI
C2
C3
D2 D3
2Vp
-\ 1+
DI
C2
C3
D2 D3
C4
D4
-/1+
2Vp
(a)
L
-/1+ -
~
-JI+
2Vp 2Vp
Saída do Quadriplicador
(b)
Figura 4.19 (a) O triplicador de tensão; (b) o quadriplicador de tensão.
o QuadriplicadordeTensão
A Figura 4.1% mostra um quadriplicadorde tensãocom quatro retificadores de pico em
cascata (um após o outro). Os três primeiros formam um triplicador e o quarto comple-
ta o circuito quadriplicador. O primeiro capacitor carrega com Vp; todos os outros
carregam com 2Vp. A saída do quadriplicador é entre a conexão em série de Cz e C4.
Como sempre, uma resistência de saída alta (alta constante de tempo) é necessária para
que a saída se mantenha próxima de 4Vp.
Teoricamente, podemos adicionar seções indefinidamente, contudo, a ondu-
lação piora a cada seção adicionada. É por isso que os multiplicadores de tensão não
são usados nas fontes de alimentação de baixos valores, que são as mais encontradas.
Conforme dito anteriormente, os multiplicadores de tensão são quase sempre usados
para produzir alta tensão, de centenas e até milhares de volts.
4.16 o LlMITADOR(CEIFADOR)
Os diodos usados nas fontes de alimentação são diodosretificadores:aqueles que têm
uma potência nominal acima de 0,5W e são otimizados para uso em 60Hz. No restante
deste capítulo, usaremos diodosdepequenosinal, pois eles têm baixa potência, abaixo de
0,5W (com corrente da ordem de miliamperes até amperes), e são usados tipicamente
em freqüências acima de 60Hz. O primeiro circuito de pequeno sinal que veremos é o
132 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.4
limitador (ceifador); ele retira uma parte do sinal de tensão acima ou abaixo de um
nível especificado. Ele é útil não apenas para a formação de um sinal, mas também para
a proteção de circuitos que recebem sinais.
o LimitadorPositivo
A Figura 4.20 mostra um limitadorpositivo (chamado também de ceifadorpositivo),um
circuito que corta uma parte da tensão positiva do sinal. Conforme mostrado, a tensão
de saída tem todos os semiciclos positivos ceifados. O circuito funciona como segue:
durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o diodo conduz. Idealmente, a tensão
na saída é zero; para uma segunda aproximação, ela é de aproximadamente 0,7 V.
+v, ~
O4fJ!b LiJ R, VV V O
-vp
Figura4.20 o limitador positivo.
Durante o semiciclo negativo, o diodo está reversamente polarizado e aparece
como uma chave aberta. Na maioria dos limita dores, o resistor de carga RL é pelo
menos 100vezes maior que o resistor em série, R. Por essa razão, a fonte é quase ideal
e o semicic1onegativo aparece na saída.
A Figura 4.20 mostra a forma de onda de saída. O semicic1o positivo foi
ceifado. O ceifamento não é perfeito. Para uma segunda aproximação, um diodo de
silício em condução tem uma queda de aproximadamente 0,7V.Como os primeiros 0,7
V são usados para vencer a barreira de potencial, o sinal de saída é ceifado próximo de
+0,7V em vez de OV.
Se você inverter a polaridade do diodo na Figura 4.20, obterá um limitador
negativo que corta os semicic1os negativos. Nesse caso, o nível de ceifamento fica
próximo de -0,7V.
oLimitadorPolarizado
Com o limitadorpolarizadoda Figura 4.21, você pode mover o nível de ceifamento para
um valor V + 0,7.Quandoa tensão de entrada for maior que V + 0,7, o diodo conduz e
a saída é mantida em V + 0,7. Quando a tensão de entrada for menor que V + 0,7, o
.J;
\
\
..
Cap.4 Circuitos com diodos 133
diodo abre e o circuito passa a ser um divisor de tensão. Como antes, a resistência da
carga deve ser muito maior que a resistência em série, portanto, a fonte é quase ideal e
toda a tensão de entrada aparece na saída.
Figura4.21
+Vp
C1J
R
V + 0,7
°M~[ . v: RL oIlfifU
-Vp -Vp
O limitador positivo polarizado.
Vocêpode combinar limitadores positivos e negativos, conforme mostrado na
Figura 4.22. O diodo 01 conduz quando a tensão na entrada excede a VI + 0,7, esse é o
nível de ceifamento positivo. De modo idêntico, o diodo 02 conduz quando a entrada
é mais negativa que -V2 -0,7, esse é o nível de ceifamento negativo. Quando o sinal de
entrada for maior, isto é, quando Vp for muito maior que os níveis de ceifamento, o
sinal de saída adquire a aparênciade uma onda quadrada, comoa da Figura4.22.
R
o~ r:~ i:, t~
VI + 0,7
OI:ffiFb
-V2-O,7
Figura4.22 A combinação de limitadores.
Variações
~
O uso de bateria para determinar o nível de ceifamento não é prático. Uma solução é o uso
de diodos em série, porque cada diodo produz uma tensãode compensaçãode 0,7 V.Por
exemplo,aFigura4.23amostradoisdiodosnum limitadorpositivo.Comocadadiodotem
uma compensação de 0,7 V,o par de diodos produz um nível de ceifamento de aproxi-
madamente +1,4V.A Figura 4.23bé uma extensão da idéia, usando quatro diodos. Isso
resulta num nível de ceifamento de aproximadamente +2,8 V.'Não há limite quanto ao
número de diodos que pode ser usado e é prático, porque ele não é caro.
Os limitadores às vezes são usados para proteger contra valores excessivos de
tensão. Por exemplo, a Figura 4.23cmostra um 1N914 protegendo a carga (não mostra-
da) contra um valor de tensão excessivamente alto na entrada. O 1N914 conduz
quando a entrada excede a +5,7V.Desse modo, uma tensão de entrada destrutivamen-
te alta como +100V nunca atingirá a carga, porque o diodo grampeia a tensão em +5,7
V como o máximo valor de tensão na carga.
134 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.4
Incidentalmente, um circuito como o da Figura 4.23c às vezes é chamado
grampodediodocom tensão +5,7Vquando a tensão de entrada excede essenível.Um
uso típico de um grampo de diodo é na proteção da carga.
v.nt
1kQ
Vsaída
1kQ
V~I V~"- -
(a) (b)
1000 pF DI
v.nt 0-1 Vsaída
2kQ
v.nt~ Vsaída
t 1N914
+5V
(c)
1 kQ
+5V 100 kQ
1kQ
D2
- -
(d)
Figura4.23 Os limita dores. (a) Com compensação de dois diodos; (b) com compensação
de quatro diodos; (c) o grampo de diodo; (d) polarizado próximo de zero.
Algumas vezes, uma variação como a da Figura 4.23d é usada para retirar a
compensação de limitação do diocto DI. Eis a idéia: o diodo D2está levemente polari-
zado no sentido de condução, de modo que a tensão nele é de aproximadamente 0,7V.
Esse 0,7 V é aplicado no resistor de 1 kQ em série com DI e no resistor de 100 kQ. Isso
significa que diodo DI está próximo da condução. Portanto, quando um sinal é aplica-
do, o diodo DI conduz próximo do valor de OV.
4.17 o GRAMPEADORee
o grampo de diodo é uma variação do limitador discutido na seção precedente. Um
grampeadorccé diferente, portanto não faça confusão com o som aparentemente similar
das palavras. Um grampeador cc acrescenta uma tensão cc ao sinal. Por exemplo, se o
sinal que entra varia de -10V a +10V,um grampeador ccpositivo produzirá uma saída
que excursiona idealmente de Oa +20V. (Um grampeador cc negativo produziria uma
saída entre Oe-20V.)
Cap.4 Circuitos com diodos 135
oGrampeadorPositivo
AFigura 4.24amostra um grampeador ccpositivo. Seu funcionamento, idealmente, é o
seguinte: no primeiro semiciclo negativo da tensão de entrada, o diodo conduz, confor-
me mostrado na Figura 4.24b.No pico negativo, o capacitor deve-se carregar com Vp
com a polaridade mostrada.
Imediatamente após o pico negativo, o diodo corta, conforme mostrado na
Figura 4.24c. A constante de tempo RLC é feita deliberadamente muito maior que o
período T do sinal de entrada. Por essa razão, o capacitor permanece quase totalmente
carregado durante o tempo em que o diodo fica em corte, conforme mostrado na
Figura 4.24c.Para urna primeira aproximação, o capacitor age corno urna bateria de Vp
volts. Por isso, a tensão na saída da Figura 4.24aé um grampeador de sinal positivo.
A Figura 4.24dmostra o circuito corno ele é desenhado normalmente. Corno a
queda no diodo em condução é de 0,7V,a tensão no capacitor não é exatamente igual a Vp'
Por isso, o grampeador ccnão é perfeito e os picos negativos são de -0,7V.
C~
~RL
(c)
~ ê G +2V,O-- eu C Ré 1fillc >;
-Vp (a)
o. ctB i-oVp Ligeiramente
(d) menor que OV
C~
Vp~RL
(b)
Figura 4.24 o grampeador positivo.
o GrampeadorNegativo
o que ocorre se invertermos a posição do diodo na Figura 4.24d? A polaridade do
capacitor é invertida e o circuito passa a ser um grampeador negativo. Tanto o gram-
peador positivo quanto o negativo são muito usados. Os receptores de televisão, por
exemplo, usam um grampeador cc para acrescentar urna tensão cc ao sinal de vídeo.
Em se tratando de televisão, o grampeador cc geralmente é chamado restaurador cc.
136 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.4
Para se lembrar do sentido de deslocamento do nível do sinal, veja a Figura
4.24d.Observe que a seta do símbolo do diodo aponta para cima, no mesmo sentido
de deslocamento cc.Ou seja, quando o símbolo do diodo aponta para cima, você tem
umgrampeador ccpositivo. Quando o símbolo do diodo aponta para baixo, o circuito
é um grampeador negativo.
4.18 o DETECTORDEPICOA PICO
Sevocê ligar um grampeador cce um detector de pico em cascata (omesmo retificador
de pico), obterá um detectordepicoa pico(vejaa Figura 4.25).A senóide de entrada é
positivamente grampeada, logo, a entrada do detector de pico tem um valor igual a
2Vp'É por isso que a saída do detector de pico é igual a uma tensão média de 2Vp'
o.-Vp
c oil
ct:J ~
2VpI C R,}
:::+2Vp
~
o
Figura4.25 o detectar de pico a pico.
O circuito é parecido com o dobrador de tensão de meia onda, exceto que a
entrada não precisa ser obrigatoriamente senoidal. Por exemplo, a entrada pode ter
uma forma de onda triangular que varia de -20 a +50V.
Como sempre, a constante de tempo de descarga RLC deve ser muito maior
que o período do sinal de entrada. Satisfazendo essa condição, você obtém um bom
funcionamento do grampeador, assim como do detector de pico. A ondulação de saída
será portanto pequena.
Onde são usados os detectores de pico a pico? Algumas vezes, a saída de um
detector de pico a pico é aplicada num voltímetro cc.A combinação funciona como um
voltímetro ca de pico a pico. Por exemplo, suponha que um sinal excursione de -20 a
+50V.Sevocê tentar medir esse sinal com um voltímetro cacomum, obterá uma leitura
incorreta. Seusar um detector de pico a pico na frente de um voltímetro cc,lerá 70V de
pico a pico, que é o valor do sinal.
\
111
M
Cap.4 Circuitos com diodos 137
4.19 o RETORNOee
Um dos fatos mais curiosos que pode acontecer num laboratório é o seguinte: você
conecta uma fonte de sinal num circuito e por alguma razão o circuito não funciona,
embora não tenha defeito no circuito nem na fonte de sinal. Como um exemplo
concreto, a Figura 4.26amostra uma fonte senoidal alimentando um retificador de meia
onda. Quando você olha na saída com um osciloscópio, não há sinal, o retificador se
recusa a funcionar. Para aumentar ainda mais a confusão, você tenta com outra fonte
senoidal e encontra o sinal de meia onda correto na carga (Figura 4.26b).
O fenômeno que acabamos de descrever é clássico em eletrônica, ele ocorre
sempre na prática. Ele pode ocorrer com circuitos com diodos, transistores, circuitos
integrados etc. O problema é um grampeador indesejável ruja causa e solução serão
vistas a seguir.
Fonte Senoidal
com
Acoplamento
Capacitivó
..
FonteSenoidal
com
Acoplamento
Direto (cc)
~ Figura4.26 o problema do retorno de cc.
TIposdeAcoplamento
A fonte de sinal daFigura 4.27aestá acopladacapacitivamente.Isso significa que ela tem
um capacitor no caminho do sinal. Alguns geradores de sinal comerciais usam um
capacitor para isolar a fonte cc da carga. A idéia de uma fonte com acoplamento
capacitivo é permitir que apenas o sinal capasse da fonte para a carga.
A fonte com acoplamento cc da Figura 4.27b é diferente. Ela não tem um
capacitor; logo, ela fornece um caminho para a corrente tanto num sentido quanto
noutro. Se você conectar esse tipo de fonte numa carga, é possível que a carga force a
R I OsciloscópioL Sinal
(a)
,
+ Vp
oN\ I
Osciloscópio
(b)
138 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.4
circulação de uma corrente através da fonte. Se essa corrente não for muito alta,
nenhum dano será causado na fonte. Muitos geradores de sinais comerciais usam
acoplamentos cccomo esse.
(a)
A
0%
B
Figura4.27
c[J
(b) (c)
°f\T
(d)
(a) Uma fonte capacitivamente acoplada; (b)uma fonte com acoplamento
direto; (c) uma fonte com acoplamento com transformador; (d) uma carga
desbalanceada faz com que as correntes de carga sejam desiguais.
Algumas vezes, uma fonte de sinal é acopladacom transformador,como na
Figura 4.27c.A vantagem é que ele passa o sinal ca e ao mesmo tempo fornece um
caminho ccpor meio do enrolamento secundário. Todos os circuitos vistos antes neste
capítulo funcionam com acoplamento cc e com fontes com acoplamento com trans-
formador. É somente com as fontes com acoplamento capacitivo que o problema surge.
o CircuitoDesbalanceadopeloDiodo
Uma cargadesbalanceadaé aquela que tem mais resistêncianum cicloque no outro. A
Figura 4.27d mostra uma carga desbalanceada. Se a corrente for maior durante o
semiciclo positivo, o capacitor carrega com a polaridade mostrada. Conforme vimos
nos grampeadores cc,a carga do capacitor desloca o nível cc do sinal.
Agora, sabemos por que o retificador de meia onda recusa-se a funcionar
quando conectado numa fonte com acoplamento capacitivo. Na Figura 4.28ao capaci-
tor carrega até Vp durante os primeiros ciclos. Por isso, o sinal vindo da fol}te é
grampeado negativamente e o diodo não pode conduzir depois de alguns ciclos. E por
isso que não vemos o sinal no osciloscópio.
.l.
(
I
I
~r
J
Cap.4 Circuitos com diodos 139
+Vp
o~ Osciloscópio°W-2Vp
-'1>
(a)
:E:JI:H
(b) (c) (d)
Figura4.28 Fontes capacitivamente acopladas produzem um grampeamento indesejável.
Entre os circuitos com diodos discutidos anteriormente, temos os seguintes
com cargas desbalanceadas: o retificador de meia onda, o limitador, o detector de pico,
o grampeador cc e o detector de pico a pico. Esses dois últimos são supostos como
grampeadores cc,portanto, funcionam bem com uma fonte com acoplamento capaciti-
vo. Mas o retificador de meia onda, o limitador e o detector de pico da Figura 4.28b,c e
d não funcionarão com uma fonte com acoplamento capacitivo por causa do grampea-
mento cc indesejável.
o Retornocc
..!'- Existe algum modo de evitar o grampeamento cc indesejável? Sim. Você pode acres-
centar um resistor de retornocc entre a entrada e o circuito desbalanceado (veja a Figura
4.29a).Esse resistor, RD' permite que o capacitor descarregue durante o tempo que o
diodo estiver em corte. Em outras palavras, qualquer carga depositada nas placas do
capacitor é retirada durante o semiciclo alternado.
O valor de RDnão é crítico. A principal idéia ao evitar um grampeamento cc
indesejável é manter a resistência de descarga, RD' menor ou igual à resistência de
carga em série com o diodo. Na Figura 4.29a,isso significa que
RD < RL
140 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.4
Quando essa condição for satisfeita, apenas um ligeiro deslocamento ocorrerá
no nível cc do sinal. A mesma regra se aplica à Figura 4.29b. (Para melhores resultados,
faça RDmenor que um décimo de Rv Isso dá um excelente balanço na carga com um
deslocamento cc desprezível.)
O lirnitador da Figura 4.29c é ligeiramente diferente. Quando o diodo está
conduzindo, a resistência está em série com o diodo igual a R em vez de RL' Portanto,
na Figura 4.29c, a regra é
RD < R
Sempre que possível, RDdeve ser menor que um décimo de R.
+Vp +vp
c~J
cf1~~' f~
(a)
c$1:1f]~ ~~
+Vp
°4AJ-
-Vp ,
i
1
I
I
(b) (c)
Figura 4.29 o retorno cc elimina o grampeamento indesejável.
11'
J
r
~
T
1,
'~~
. r
Cap,4 Circuitos com diodos 141
1---
I---- APOIOAOSESTUDOS
RESUMO
Seção4.1 OTransformadordeEntrada
o transformador de entrada é geralmen-
te abaixador. Nesse tipo de trans-
formador, a tensão é reduzida e a
corrente aumentada. Um modo de não
se esquecer desse fato é lembrando que a
potência de saída é igual à potência de
entrada num transformador sem perdas.
Seção4.2 ORetificadordeMeiaOnda
o retificador de meia onda tem um dio-
do em série com um resistor de carga. A
tensão na carga é uma senóide retificada
em meia onda com um valor de pico
aproximadamente igual ao valor da ten-
são de pico no secundário. Atensão ccou
média na carga é igual a 31,8%da tensão
de pico na carga. .
Seção4.3 ORetificadordeOnda
CompletacomTomadaCentral
(centertrap)
o retificador de onda completa com toma-
da central tem um transformador com um
tenninal comum no centro do enrolamen-
to secundário com dois diodos e um resis-
tor de carga. A tensão na carga é uma
senóide retificada em onda completa com
valor de pico aproximadamente igual à
metade da tensão de pico no secundário.
A tensão cc ou média é igual a 63,6%da
tensão de pico na carga. A freqüência de
ondulação é igual a duas vezes a fre-
qüência de entrada.
Seção4.4 ORetificadordeOnda
Completaem Ponte
o retificadorde onda completaem ponte
tem quatro diodos. A tensão na carga é uma
senóide retificada em onda completa com
um valor de pico aproximadamente igual
ao valor da tensão de pico no secundário. A
tensão cc ou média na carga é igual a 63,6%
da tensão de pico na carga. A freqüência de
ondulação é igual a duas vezes a freqüência
da linha.
Seção 4.5 OFiltrocomCapacitor
o capacitor de filtro é um capacitor co-
nectado em paralelo com a carga. A idéia
é carregar o capacitor com o valor da
tensão de pico e deixar que ele forneça
corrente para a carga quando o diodo
estiver em corte. Com um capacitor de
alto valor, a ondulação é pequena e a
tensão na carga é cc quase pura.
Seção4.6 OCálculodeOutrosValores
Num retificador de onda completa com
tomada central ou em ponte, a corrente
no diodo é metade da corrente na carga e
a tensão de pico inversa é igual à tensão
de pico no secundário. Em qualquer tipo
de retificador, a corrente no primário é
aproximadamente igual à potência da
carga dividida pela tensão no primário.
Seção 4.7 A CorrentedeSurto
Como o capacitor está descarregado
antes da alimentação do circuito ser li-
142 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.4
gada, a corrente de carga inicial é muito
alta. Se o capacitor de filtro for menor
que 1.000!-tEa corrente de surto é muito
rápida para causar danos nos diodos.
Seção4.8 VerificaçãodeDefeitos
(manutenção)
Os instrumentos básicos que você pode
usar num circuito retificador inclui um
voltímetro ca no enrolamento secundá-
rio para medir a tensão eficaz no secun-
dário do transformador, um voltímetro
cc no resistor de carga para medir a ten-
são média na carga e um osciloscópio no
resistor de carga para medir a tensão de
ondulação de pico a pico.
Seção 4.9 InterpretaçãodaFolhade
Dados
As três especificações mais importantes
na folha de dados de um diodo são a
tensão de pico inversa, a corrente máxi-
ma no diodo e a corrente de surto.
EQUAÇÕESIMPORTANTES
Equação4.1 ATensãoEficaz(rms)
Vnns = 0,707Vp
Esta equação relaciona o efeito do aque-
cimento causado por uma tensão média
em relação a uma tensão eficaz. Real-
mente, ela converte uma onda senoidal
com um valor de pico, Vp numa tensão
média com um valor eficaz. Essa equa-
ção diz que uma onda senoidal com um
valor de pico Vp produz a mesma quan-
tidade de calor ou de potência que uma
tensão cc com um valor eficaz (Vrms).
Equação4.5 A TensãoMédia (cc) deum
RetificadordeMeia Onda
Vcc = 0,318Vp
Uma coisa que você podefazer com cál-
culo é calcular o valor médio de um sinal
que varia com o tempo. Se você real-
mente quer saber de onde vem o número
0,318, terá de estudar cálculo. Caso con-
trário, apenas memorize essa equação.
Ela diz que a tensão ccou média de uma
onda senoidal retificada em meia onda é
igual a 31,8%da tensão de pico.
Equação4.6 A TensãoMédia (cc) deum
RetificadordeOndaCompleta
Vcc = 0,636Vp
Como o sinal de onda completa tem o
dobro de ciclos de um sinal de meia onda,
a tensão média é o dobro. A equação diz
que a tensão média é igual a 63,6% da
tensão de pico do retificador da onda se-
noidal retificada em onda completa.
Equação4.7 A FreqüênciadaTensãode
SaídadoRetificadordeOndaCompleta
fsaída = 2fent.
Esta equação se aplica tanto ao retifica-
dor com tomada central quanto ao retifi-
cador em ponte. Ela diz que a freqüência
da ondulação é igual a duas vezes a fre-
qüência da linha. Se a freqüência da
linha for de 60Hz, a freqüência da ondu-
lação será de 120Hz.
Cap.4 Circuitos com diodos 143
Equação4.8 A OndulaçãodeSaídacom
oCapacitorde Filtro
I
VR = fC
Esta equação é a chave para o cálculo do
valor da tensão de ondulação. Às vezes
um técnico em manutenção ou um proje-
tista precisa conhecer esse valor. Ela diz
que a tensão de pico a pico é igual à
tensão média na carga dividida pela fre-
qüência da ondulação vezes a capacitân-
cia do filtro.
Equação4.9 A CorrentenoDiodo
Iv = O,5h
Esta equação se aplica ao retificador tanto
com tomada central quanto em ponte. A
equação diz que a corrente média num dio-
do é igual à metade da corrente ccna carga.
Equação4.10 A TensãodePico Inversa
PIV = Vp2
Ela se aplica ao retificador tanto com to-
mada central quanto em ponte. Ela diz
que a tensão de pico inversa no diodo
em corte é igual ao valor da tensão de
pico no secundário.
I
QUESTÕES
1. SeNl/N2 =2 e a tensão no primário for
de 120 V, qual será a tensão no secundá-
rio?
a) OV
b) 36 V
c) 40 V
d) 60 V
2. Num transformador abaixador, qual dos
seguintes valores é o maior?
a) A tensão no primário
b) A tensão no secundário
c) Nenhum desses
d) Não há resposta possível
3. Um transformador tem uma relação de
espiras de 4:1. Qual será a tensão de pico
no secundário se 115 V rms for aplicada
no enrolamento primário?
a) 40,7 V c) 163 V
b) 64,6 V d) 170 V
4. Com uma tensão retificada em onda
completa no resistor de carga, por quan-
tos graus a corrente circula na carga?
a) 00 c) 1800
b) 900 d) 3600
5. Suponha que a tensão de linha varie de
105 V rms até 125 V rms num retificador
de meia onda. Com um transformador
abaixador de 5:1, a tensão de pico máxi-
ma na carga está próxima de
a) 21 V c) 29,6 V
b) 25 V d) 35,4 V
6. A tensão de saída de um retificador em
ponte é um sinal
a) De meia onda
b) De onda completa
c) De uma ponte retificada
d) Senoidal
144 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.4
7. Se a tensão de linha for de 115 V rms,
uma relação de espiras de 5:1 implicará
uma tensão eficaz no secundário próxi-
ma de
a) 15 V
b) 23 V
c) 30 V
d) 35 V
8. Qual é a tensão de pico num retificador
de onda completa se a tensão no secun-
dário for de 20V rms?
a) OV c) 14,1V
b) 0,7V d) 28,3 V
9. Queremos que um retificador em ponte
tenha uma tensão de pico na carga de 40
V. Qual deve ser o valor aproximado da
tensão eficaz no secundário?
a) OV c) 28,3 V
b) 14,4 V d) 56,6 V
0,25A
120V
60Hz . .
VI V2
-
Figura4.30
13. Sea freqüência da linha for de 60 Hz, a
freqüência na saídade um retificador em
ponte será
a) 30Hz
b) 60Hz
c) 120 Hz
d) 240 Hz
14. Com a mesma tensão no secundário e
com o mesmo filtro, qual dos retificado-
res abaixo tem maior ondulação?
a) De meia onda
b) De onda completa
c) Em ponte
d) Impossível responder
10. Por quantos graus a corrente circula
numa carga alimentada por uma tensão
retificada em onda completa?
a) 00 c) 1800
b) 900 d) 3600
11. Qual será a tensão de pico numa carga ali-
mentada por um retificador de onda
completa se a tensão no secundário for de
15 V rms? (Use a segunda aproximação.)
a)9,2V c) 19,8 V
b) 15 V d) 24,3 V
12. Se a freqüência da linha for de 60 Hz, a
freqüência na saída de um retificador de
meia onda será
a) 30 Hz
b) 60 Hz
c) 120Hz
d) 240Hz
1 kQ
- -
15. Com a mesma tensão no secundário e
com o mesmo filtro, qual dos seguintes
retificadores fornece a menor tensão na
carga?
a) De meia onda
b) De onda completa
c) Em ponte
d) Impossível responder
16. Se a corrente filtrada numa carga for de
10 mA, qual dos seguintes retificadores
terá a corrente de 10 mA no diodo?
a) De meia onda
b) De onda completa
c) Em ponte
d) Impossível responder
,01
Cap.4 Circuitos com diodos 145
17. Se a corrente numa carga for de 5 mA e a c) Dos diodos pares
capacitância do filtro for de 1.000 f-lF,qual d) Todos os anteriores
será a tensão de ondulação de pico a pico
,,, na saída do retificador em ponte? 24. Na Figura 4.30, a tensão no secundário
a) 21,3 pV c) 21,3 mV tem um valor eficaz de 12,7 V. Se um
b) 56,3 nV d) 41,7 mV voltímetro cc indica uma tensão na carga
de 11,4V,o problema provavelmente é
18. Cada diodo num retificador em ponte a) Capacitor de filtro aberto
tem uma corrente cc nominal máxima de b) Fusível queimado
2 A. Isso significa que a corrente na carga c) Enrolamento secundário aberto
pode ter um valor máximo de d) Na tomada central
a) 1 A c) 4 A
b) 2 A d) 8 A 25. A tensão média na carga da Figura 4.30
parece normal, mas a freqüência de on-
19. Qual é a PIV em cada diodo de uma pon- dulação é de 60 Hz. Qual dos seguintes
te retificadora que tem uma tensão de 20 problemas pode,estar ocorrendo?
V rms no secundário do transformador? a) Um capacitor de filtro aberto
a) 14,1 V c) 28,3 V b) Um fusível queimado
1) b) 20 V d)34V c) O enrolamento secundário aberto
d) Um diodo aberto
20. Se a tensão no secundário aumentar
numa ponte retificadora com um capaci-
tor de filtro, a tensão na carga irá PROBLEMASBÁSICOS
a) Diminuir
b) Permanecer estável
Seção 4.1 OTransformadorde Entrada! c) Aumentar
f d) Nenhum desses
4.1 Suponha que o valor de pico de uma ten-21. Se a capacitância de um filtro aumentar, a são senoidal seja de 50 V. Qual é o valor
ondulação irá eficaz?
a) Diminuir
b) Permanecer estável 4.2 Uma tensão de linha pode variar de 105 ac) Aumentar
4/, d) Nenhum desses 125 V rms. Calcule o valor de pico para atensão de linha mínima e a tensão de
22. Na Figura 4.30, o capacitor de filtro está
linha máxima.
aberto. Qual será a forma da tensão na
4.3 Um transformador elevador tem uma
carga vista por um osciloscópio?
a) Uma linha horizontal em OV relação de espiras de 1:4. Se a tensão de
b) Uma linha horizontal com a linha for de 115 V rms, qual será a tensão
saída normal de pico no secundário?
c) Um sinal de meia onda
d) Um sinal de onda completa 4.4 Um transformador abaixador tem uma
tensão de 110 V rms no primário e uma
23. Alguma coisa põe o resistor de carga em tensão de 12,7V rms no secundário. Qual
curto na Figura 4.30. Depois de remover é a relação de espiras?
o curto, você deve verificar as condições
a) Do fusível 4.5 Um transformador tem uma tensão de!
b) Dos diodos ímpares 120 V rms no primário e uma tensão de,.
146 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.4
25 V nns no secundário. Se a corrente no
secundário for de 1 A nns, qual será a
corrente no primário?
Seção 4.2 ORetificador de Meia Onda
4.6 Durante o dia, a freqüência na linha varia
ligeiramente de seu valor nominal de 60
Hz. Suponha que a freqüência de linha
seja de 61 Hz. Qual é o período da tensão
de saída num retificador de meia onda?
4.7 Um transformador abaixador com uma
relação de espiras de 3:1 está conectado
num retificador de meia onda. Se a ten-
são de linha for de 115V nns, qual será o
valor da tensão de pico? Dê duas respos-
tas: uma para um diodo ideal e outra
para uma segunda aproximação.
Seção 4.3 ORetificador de Onda
Completa com TomadaCentral
(centertrap)
4.8 Durante o dia, a freqüência de linha cai
para 59 Hz. Qual é a freqüência na saída
de retificador de onda completa com essa
freqüência na entrada? Qual é o período
na saída?
4.9Observe a Figura 4.7. Suponha que a ten-
são de linha varie de 105 a 125 V rms.
Qual é a tensão de pico para os dois ex-
tremos? (Use diodos ideais.)
4.10 Se a relação de espiras na Figura 4.7 for
mudada para 6:1, qual será a corrente na
carga?
Seção 4.4 ORetificadordeOnda
CompletaemPonte
4.11 Consulte a Figura 4.10.Sea resistência de
carga for mudada para 3,3kQ, qual será a
corrente média na carga?Dê sua resposta
para dois casos: com um diodo ideal e
com uma segunda aproximação.
4.12 Se na Figura 4.10 a relação de espiras for
mudada para 6:1 e a resistência de carga
for mudada para 820 Q, qual será a cor-
rente média na carga? (Dê uma resposta
ideal e outra com uma segunda aproxi-
mação.)
Seção 4.5 OFiltrocomCapacitor
4.13 Um retificador em ponte tem uma cor-
rente cc de carga de 20 mA e uma capaci-
tância de filtro de 680 !-tEQual é o valor
da tensão de ondulação de pico a pico no
capacitor de filtro?
4.14 No problema anterior, a tensão eficaz no
secundário é de 15 V. Qual é a tensão
média na carga? Dê três respostas: uma
baseada em diodos ideais, outra baseada
na segunda aproximação e uma terceira
baseada no efeito da ondulação.
Seção 4.6 OCálculodeOutrosValores
4.15 A tensão eficaz no secundário na Figura
4.30 é de 12,7V.Use o diodo ideal e ignore
o efeito da ondulação sobre a tensão média
na carga. Calcule os seguintes valores: a
tensão média na carga, a corrente no diodo,
a corrente eficaz no primário, a tensão de
pico inversa e a relação de espiras.
4.16 Repita o Problema 4.15, mas use a segun-
da aproximação e inclua o efeito da on-
dulação sobre a tensão média na carga.
4.17 Desenhe o diagrama de um retificador
em ponte com um capacitor de filtro e
com os seguintes valores no circuito: V2 =
20 V,C = 1.000 !-tF,RL= 1 kQ. Qual é a
tensão na carga e a tensão de ondulação
de pico a pico?
,
..~
r"
..
1\
v
..
(
"'4'
Cap.4 Circuitos com diodos 147
Seção 4.8 Verificação de Defeitos
(manutenção)
4.18 Você mede 24 V rms no secundário da
Figura 4.30. Depois, mede 21,6 V cc no
resistor de carga. Qual é o defeito mais
provável?
4.19 A tensão média na carga da Figura 4.30
está muito baixa. Observando com um
osciloscópio, você percebe que a freqüên-
cia é de 60 Hz. Dê algumas das possíveis
causas.
4.20 Não há tensão na saída do circuito da
Figura 4.30. Levante alguns possíveis
problemas.
4.21 Verificando com um ohmímetro, você
descobre que todos os diodos na Figura
4.30 estão abertos. Você substitui os dio-
dos. O que mais você deve verificar antes
de ligar a alimentação?
PROBLEMASAVANÇADOS
4.22 Você está projetando um retificador em
ponte com um capacitor de filtro. As
especificações são a tensão média na car-
ga de 15 V e uma tensão de ondulação de
1 V para uma resistência de carga de 680
Q. Qual deve ser o valor da tensão eficaz
no enrolamento secundário com uma
tensão de linha de 115 V rms? Qual deve
ser o valor do capacitor de filtro? Quais
são os valores nominais de Ia e da PIV
para os diodos?
4.23 Projete um retificador de onda completa
usando um transformador com tomada
central que produza uma tensão de ondu-
lação de 10% no capacitor de filtro com
uma resistência de carga de 330 Q. Quais
são os valores nominais de Ia e da PIV
para os diodos?
4.24 Projete uma fonte de alimentação que
tenha as seguintes especificações: tensão
no secundário de 12,6V rms e tensão mé-
dia na saída de aproximadamente 17,8 V
com 120 mA. Quais são os valores nomi-
nais de Ia e da PIV para os diodos?
4.25 Um sinal de onda completa tem um valor
médio de 0,636vezes o valor de pico. Com
uma calculadora ou uma tabela de seno
você pode deduzir o valor médio de 0,636.
Descreva como você deve proceder.
4.26 A tensão no secundário da Figura 4.31 é
de 25 V rms. Com a chave na posição
superior, qual deve ser a tensão na saída?
4.27 Um diodo retificador tem uma tensão di-
reta de 1,2 V com 2 A. A resistência do
enrolamento é de 0,3 Q. Se a tensão no
secundário for de 25 V rms, qual será a
corrente de surto na ponte retificadora?
1Q11~~
Figura4.31
PROBLEMASDEVERIFICAÇÃODE
DEFEITOCOMODISPOSITIVO
Use a Figura 4.32 para os problemas restantes.
Se você ainda não usou o dispositivo de veri-
ficação de defeitos, leia o Exemplo 4.12 antes de
tentar resolver esses problemas.
Os defeitos possíveis são componentes (diodos,
resistores, capacitores etc.) abertos ou em curto.
Além das medições de tensão, existem medi-
ções de outras grandezas, como segue: f para a
148 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.4
freqüência da ondulação, RL para a resistência
de carga, CI para a resistência do capacitor e FI
para a resistência do filtro.
4.28 Encontre o defeito 1.
4.30 Encontre os defeitos 4 e 5.
4.31 Encontre os defeitos 6 e 7.
4.32 Encontre os defeitos 8 e 9.
4.29 Encontre os defeitos 1 e 3.
FI
1l
~ V, ;11: V,
~
CI l~+KI 470!tE 1kQ 't--
1 2 3 4 5 6 7
Medições
o dispositivo de verificação de defeitos TM.(Patenteado: cortesia de Malvi
Inc.)
OK TI T2 T3 T4
VI :D2 VI :F3 VI :A1 VI :C1 VI :D4
V2: B6 V2: B2 V2 :C4 V2 :A4 V2: E2:
VL :F5 VL :D7 VL :F2 VL :A7 VL :G5
VR :G1 VR:E1 VR :D6 VR :B5 VR :A61
A
f :A3 f : C6 f :G4 ;j: C3 f :G2j B
RL :C5 RL: E4 RL:A5 RL :D1 RL :F11 C
CI:F7 CI :G3 CI: D3 CI:C7 CI: E3
FI :B4 FI :87 FI :E6 FI: E5 FI :D5
D
E
T5 T6 T7 T8 T9
F
VI :F4 VI :A1 VI :D2 VI :A4 VI :D4 G
r'V2 : E7 V2: E2 V2 :C1 V2 :C1 V2: 86
VL:A2 VL :F5 VL :A6 VL :F4 VL :D7
VR :F6 VR:A7 VR :E7 VR:A7 VR: E1
f :G7 f:F6 f :G2 j:,G5 f : C6
RL :C2 RL :B3 RL :C5 RL: E4 RL :C2
CI : B1 CI :D5 CI: F7 ;CI: B5 CI :B7
FI :B3 FI :84 FI: B4 FI: B3 FI :D3
Figura4.32
115 o 120 o 1k o o
OK 12,7 00 OK o 12,7OK
o 1k o 12,7 1k 120 OK
o 115 OK 115 OK 0,6 11,4
18 12,7OK 1k 00 OK o
1k 17,7 115 o 18 o OK
0,3 o 00 60 o 120 o
1'(
\ J
It."
I'..
'1
I
(\~
I
-or.
t
for
1
I
14
'I
Capítulo 5
OIOOOSPARAAPLICAÇÕESESPECIAIS
+
Os diodos retificadores são os tipos mais comuns de diodos. Eles são usados nas fontes
de alimentação para converter a tensão ca em cc.Mas retificação não é a única função
de um diodo. Discutiremos agora os diodos usados em outras aplicações. O capítulo
começa com o diodo Zener, que é otimizado para funcionar com suas propriedades de
ruptura. Os diodos Zener são muito importantes porque são os principais compo-
nentes na regulagem de tensão. Este capítulo trata também dos diodos optoeletrônicos,
Schottky, varactores e outros.
Após o estudo deste capítulo, você deverá ser capaz de:
~ Mostrar como são usados os diodos e calcular os vários valores relacio-
nados com sua operação.
~ Listar os vários dispositivos optoeletrônicos e descrever como cada um
deles funciona.
~ Citar duas vantagens que os diodos Schottky apresentam sobre os diodos
comuns.
~ Explicar como o varactor funciona.
~ Citar a principal aplicação do varistor.
~ Listar quatro parâmetros de interesse para o técnico encontrados nas
folhas de dados.
149
150 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.5
5.1 o 01000 ZENER
Os diodos de pequeno sinal e retificadores nunca operam intencionalmente na região
de ruptura porque isso danifica-os. Um diodoZener é diferente. Ele é um diodo de silício
que o fabricante otimizou para operar na região de ruptura. Algumas vezes chamado
diodode ruptura,o diodo Zener é o elemento principal dos reguladores de tensão,
circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta
variação na tensão de linha e na resistência de carga.
GráficoI-V
A Figura S.la mostra o símbolo esquemático de um diodo Zener. A Figura S.lb é um
símbolo alternativo. Em qualquer um desses símbolos, a linha lembra a letra z, de
Zener. Variando o nível de dopagem de um diodo de silício, um fabricante pode
produzir diodos Zener com tensões de ruptura de cerca de 2 V até 200V.Esses diodos
podem operar em qualquer uma das três regiões: direta, de fuga e d~ ruptura.
A Figura 5.le mostra o gráfico I-V de um diodo Zener. Na região direta, ele
começa a conduzir próximo de 0,7V,exatamente como um diodo de silício comum. Na
região de fuga (entre Oe a ruptura) a corrente nele é pequena e reversa.Num diodo
Zener, a ruptura apresenta a curva do joelho muito acentuada, seguida de uma linha
quase vertical em corrente. Observe que a tensão é quase constante, aproximadamente
igual a Vz, sobre a maior parte da região de ruptura. As folhas de dados geralmente
especificam o valor de Vz em uma corrente particular de teste e IzT'
I
-Vz
v
t t
~-IzT
~-IZM
(a) (b) (c)
Figura5.1 o diodo Zener. (a) Símbolo; (b) símbolo alternativo; (c) a curva do diodo.
"
,
I
11
1
ti
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 151
AResistênciaZener
Como todos os diodos apresentam uma resistência de corpo nas regiões p e n, a
corrente através de um diodo Zener produz uma pequena queda de tensão, além da
tensão de ruptura. Dizendo isso de outro modo, quando um diodo Zener está operan-
do na região de ruptura da Figura 5.1e, um aumento na corrente produz um ligeiro
aumento de tensão. O aumento é muito pequeno, tipicamente da ordem de alguns
décimos a 1V.Isso pode ser importante quando se está projetando, mas não faz muita
diferença quando se verifica defeitos ou mesmo quando se faz uma análise preliminar.
A não ser quando indicado, nossas discussões ignoram a resistência Zener.
oReguladorZener
Um diodo Zener às vezes também é chamado diodo reguladorde tensão,por que ele
mantém uma tensão na saída constante, embora a corrente nele varie. Para uma
operação normal, você deve polarizar o diodo Zener reversamente, conforme mostra-
do na Figura 5.2a.Além disso, para obter uma operação na ruptura, a tensão da fonte
V5 deve ser maior que a tensão de ruptura Zener Vz.UmresistorRsem sérieé sempre
usado para limitar a corrente de Zener num valor abaixo de sua corrente máxima
nominal. Caso contrário, o diodo Zener queimaria como qualquer outro dispositivo
submetido a uma dissipação de potência muito alta.
A Figura 5.2b mostra um modo alternativo de desenhar o circuito com os
pontos do terra. Se um circuito é aterrado, ele geralmente facilita a obtenção de
medições de tensão nos nós do circuito em relação ao terra. De fato, se você está usando
um voltímetro com um borne de aterramento, seu terminal comum pode ser aterrado.
Nesse caso, é preciso medir as tensões dos pontos em relação ao terra.
Rs
0 +Vs - _Vz
Vs Rs Vz
r1 +
1 -
+
Vz
Rs
PONTE
I
+
RElIFICAOORA
COMFILIRO Vs
CAPACITlVO
- - - -
Figura52
(a)
O regulador Zener.
(b) (c)
Por exemplo, suponha que você deseja saber a tensão no resistor em série da
Figura 5.2b.Aqui está o modo usual de medir essa tensão quando você tem um circuito
montado. Primeiro, meça a tensão do lado esquerdo de Rs para o terra. Segundo, meça
a tensão do lado direito de Rs para o terra. Terceiro, subtraia esses dois valores de
152 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
tensão para obter a tensão em Rs. Esse método indireto se faz necessário porque o
terminal comum de muitos voltímetros é aterrado. (Observação:Se você tem um voltí-
metro comum, a medição de tensão pode ser feita diretamente no resistor em série.)
A Figura 5.2c mostra a saída de uma fonte de alimentação conectada num
resistor em série e num diodo Zener. Esse circuito é usado quando você quer, na saída,
uma tensão média menor que a tensão de alimentação da fonte de alimentação. Um
circuito como esse é chamado reguladorde tensãoa Zener, ou simplesmente regulador
Zener.
AplicandoNovamentea lei de Ohm
Na Figura 5.2, a tensão no resistor em série é igual à diferença entre a tensão da fonte e
a tensão no Zener. Logo, a corrente através do resistor é
Vs - Vz
Is=~
(5.1)
Uma vez obtido o valor da corrente no resistor em série, você obtém também
o valor da corrente no Zener. Por quê? Porque a Figura 5.2 é um circuito em série e você
sabe que a corrente num circuito em série é a mesma em qualquer ponto do circuito.
o DiodoIdeal
Para um procedimento de verificação de defeitos ou numa análise preliminar, po-
demos aproximar a ruptura como uma região vertical. Portanto, a tensão é constante
mesmo que a corrente varie, o que equivale a desprezar a resistência do Zener. AFigura
5.3a mostra a aproximação ideal de um diodo Zener. Ela diz que o diodo Zener
operando na região de ruptura é como uma bateria. Num circuito, isso significa que
você pode substituir mentalmente um diodo Zener por uma fonte de tensão de valor
V2' desde que o diodo Zener opere na região de ruptura.
SegundaAproximação
A Figura 5.3b mostra a segunda aproximação de um diodo Zener. Uma resistência
Zener (relativamente pequena) fica em série com uma bateria ideal. Essa resistência
produz uma queda de tensão igual ao produto da corrente e da resistência.
Figura5.3 A aproximação do Zener. (a) Ideal; (b) segunda aproximação.
ExemploS.1
do
no
no
Em um regúla.
10V,indepe
da fonte pr(
V. (Se ares.
quando
de 10 V.
como
é de 10
a tensão
em
em10
Cap.5 Diodospaa aplicaçõesespeciais 153
1
iR'
TV'
=
-=-- Vz
ó-
(a) (b)
+
(a) (a)
Figura5.4 Exemplo.
Rs
0 +Vs - _Vz
Rs
l:-T
J~
Fonte
I
+
de .Vs
Alimentação -
+
Vz RL
- - -
(a) (b)
Figura5.5 O regulador Zener.
5.2 o REGULADORZENERCOMCARGA
A Figura 5.5amostra um regulador Zener com carga e a Figura 5.5bmostra o mesmo
circuito numa forma prática de diagramação. O diodo Zener opera na região de
ruptura e mantém a tensão na carga constante. Mesmo que haja uma variação na
tensão de entrada ou na resistência da carga, a tensão na carga permanecerá constante
e igual à tensão Zener.
A OperaçãonaRegiãodeRuptura
Como você pode garantir que o diodo Zener da Figura 5.5 está operando na região de
ruptura? O projetista de circuitos geralmente toma cuidado com esse aspecto. Aqui
está uma fórmula que é aplicada:
RL Vs
VTH = Rs + RL
(5.2)
-
154 Eletrônica- 4gEdição- Volume1 Cap.5
820 Q 820 Q
r--ANvm20 TO +40 V Vent Vsaída 20 TO40 V
I
f
'1
I
...
j
Jl
~
Cap.5 Diadas para aplicações especiais 155
Essa é a tensão que existe quando o diodo Zener é desconectado do circuito. Essa
tensão deve ser maior que a tensão Zener, caso contrário não ocorrerá a ruptura.
Aqui está a origem dessa equação. Quando o diodo Zener for desconectado
do circuito, tudo o que resta é um divisar de tensão que consiste de Rs em série com RL.
A corrente nesse divisar de tensão é
Vs
I = Rs + RL
A tensão na carga sem o diodo Zener é igual à corrente anteriormente calcula-
da multiplicada pela resistência da carga. Quando você multiplica a corrente pela
resistência da carga, obtém o lado direito da Equação (5.2), onde VTH representa a
tensão de Thevenin. Essa é a tensão com o diodo fora do circuito.
ACorrenteemSérie
A não ser quando indicado, em todas as discussões futuras assumiremos que o diodo
Zener está operando na região de ruptura. Na Figura 5.5, a corrente no resistor em série
é dada por
I
I
Vs - Vz
Is=~
(5.3)
i
Essa é a lei de Ohm aplicada no resistor de limitação de corrente. Ela é a
mesma, haja ou não um resistor de carga. Em outras palavras, se você desconectar o
resistor de carga, a corrente no resistor em série ainda será igual à tensão no resistor
dividida pela resistência.
A CorrentenaCarga
Idealmente, a tensão na carga é igual à tensão no Zener, porque a resistência de carga
está em paralelo com o diodo Zener. Em forma de equação temos
VL = Vz (5.4)
Isso nos permite usar a lei de Ohm para calcular a corrente na carga:
156 Eletrônica - 4e Edição - Volume 1 Cap.S
VL
h = RL
(5.5)
ACorrentenoZener
Pela lei de Kirchhoff,
15 = 1z + h
o diodo Zener e o resistor de carga estão em paralelo. A soma de suas correntes é igual
à corrente total, que é a mesma corrente no resistor em série.
Podemos rearranjar a equação anterior para obter esta importante fórmula:
1z = 15 + h (5.6)
Ela diz que a corrente no Zener já não é mais igual à corrente no resistor em
série, como no caso do regulador Zener sem carga. Por causa do resistor em série, a
corrente no Zener agora é igual à corrente no resistor em série menos a corrente na
carga.
AOndulaçãonoResistordeCarga
Na Figura 5.5b, a saída de uma fonte de alimentação alimenta um regulador Zener.
Como você já sabe, a fonte de alimentação produz uma tensãomédia com uma
ondulação. Idealmente, o regulador Zener reduz a ondulação a zero, porque a tensão
na carga é constante e igual à tensão Zener. Como exemplo, suponha que a fonte de
alimentação produza uma tensão média de 20V com uma tensão de ondulação de 2 V
de pico a pico. Então, a tensão de alimentação excursiona de um valor mínimo de 19V
a um valor máximo de 21V.Avariação na tensão de alimentação alterará a corrente no
Zener, mas ela quase não produz efeito na tensão de carga.
Se você levar em consideração a pequena resistência Zener, verá que existe
uma pequena ondulação no resistor de carga. Mas essa ondulação é muito menor que
a ondulação original vinda da saída da fonte de alimentação. Na realidade, você pode
estimar o novo valor da tensão de ondulação com esta equação:
Rz
VR(saída) = R5 + Rz VR(ent)
(5.7)
I
i
Capo5 Diodos para aplicações especiais 157
Essa equação fornece um valor aproximadamente preciso da tensão de ondulação de
pico a pico. Ela origina-se da visualização do diodo Zener substituído por sua segunda
aproximação. Em relação à ondulação, o circuito age como um divisor de tensão
formado por Rs em série com Rz.
270 Q
~
18V~Ik!J
270 Q
Fonte
1
+
de 18 V
Alimentação -
+
10 V 1 kQ
- - -
(a) (b)
Figura 5.6 Exemplo.
~
I
I
I
Exemplo5.2
A Figura 5.6 tem os
RL=1 kQ. O diodo
Solução
Qe
(5.2),
como segue:
O
158 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
o Coeficientede Temperatura
Um ponto final: com o aumento da temperatura ambiente(em torno do componente), a
tensão Zener muda ligeiramente. Nas folhas de dados, o efeito da temperatura é
fornecido pelo coeficientede temperatura, que é a variação em porcentagem por grau
Celsius. Um projetista precisa calcular a variação na tensão Zener quando a temperatu-
ra ambiente estiver no seu valor máximo. Mas um técnico em manutenção também
precisa saber que temperatura muda a tensão Zener.
Para os diodos Zener com tensão de ruptura abaixo de 5 V,o coeficiente de
temperatura é negativo. Para os diodos Zener com tensão de ruptura acima de 6 V,o
coeficiente de temperatura é positivo. Entre 5 e 6 V,o coeficiente de temperatura muda
de negativo para positivo. Isso significa que você pode encontrar um ponto de opera-
ção para um diodo Zener no qual o coeficiente de temperatura é nulo. Isso é importante
em algumas aplicações nas quais é necessária uma tensão Zener estabilizada sobre uma
larga faixa de variação na temperatura.
Exemplo5.3
Qual é o valor da corrente Zener na Figura 5.6b?
Solução
Você deu a tensão nos dois lados do resistor. Subtraia as tensões e você verá que 8 V
é a tensão no resistor em série. Portanto, a lei de Ohm fornece
Is = 8V270Q = 29,6mA
Como a tensão na carga é de 10 V, a corrente na carga é
10V = 10mA
IL = 1kQ
A corrente no Zener é a diferença entre as duas correntes:
1z = 29,6mA - 10mA = 19,6mA
Capo5 Diodos para aplicações especiais 159
Exemplo5.4
A folha de dados .d~úm
de 8/5Q. Suponh
série de 270 O.
fonte é de 2 V?
sendo
-resistor em
na
Solução
de pico a
Rs
t
r
Fonte .
1
+
de Vs
Alimentação - RL
- - -
Figura5.7 o regulador Zener com o resistor de carga.
ExemploS.S
O
SoluçãO
160 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.5
750Q 1 kQ
Fonte
I
+
de 35V
Alimentação -
+ +
2OV 10 V 2kQ
- - - -
Figura5.8 Exemplo.
Exemplo5.6
o que faz o circuito da Figura 5.9?
Solução
Na maioria das aplicações, os diodos Zener são usados na regulagem de tensão,
onde eles permanecem na região de ruptura. Mas existem exceções. Algumas vezes,
os diodos Zener podem ser usados em circuitos formadores de onda como na Figura
5.9.
Observe a conexão em anti-série dos dois diodos. No semiciclo positivo, o
diodo superior conduz e o diodo inferior corta. Portanto, a saída é ceifada conforme
mostrado. Os níveis de ceifamento são iguais à tensão Zener (tensão de ruptura do
diodo) mais 0,7 V (tensão do diodo diretamente polarizado).
No semiciclo negativo, a ação é invertida. O diodo inferior conduz e o diodo
superior entra na região de ruptura, Desse modo, atensão na saída tem a aparência
de uma onda quadrada. Quanto maior a amplitude do sinal senoidal de entrada,
maior é a aparência de uma onda quadrada Ila saída.
R
°. []] ~
Vz + 0,7
O-qflfb
-Vz -0,7
Figura5.9 O diodo Zener usado em combinação num circuito limitador.
~
t
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 161
5.3 DISPOSITIVOSOPTOELETRÔNICOS
A optoeletrônicaé a tecnologia que combina a ótica com a eletrônica. Esse campo inclui
vários dispositivos baseados na ação de uma junção pn. Podemos citar como exemplo
de dispositivos opto eletrônicos os diodos emissores de luz (LEDs), fotodiodos, acopla-
dores óticos etc. Nossa discussão começa com o LED.
oDiodo Emissorde Luz
A Figura 5.10amostra uma fonte conectada a um resistor e um LED.As setas que
apontam para fora simbolizam a luz irradiada. Num LED diretamente polarizado, os
elétrons livres cruzam a junção e caem nas lacunas. Como esses elétrons caem de um
nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo, eles irradiam energia.
Nos diodos comuns, essa energia é dissipada em forma de calor. Mas, num LED, a
energia é irradiada em forma de luz. Os LEDs substituem as lâmpadas incandescentes
em várias aplicações por causa de sua baixa tensão, longa vida e por terem um bom
funcionamento em circuitos de chaveamento (liga-desliga).
Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a
passagem da luz. Os LEDs são diferentes. Pelo uso de elementos como o gálio, arsênico
e fósforo, um fabricante pode produzir LEDs que irradiam as luzes vermelha, verde,
amarela, azul, laranja ou infravermelha (luz invisível). Os LEDs que produzem irradia-
ção de luz visível são úteis nos instrumentos, calculadoras ete. O LED infravermelho
encontra aplicações nos sistemas de alarme contra ladrão e outras áreas que necessitam
de irradiação infravermelha.
A Tensão e a Corrente no LED
O resistor da Figura 5.10 é o usual resistor de limitação de corrente, para evitar que a
corrente exceda ao valor máximo nominal do diodo. Como o resistor tem uma tensão
nodal Vs no lado esquerdo e uma tensão nodal VD no lado direito, a tensão no resistor
é a diferença entre essas duas tensões. Com a lei de Ohm, a corrente em série é
Vs - VD
ls=~
(5.8)
Para a maioria dos LEDs disponíveis comercialmente, a queda de tensão
típica é de 1,5a 2,5V para correntes entre 10e 50mA. Aqueda de tensão exata depende
da corrente no LED, da cor, da tolerância etc.
162 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S
A não ser quando indicado o contrário, usaremos uma queda de tensão
nominal de 2 V quando estivermos verificando defeitos ou analisando circuitos com
LED neste livro.
Rs
Rs
D +'lVs -=- VD- - Fonte 1 +de VsAlimentação - +I 'lVD- -
(a) (b)
Figura5.10 Circuitos com LEDs.
o IndicadordeSeteSegmentos
A Figura 5.11amostra um indicador de sete segmentos. Ele contém sete LEDs com formato
retangular (de A a G).Cada LED é chamado segmento porque ele faz parte do caractere
indicado. AFigura 5.11bmostra um diagrama elétrico do indicador de sete segmentos.
São incluídos resistores em série externos para limitar as correntes a níveis seguros.
Aterrando um ou mais dos resistores, podemos formar quaisquer dígitos de Oa 9. Por
exemplo, aterrando A, Be C,obtemos o 7. Aterrando A, B,C,D e G, formamos o dígito 3.
Um indicador de sete segmentos pode mostrar letras maiúsculas também,
como A, C, E e F, além das letras minúsculas b e d. Os equipamentos de treinamento
com microprocessadores usam sempre os indicadores de sete segmentos, que mostram
todos os dígitos de Oa 9, mais as letras A, b,C, d, E e F.
O indicador de sete segmentos da Figura 5.11b é chamado anodo comum,
porque todos os anodos estão conectados juntos. Também está disponível no comércio
o tipo catadocomum, onde todos os catodos são conectados juntos.
o Fotodiodo
Conforme discutido anteriormente, uma das componentes da corrente reversa num
diodo é o fluxo de portadores minoritários. Esses portadores existem porque a energia
térmica mantém os elétronsde valência desalojados de suas órbitas, produzindo assim
elétrons livres e lacunas. A vida média dos portadores minoritários é curta, mas
enquanto eles existirem, podem contribuir para a permanência da corrente reversa.
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 163
'l 'l
+
'l
FA B
'l 'l'l
Gc D
(b)
E
Figura5.11 (a) O indicador de sete segmentos; (b) o diagrama elétrico.
Quando a energia luminosa bombardeia uma junção pn, ela pode deslocar
elétrons de valência. Quanto mais intensa for a luz incidente na junção, maior será a
corrente reversa num diodo. Um fotodiodoé otimizado para ter uma alta sensibilidade
à luz incidente. Nesse diodo, uma janela deixa passar a luz através do encapsulamento
da junção. Aluz penetrante produz elétrons livres e lacunas. Quanto maior a intensida-
de luminosa, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa.
I
r
A Figura 5.12 mostra o símbolo elétrico de um fotodiodo. As duas setas
representam a luz penetrante. Uma o",?servaçãoimportante é que a fonte e o resisto r
polarizam o fotodiodo reversamente. A medida que a intensidade luminosa aumenta,
a corrente reversa aumenta. Para os diodos típicos, a corrente reversa é da ordem de
décimos de microampere.
Figura5.12 O fotodiodo.
oAcopladorÓtico
vn~
Um acoplador ótico (também chamado isoladoróticoou isoladorcomacoplamentoótico)
combina um LEDcom um fotodiodo num encapsulamento único. AFigura 5.13mostra
um acoplador ótico. Ele tem um LED nOlado da entrada e um fotodiodo nO lado da
saída. A fonte de tensão da esquerda e o resistor em série estabelecem uma corrente
através do LED. Portanto, a luz do LED incide sobre o fotodiodo, e isso estabelece uma
A-
F / G /B
E/ /C
D
..\ (a)
164 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.5
corrente reversa no circuito de saída. Essa corrente reversa produz uma tensão no
resistor de saída. A tensão na saída é igual à tensão da fonte de saída menos a tensão no
resistor.
Quando a tensão na entrada varia, a intensidade de luz também varia. Isso
significa que a tensão na saída varia segundo a variação da tensão na entrada. É por
isso que a combinação de um LED com um fotodiodo é chamada acoplador ótico. Esse
dispositivo pode acoplar um sinal de entrada para um circuito de saída.
A principal vantagem de um acoplador ótico é o isolamento elétrico entre os
circuitos de entrada e de saída. Com um acoplador ótico, o único contato entre a
entrada e a saída é o feixe de luz. Por isso, é possível obter um isolamento resistivo
entre os dois circuitos da ordem de megaohms. Um isolamento desse tipo é útil em
aplicações de alta tensão nas quais os potenciais dos dois circuitos podem diferir em
vários milhares de volts.
RI
G+VI - v"nt - ~
Figura5.13 o acoplador ótico.
Exemplo5.7
Na Figura 5.10, a fonte de tensão é de 10 V e a resistência em série é de 680 Q. Qual
é a corrente no LED?
Solução
Use a tensão nominal do LlID~mo se~dode~V.AssÚ'n,a tensãonoresistor em
série é de 10V do lado esquerdo e de 2 Vdo lado direito. Isso significa que a tensão
no resistor é de 8 V.Concluímos o problema com a lei de Ohm:
I=~
680 Q = 11,8mA
~
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 165
5.4 o 01000SCHOTTKV
Em baixas freqüências, um diodo comum pode entrar em corte facilmente quando a
polarização muda de direta para reversa. Mas, com o aumento da freqüência, o diodo
atinge um ponto em que ele já não pode entrar em corte com rapidez suficiente para
evitar uma corrente apreciável durante o período do semiciclo reverso. Esse efeito é
conhecido como armazenamento de carga. Isso limita o uso dos diodos retificadores
comuns em altas freqüências.
O que ocorre é o seguinte: quando um diodo está diretamente polarizado,
alguns portadores na camada de depleção ainda não se recombinaram. Seo diodo tiver
sua polarização invertida repentinamente, esses portadores podem circular no sentido
inverso por um breve instante. Quanto maior a vida média, maior a quantidade de
cargas que contribui para a corrente reversa.
t
~
O tempo que leva para um diodo entrar em corte quando reversamente
polarizado é chamado tempo de recuperação reversa. O tempo de recuperação é tão curto
num diodo de pequeno sinal que você não nota esse efeito em freqüências abaixo de 10
mHz. Só quando a freqüência está bem acima de 10 mHz é que esse efeito se torna
importante.
Asoluçãoé um dispositivode aplicaçãoespecialchamadodiodoSchottky.Esse
tipo de diodo não tem camada de depleção, o que elimina as cargas armazenadas na
junção. A falta de cargas armazenadas significa que o diodo pode entrar em corte mais
rápido que um diodo comum. De fato, um diodo Schottky pode retificar facilmente
freqüências acima de 300mHz.
A aplicação mais importante dos diodos Schottky é nos microcomputadores.
Avelocidade de operação dos computadores depende da rapidez com que os diodos e
transistores podem entrar em condução e em corte. É aí que entra o diodo Schottky.
Como não tem cargas armazenadas, o diodo Schottky tornou-se o elemento principal
da lógica TTL Schottky de baixa potência, uma família de dispositivos digitais larga-
mente usada.
Um ponto final: um diodo Schottky, quando diretamente polarizado, apresen-
ta uma barreira de potencial de apenas 0,25 V. Portanto, você pode notar o uso de
diodos Schottky em pontes retificadoras de baixa tensão, porque você só subtrai 0,25V
de cada diodo, em vez de 0,7V.
--
166 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
5.5 o VARACTOR
o varactor (também chamado capacitância variável com a tensão, varicap, epicap e diodo de
sintonia) é largamente usado nos receptores de televisão, receptores de FM e outros
equipamentos de comunicação. Veja aqui a idéia básica: na Figura 5.14a,a camada de
depleção está entre a região p e a região n. As regiões p e n funcionam como as placas
de um capacitor e a camada de depleção funciona como o dielétrico. Quando um diodo
é reversamente polarizado, a largura da camada de depleção cresce com o aumento da
tensão reversa. Como a camada de depleção fica mais larga com a tensão reversa, a
capacitância diminui. Isso é equivalente ao afastamento das placas de um capacitor. A
idéia básica é que a capacitância é controlada pela tensão.
p n
+++1
+++1+++
--jf--
CAMADA DE DEPLEÇÁO
(a)
.
CT* .
(b)
CT
o ~E o V
(c) (d)
Figura 5.14 o varactor. (a)Estrutura; (b)circuito equivalente; (c) símbolo elétrico; (d) gráfico.
A Figura 5.14b mostra o circuito equivalente para um diodo reversamente
polarizado. Em altas freqüências, o varactor age como se fosse uma capacitância
variável. A Figura 5.14dapresenta como a capacitância varia com a tensão reversa. Esse
gráfico mostra que a capacitância diminui quando a tensão reversa aumenta. A idéia
realmente importante aqui é que a tensão reversa controla a capacitância. Isso abre as
portas para o controle remoto.
-
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 167
A Figura 5.14cmostra o símbolo elétrico de um varactor. Como esse disposi-
tivo é usado? Vocêpode conectar um varactor em paralelo com um indutor para obter
um circuito ressonante. Portanto, você pode mudar a tensão reversa para mudar a
freqüência de ressonância. Esse é o princípio da sintonia de uma estação de rádio, de
um canal de TV etc.
5.6 OS VARISTORES
Descargas atmosféricas, defeitos nas linhas de transmissão etc. podem provocar inter-
ferências nas linhas de alimentação, sobrepondo quedas, picos e outros transientes
sobrea rede normal de 127Vrms. Asquedasde tensão duram cercademicrossegundos
ou menos.Ospicosde tensãosão elevaçõesna tensão decurta duração de 500a atémais
de 2000V.Em alguns equipamentos são usados filtros entre a linha de alimentação e o
primário do transformador para eliminar os problemas causados pelos transientes de
linha.
~
Um dos dispositivos usados para filtrar a linha é o varistor (conhecido
também como supressorde transiente).O dispositivo é feito de material semicondutor e
funciona como dois diodos Zener ligados em anti-série com uma tensão de ruptura alta
nos dois sentidos de polarização. Por exemplo, o V130LA2 é um varistor com uma
tensãode ruptura de 184V (equivalente a uma tensão de 130V rms) e uma corrente de
pico nominal de 400A. Conecte um desses dispositivos em paralelo com o enrolamento
primário e você não terá de se preocupar com os picos de tensão. O varistor grampeará
todos os picos acima do nível de 184V e protegerá seu equipamento.
i 5.7 A INTERPRETAÇÃODAFOLHADEDADOS
DOSDIODOSZENER
O Apêndice mostra a folha de dados para a série 1N746 dos diodos Zener. Essa folha
de dados apresenta também as séries 1N957 e 1N4370. Consulte as folhas de dados
durante as discussões a seguir. Voltamos a esclarecer que a maioria das informações é
dirigida aos projetistas, mas existem alguns parâmetros que os técnicos em manu-
tenção e os verificadores precisam conhecer.
168 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
A PotênciadeDissipaçãoMáximadoDiodoZener
A dissipação de potência num diodo Zener é igual ao produto de sua tensão por sua
corrente:
pz = Vz1z (5.9)
Por exemplo, se Vz = 12V e 1z = 10mA, entãq
Pz = (12V)(10 mA) = 120mW
Enquanto Pz for menor que a potência nominal, o diodo Zener poderá operar
na região de ruptura sem ser destruído. Os diodos Zener podem ser encontrados
comercialmente com potências na faixa de ia mais que 50W.
Por exemplo, a folha de dados da série lN746 diz que a potência nominal
máxima é de 400 mW. Um projeto seguro inclui um fator de segurança para manter a
dissipação de potência bem abaixo de seu valor máximo, 400 mW. Conforme mencio-
nado anteriormente, um fator de segurança igual a 2 ou mais é usado pelos projetistas
mais precavidos.
ACorrenteMáximanoDiodoZener
As folhas de dados geralmente incluem a correntemáximaà qual um diodo Zener pode
ser submetido sem exceder sua potência máxima. Sua corrente máxima está relacio-
nada com a potência nominal, corno segue:
PZM
1ZM = Vz
(5.10)
onde 1ZM= corrente máxima nominal do Zener
PZM = potência nominal
vZ = tensão Zener
Por exemplo, o diodo lN759 tem urna tensão Zener de 12V.Portanto, ele tem
urna corrente máxima de
400 mW = 33,3mA1ZM= 12V
J
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 169
A folha de dados fornece duas correntes: 30 e 35 mA. Observe que esses
valores incluem nossa resposta teórica de 33,3 mA. A folha de dados fornece dois
valores por causa da tolerância na tensão Zener.
Ao satisfazer a corrente nominal, você automaticamente satisfaz a potência
nominal. Por exemplo, se você mantiver a corrente Zener máxima abaixo de 33,3mA,
também manterá a potência máxima de dissipação abaixo de 400 mW. Se você usar o
fator de segurança 2, não precisa se preocupar com um projeto de ventilação para o
diodo.
ATolerâncianaTensãoZener
A observação 1 na folha de dados mostra as seguintes tolerâncias:
A série lN746:
:!:lO%;se existir o sufixo A: :!:5por cento
:!:lO%;se existir o sufixo A: :!:5por cento
A série lN4370:
A série lN957: :!:20%;se existir o sufixo A: :!:lO%;
se existir o sufixo B: :!:5%.
~
~.
Por exemplo, um lN758 tem uma tensão Zener de 10V com uma tolerância
de :!:!O%,enquanto o lN758A tem a mesma tensão Zener com uma tolerância de :1:5%.
O lN967 tem uma tensão Zener de 18V com uma tolerância de :1:20%.O lN967 A tem a
mesma tensão Zener com uma tolerância de :1:10%e o lN967B tem a mesma tensão
Zener com uma tolerância de :1:5%.
AResistênciaZener
Aresistência Zener (também conhecida como impedânciaZener)pode ser designada por
RZT ou ZZT. Por exemplo, o lN961 tem uma resistência Zener de 8,5 Q medida com
uma corrente de teste de 12,5mA. Enquanto a corrente Zener for maior que a corrente
de joelho na curva Zener, você pode usar 8,5 Q como um valor aproximado da
resistência Zener. Mas observe que a resistência Zener aumenta no joelho da curva (700
Q). A idéia principal é a seguinte: a operação deve ficar na corrente de teste, ou próxima
desse valor, se possível o tempo todo. Com isso, você sabe que a resistência Zener é
relativamente baixa.
A folha de dados contém muitas informações adicionais, mas é dirigi da mais
ao projetista. Se você está envolvido num projeto, você deve ler as informações conti-
das nas folhas de dados atenciosamente, incluindo as notas que especificam os valores
medidos.
170 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S
oFator de Degradação
o fator dedegradaçãomostrado na folha de dados informa em quanto será reduzida a
potência de dissipação de um dispositivo. Por exemplo, a série lN746 tem uma po-
tência nominal de 400 mW para uma temperatura de 50°c. O fator de degradação é
dado como sendo 3,2 mW para cada grau Celsius acima de 50°.Mesmo que você não
esteja numa atividade de projeto, deve estar ciente do efeito da temperatura. Sejá sabe
que a temperatura de operação está acima de 50"C,o projetista deve reduzir a potência
nominal do diodo Zener.
5.8 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS
AFigura 5.15mostra um regulador Zener. Quando o circuito está funcionando normal-
mente, a tensão entre o ponto A e o terra é de +18V,a tensão entre o ponto B e o terra é
de +10V e a tensão entre o ponto C e o terra é de +10V.
+18V
A
B
270 QRs
c
01
10V
RL
1 kQ
- -
Figura5.15 o regulador Zener.
Vamos discutir agora os tipos de defeitos que podem ocorrer com esse circui-
to. Quando um circuito não funciona corretamente, um técnico em manutenção geral-
mente começa medindo as tensões nos vários pontos do circuito. Os valores medidos
fornecem os indícios que ajudam a isolar o defeito. Por exemplo, suponha que ele ou
ela meça os seguintes valores de tensão:
VA = + 18 V VB = + 10 V Vc = O
Aqui está o que passa pela mente de um técnico em manutenção após ter
encontrado esses valores medidos:
\
IlJ5
...,
Cap.S Diodos para aplicações especiais 171
Será que o resistor de carga abriu? Não, nesse caso a tensão na carga seria de
+10 V. Será que o resistor de carga está em curto? Não, nesse caso a tensão nos
pontos B e C seriam ambos levados para o potencial do terra e a medida seria de O
V. Muito bem, será que o condutor entre os pontos B e C está aberto? Sim, isso
explica os valores medidos.
Esse tipo de defeito produz um único sintoma. O único modo de obter esse
conjunto de medidas de tensão é no momento em que a conexão entre os pontos B e C
está aberta.
Observe que todos os defeitos produzem um único sintoma. Algumas vezes,
dois ou mais defeitos produzem os mesmos conjuntos de medidas de tensão. Aqui está
um exemplo. Suponha que o técnico em manutenção obtenha as seguintes medidas de
tensão:
VA=+18V VB = O Vc = O
Que defeito você acha que ocorreu? Pense sobre isso por alguns minutos.
Quando tiver uma resposta, continue sua leitura. Vocêdeve ter pensado o seguinte:
Existe uma tensão em A, mas não há tensão em B nem em C. Será que o resistor em
série abriu? Se isso ocorresse, não haveria tensão em B nem em C, mas ainda haveria
+ 18 Ventre o ponto A e o terra. Sim, o resistor em série provavelmente está aberto.
Nesse momento, o técnico desconecta o resistor em série e mede sua resis-
tência com um ohmímetro. Existe a possibilidade de ele estar aberto. Mas suponha que
sua medida esteja correta. Então, o técnico continua a pensar do seguinte modo:
Está estranho. Bem, haverá outro modo de obter +18 V no ponto A e OVem B e C?
Será que o diodo Zener está em curto? Ou será que o resistor está em curto? Ou
haverá um pingo de solda entre B ou C e o terra? Qualquer um desses defeitos pode
produzir os mesmos sintomas.
Agora, o técnico em manutenção tem mais possibilidades de defeitos para
verificar. Eventualmente, ele ou ela encontrará o defeito.
Quando os componentes queimam, eles geralmente abrem, mas nem sempre
isso acontece. Alguns dispositivos semicondutores podem entrar em curto-circuito
internamente, nesse caso eles apresentam uma resistência zero. Podemos citar outros
modos de obter curto~circuitos, como o pingo de solda entre duas trilhas (ou filetes)
nos condutores das placas de circuitos impressos, uma ilha com excesso de solda (bola
de solda) pode estar legando dois filetes etc. Por isso, você deve incluir mais perguntas
a respeito de componentes em curto, assim como de componentes abertos.
172 Eletrônica - 4g Edição- Volume 1 Cap.S
Exemplo.5.8
Solução
as
I
r'
,,-0.
i
Capo5 Diadasparaaplicaçõesespeciais 173
TÓPICOSOPCIONAIS
5.9 ASRETASDECARGA
A corrente no diodo Zener da Figura 5.100é dada por
Vs - Vz
1z=%
(5.11)
I
ORS +Vs - _vs
v
(a)
(b)
Figura 5.16 o circuito com diodo Zener.
Suponha que Vs =20 V e Rs =1 kQ. Logo, a equação anterior se reduz a
20 - Vz
1z = 1000
Como antes, obtemos o ponto de saturação (intercepto vertical) fazendo Vz
igual a zero e resolvendo em função de 1z para obter 20 mA. De modo idêntico, para
obter o ponto de corte (intercepto horizontal), fazemos 1zigual a zero e resolvemos em
função de Vz para obter 20 V.
Alternativamente, você pode obter os dois extremos da reta de carga, como
segue. Visualize a Figura 5.16a com Vs =20 V e Rs = 1 kQ. Com odiado Zener em curto a
corrente máxima é de 20 mA. Com o diodo aberto, a tensão máxima no diodo é de 20 V.
Suponha que o diodo Zener tenha uma tensão de ruptura de 12V.Então, seu
gráfico tem a aparência mostrada na Figura 5.16b.Quando plotamos a reta de carga
para Vs = 20 V e Rs = 1 kQ, obtemos a reta de carga superior com os pontos de
interseção de Ql. A tensão no diodo Zener será ligeiramente maior que a tensão de
joelho por causa da leve inclinação na curva do diodo.
Para entender como funciona a regulagem de tensão, suponha que a tensão
da fonte varie para 30V.Então, a corrente no Zener varia para
30 - Vz
lz = 1000
Isso implica que os extremos da reta de carga são 30 mA e 30 V, conforme
mostrado na Figura 5.16b.O novo ponto de interseção é Qz.Compare Qzcom Ql e veja
que passa uma corrente maior pelo diodo Zener, mas a tensão é ainda próxima da
tensão Zener. Portanto, mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30 V, a tensão
Zener é ainda aproximadamente igual a 12 V. Essa é a idéia básica da regulagem de
tensão: a tensão de saída permanece constante mesmo com uma variação considerável
da tensão de entrada.
174 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.S
Tabela5.1 Efeitos e Sintomas no Regulador Zener.
Defeito VA,V Va,V Vc,V Comentários
Nenhum 18 10 10 Não há defeito
Rsc 18 18 18 DI e RL podem queimar
RSA 18 O O
DIC 18 O O Rs pode queimar
DIA 18 14,2 14,2
RLC 18 O O Rs pode queimar
RLA 18 10 10
BCA 18 10 O
Sem alimentação O O O Verifique a fonte de alimentação
I
r
~
1
f..-";J-
~
Capo5 Diadas para aplicações especiais 175
5.10 ASEGUNDAAPROXIMAÇÃO
A Figura 5.17 mostra a segunda aproximação de um diodo Zener. Uma resistência
Zener (relativamente pequena) está em série com uma bateria ideal. Essa resistência
produz uma queda de tensão igual ao produto da corrente pela resistência. Por exem-
plo, a tensão em QI (Figura 5.16b)é
VI = IIRz + Vz
e a tensão em Q2 é
V2 = 12Rz + Vz
A variação na tensão é
V2 - VI = (12 - II)Rz
Isso é geralmente escrito como
L1Vz = AIzRz (5.12)
onde L1VZ = variação na tensão Zener
AIz = variação na corrente Zener
Rz = resistência Zener
+
},
ó- Vz
Figura5.17 A segunda aproximação.
Isso nos diz que a variação na tensão Zener é igual à variação na corrente
Zener multiplicada pela resistência Zener. Geralmente, Rz é pequena, logo a variação
na tensão épequena.
176 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.5
de
Soluçã~
5.11 AONDULAÇÃO
Um regulador Zener como o da Figura 5.18areduz a ondulação. De quanto é a redução
na ondulação? Visualize o diodo Zener substituído pela segunda aproximação, confor-
me mostrado na Figura 5.18b.No início da descarga do capacitor, a corrente no resistor
em série é de aproximadamente
Rs
RETIFICADOR
COM FILTRO
CAPACITIVO
RL
.RETIFICADOR I+
COMFILTRO IVs
CAPACITIVO
RL
Rs
Figura5.18
(a)
O efeito da ondulação.
(b)
VS(máx) - Vz
15(máx)= R5
No final da descarga,
V5(mín) - Vz
15(mín) = R5
-..........
I
.,\,
i'i
I
I
\
I
I
I
,,.r
I.~,,'
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 177
Subtraindo dessa equação, obtemos
VS(máx) - VS(mín)
IS(máx) - IS(mín) = Rs
que geralmente é escrito como
ilVS
MS = Rs
Rearranjando os termos, temos
ilVs = MsRS
Isso diz que a ondulação de entrada de pico a pico é igual à variação na corrente do
resisto r em série multiplicada pela resistência em série.
Antes, havíamos derivado a variação na tensão:
ilVZ = MzRz
Se essa for a variação máxima na Figura 5.18b,a ondulação de pico a pico no
diodo Zener é igual à variação na corrente Zener multiplicada pela resistência Zener.
Tomando a razão da ondulação na saída pela ondulação na entrada, obtemos
ilVZ MzRz
ilVs = MsRs
Para uma resistência de carga constante, a variação na corrente Zener é igual
à variação da corrente na fonte, logo a razão anterior se reduz para
ilVZ Rz
ilVs = Rs
(5.13)
onde ilVz = ondulação na saída
ilV5 = ondulação na entrada
Rz = resistência Zener
Rs = resistência em série
178 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 CapoS
Essa equação é útil porque ela nos diz de imediato como a ondulação de saída
e a ondulação de entrada se relacionam. A equação mostra que a razão da ondulação
de saída pela ondulação de entrada é igual à razão da resistência Zener pela resistência
em série. Por exemplo, se a resistência Zener for de 7 Q e a resistência em série for de
700 Q, a ondulação de saída será de 1/100 da ondulação de entrada.
5.12 o PONTODESAíDADOREGULADORZENER
Para um regulador Zener manter a tensão de saída constante, o diodo Zener deve
permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação. Isso equivale a
dizer que deve haver uma corrente Zener para todos os valores de tensão da fonte de
alimentação e para todas as correntes de carga. O pior caso ocorre quando a tensão da
fonte de alimentação é mínima e a corrente na carga é máxima, porque a corrente Zener
cai para seu valor mínimo. Nesse caso,
VS(mín)- Vz
IS(mín)= RS(máx)
que pode ser rearranjada como
VS(mín) - Vz
RS(máx) = 15(mín)
(5.14)
Conforme foi mostrado anteriormente,
1z = 15 - h
No pior caso, isso é escrito como
1Z(mín) = 15(mín) - h (máx)
O ponto crítico ocorre quando a corrente de carga é igual à corrente mínima
no resistor em série:
h (máx) = 15(mín)
Nesse ponto, a corrente Zener cai a zero e a regulagem deixa de existir.
-'"""
d'l~
I
i
'r
Cap.5 Diadas para aplicações especiais 179
Pela substituição de h(máx) por h(mín) na Equação (5.14), obtemos a seguinte
relação útil:
RS(máx)
VS(mín) - Vz
h (máx)
(5.15)
onde RS(máx) = valor crítico da resistência em série
VS(mín) = tensão mínima da fonte de alimentação
Vz = tensão Zener
h(máx) = corrente máxima na carga
A resistênciacríticaRS(máx)é o valor máximo permitido para a resistência em
série. A resistência em série Rs deve ser sempre menor que o valor crítico, caso
contrário, a operação na região de ruptura será perdida e a ação de regulagem não mais
existirá.
de
5.13 AREGRAPARA OPROJETODOLED
A intensidade da luz num LEDdepende da corrente. Idealmente, o melhor modo de
controlar a intensidade da luz é por meio de uma fonte de corrente. O modo mais fácil
de obter uma fonte de corrente é por meio de uma alta tensão e de uma resistência de
alto valor em série. Nesse caso, a corrente no LED é dada por
180 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
Vs - VLED
I = RS
Quanto maior a tensão da fonte, menor será o efeito de VLED' Em outras palavras, o
valor alto de Vs cobre as variações na tensão do LED.
Por exemplo, um TIL222 é um LED verde com uma queda de tensão mínima
de 1,8V e uma queda máxima de 3 V para uma corrente de 25 mA aproximadamente.
Se você alimentar um TIL222com uma fonte de 20V e um resistor de 750Q, a corrente
variará de 22,7 a 24,3mA. Isso implica uma intensidade que é praticamente a mesma
para todos os componentes TIL222.Mas suponha que o seu projeto use uma fonte de 5
Veum resistor de 120Q.Então,a correntevaria de cercade 16,7a 26,7mA, resultando
numa variação notável da intensidade. Logo, para obter uma intensidade quase cons-
tante do LED, use uma fonte de alimentação com um valor maior possível.
5.14 o TEMPODERECUPERAÇÃOREVERSA
A Figura 5.19amostra um diodo diretamente polarizado e a Figura 5.19b ilustra as
bandas de energia. Conforme você pode ver,os elétrons da banda de condução difun-
diram-se através da junção e passaram para a região p antes de se recombinarem
(caminho A). Similarmente, as lacunas cruzaram a junção e passaram para a região n
antes que ocorressea recombinação(caminhoB).Sea vida média for igual a 1 !lS,os
elétrons livres e as lacunas existirão por um período médio de 1 !lS antes que a
recombinação aconteça. Devido à vida média dos portadores minoritários, as cargas
num diodo diretamente polarizado ficam temporariamente armazenadas em dife-
rentes bandas de energia próximo da junção. Quanto maior for a corrente, maior será o
número de cargas armazenadas. Esse efeito é chamado de carga armazenada.
ENERGIA
~
-1
~
p
f
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~....
)
.;.. .
QQCt~OCtoo 0"'-
00000000000000
(a) (b)
Figura5.19 Carga armazenada.
"'-
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I
,.~,
er
Cap.S Diodospara aplicações especiais 181
A carga armazenada é importante quando você tenta chavear um diodo da
condução para o corte. Por quê? Porque se você repentinamente polarizar um diodo
reversamente, as cargas armazenadas podem circular no sentido reverso por alguns
instantes. Quanto maior a vida média, maior a contribuição dessas cargas para a
existência da corrente reversa. Por exemplo, suponha que o diodo mostrado na Figura
5.20a seja reversamente polarizado repentinamente. Então, urna corrente reversa alta
pode existir por alguns momentos por causa das cargas armazenadas mostradas na
Figura 5.20b. Enquanto as cargas armazenadas (elétrons livres e lacunas) cruzam a
junção ou se recombinam, pode existir urna corrente reversa.
O tempo necessário para cortar um diodo diretamente polarizado é chamado
tempode recuperaçãoreversatrr As condições para a medição de trrvariam de um
fabricante para outro. Corno regra, o trr é o tempo necessário para que a corrente
reversa caia para 10%da corrente direta. Por exemplo, o lN4148 tem um trrde 4 ns. Se
esse diodo tiver urna corrente direta de 10 mA e repentinamente for reversamente
polarizado, serão necessários aproximadamente 4 ns para que a corrente reversa dimi-
nua para 1mA. O tempo de recuperação reversa é tão pequeno num diodo de sinal que
você nem nota seu efeito em freqüências iguais ou abaixo de 10 rnHz. Você só deve
levar o trr em consideraçãoquando trabalhar comfreqüênciassuperiores a 10rnHz.
ENERGIA FLUXODE
ÉLETRONS--
L
+1
~ .......................
}
FLUXO DE--LACUNAS
(a) (b)
Figura5.20 As cargas armazenadas podem circular no sentido reverso.
Que efeito tem o tempo de recuperação reversa numa retificação? Dê urna
olhada no retificador de meia onda da Figura 5.21a.Em baixas freqüências, a saída se
apresenta normal porque ele é o retificador clássico de meia onda mostrado na Figura
5.21b. Porém, quando a freqüência aumenta na faixa de megahertz, o sinal de saída
começa a se desviar de sua forma normal, conforme mostrado na Figura 5.21c.Corno
você pode observar, existe urna corrente próxima do início do semiciclo negativo. O
tempo de recuperação reversa está agora tornando urna parte significativa do período.
Por exemplo, se trr= 4 ns e o período for de 50 ns, a parte inicial do semiciclo negativo
terá urna ondulação similar à mostrada na Figura 5.21c.
182 Eletrônica - 4"Edição - Volume 1 Cap.5
fi ~t
V
~t
(a) (b) (c)
Figura 5.21 (a) O retificador de meia onda; (b) a saída normal: (c) a saída distorcida por
causa da carga armazenada.
5.15 o 01000 SCHOTTKV
Um diodo Schottky usa um metal como ouro, prata ou platina em um dos lados da
junção e um cristal de silício dopado (especialmente do tipo n) do outro lado. Quando
um diodo Schottky não está polarizado, os elétrons livres do lado n estão em órbitas
menores do que os elétrons livres do lado do metal. Essa diferença nos tamanhos das
órbitas é chamada barreiraSchottky. Quando o diodo está diretamente polarizado, os
elétrons livres do lado n podem ganhar energia suficiente para passar para uma órbita
maior. Por isso, os elétrons livres podem cruzar a junção e entrar no metal, produzindo
uma corrente alta direta. Como o metal não possui lacunas, não há carga armazenada
nem tempo de recuperação reversa. A ausência de carga armazenada significa que o
tempo de recuperação reversa se aproxima de zero. Por isso, um diodo Schottky pode
chavear da condução para o corte mais rápido do que um diodo comum. Quando
usado num circuito como o da Figura 5.21a,o diodo Schottky produz um sinal de meia
onda perfeito como o da Figura 5.21bmesmo com freqüências acima de 300mHz.
5.16 CARACTERíSTICASDOVARACTOR
Os varactores são diodos de silício otimizados para que suas capacitâncias sejam
variáveis (Figura 5.22a).Como a capacitância é controlada pela tensão, os varactores
substituem os capacitores de sintonia mecânica na maioria das aplicações, tais como os
receptores de televisão e rádios de automóveis. As folhas de dados dos varactores
fornecem um valor de referência de capacitância medida numa tensão reversa especí-
fica, tipicamente de -4 V. Por exemplo, a folha de dados do 1N5142 fornece uma
capacitância de referência de 15pF a -4V.
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 183
Além do valor de referência de capacitância, as folhas de dados fornecem
uma faixa de sintonia e uma faixa de tensão. Por exemplo, junto com o valor de
referência de 15 pF, a folha de dados do 1N5142 mostra uma faixa de sintonia de 3:1
para uma faixa de tensão de -4 a -60 V. Isso significa que a capacitância diminui de 15
para 5 pF quando a tensão varia de -4 a -60 V.
A faixa de sintoma de um varactor depende do nível de dopagem. Por
exemplo, a Figura 5.22b mostra o perfil da dopagem para um diodo com junção
abrupta (o tipo comum de diodo). Observe que a dopagem é uniforme em ambos os
lados da junção. Isso significa que o número de lacunas e elétrons livres é igualmente
distribuído. A faixa de sintoma de um diodo de junção abrupta está entre 3:1 e 4:1.
1
NÍVEL DE
DOPAGEM
T ~ DISTÂNC]ADA JUNÇAO
(a) (b)
Figura5.22
NÍVEL DE
DOPAGEM
nAp
~ DISTÂNqA
DA JUNÇAO
(c)
(a) Símbolo; (b) perfil da dopagem abrupta; (c) perfil da dopagem hiperabrupta.
Para obter faixas de sintonia maiores, alguns varactores têm uma junção
hiperabrupta, cujo perfil de dopagem é mostrado na Figura 5.22c.Esse perfil revela que
a densidade de cargas aumenta à medida que nos aproximamos da junção. A concen-
tração mais forte leva a uma camada de depleção mais estreita e a uma capacitância
maior. Além disso, variando a tensão reversa, obtemos efeitos mais pronunciados na
capacitância. Um varactor hiperabrupto tem uma faixa de sintoma de 10:1, suficiente
para sintonizar uma rádio em AM por toda sua faixa de freqüência (535até 1.605kHz).
5.17 OUTROSOIOOOS
Além dos diodos de aplicações especiais discutidos anteriormente, existem alguns
outros que você deve conhecer. Como eles servem a aplicações específicas, daremos
apenas algumas descrições breves. A intenção é fazer com que você tome ciência de
suas existências, para o caso de querer investigá-Ios com mais detalhes.
184 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5
OsDiodosdeCorrenteConstante
Existem diodos que funcionam de modo exatamente oposto aos diodos Zener. Em vez
de manter a tensão constante, esses diodos mantêm a corrente constante. Conhecidos
como diodos de corrente constante (e também como diodos reguladores de corrente), esses
dispositivos mantêm a corrente através deles fixa quando a tensão varia. Por exemplo,
o 1N5305 é um diodo de corrente constante com uma corrente típica de 2 mA sobre
uma faixa de tensão de 2 até 100V.
Os DiodosdeRecuperaçãoemDegrau
o diodo de recuperação em degrau tem um perfil de dopagem incomum, porque a
densidade de portadores diminui próximo da junção. Essa distribuição não usual de
portadores provoca um fenômeno chamado interrupçãoreversa.Durante o semiciclo
positivo, o diodo conduz como qualquer diodo de silício. Mas durante o semiciclo
negativo, existe uma corrente reversa por alguns instantes, por causa das cargas
armazenadas, e depois cai a zero repentinamente. A interrupção da corrente num
diodo de recuperação em degrau é rica emharmônicos e pode ser filtrada para
produzir uma senóide com uma freqüência mais alta. Por isso, os diodos de recupera-
ção em degrau são usados nos multiplicadores de freqüência, circuitos cuja freqüência
de saída é um múltiplo da freqüência de entrada.
OsDiodosdeRetaguarda(BackDiodes)
Os diodos Zener têm normalmente tensões de ruptura acima de 2 V. Por meio do
aumento do nível de dopagem, podemos obter efeitos Zener para ocorrer próximo de
zero. Acondução direta ainda ocorre em torno de +0,7V,mas agora a condução reversa
(ruptura) começaem -0,1V aproximadamente.Um diodo como esse é chamadodiodo
de retaguarda,porque ele conduz melhor reversa do que diretamente polarizado. Os
diodos de retaguarda são ocasionalmente usados para retificar sinais fracos, cujos picos
de amplitudes estão entre 0,1 e 0,7V.
C
a
p
o
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186 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1
---
Cap.S
- ---
- -- - - -- - ~QIQ AO$.~SBlDO$.
RESUMO
Seção 5.1 ODiodoZener
o diodo Zener é aquele utilizado para
operar na região de ruptura. Sua princi-
pal aplicação é como regulador de ten-
são - circuitos que mantêm a tensão na
carga constante. Idealmente, um diodo
Zener funciona como uma bateria per-
feita. Para uma segunda aproximação,
ele possui uma resistência de corpo que
produz uma pequena tensão adicional.
Seção 5.2 OReguladorZenercomCarga
Quando um diodo Zener está em parale-
lo com um resistor de carga, a corrente
através do resistor de limitação de cor-
rente é igual à soma da corrente Zener e
da corrente na carga. O processo para
analisar o regulador Zener consiste de
calcular a corrente no resistor em série, a
corrente na carga e a corrente no Zener
(nessa ordem).
Seção 5.3 DispositivosOptoeletrônicos
O LED é largamente usado como indi-
cador nos instrumentos, calculadoras e
outros equipamentos eletrônicos. Pela
combinação de sete LEDs num encapsu-
lamento único, obtemos um indicador
de sete segmentos. Um outro dispositivo
optoeletrônico muito importante é o
acoplador ótico, que permite acoplar um
sinal entre dois circuitos alternativos.
-,- -----
Seção 5.4 ODiodoSchottky
O tempo de recuperação reversa é o
tempo necessário para que um diodo em
condução seja repentinamente chaveado
para o corte. Esse tempo pode ser de
apenas alguns nanossegundos, mas isso
coloca um limite quanto à alta freqüência
num circuito retificador. O diodo Schottky
é um diodo especial com um tempo de
recuperação reversa quase zero. Por isso,o
diodo Schottky é muito útil em altas fre-
qüências, onde são necessários tempos de
chaveamento muito curtos.
Seção5.5 OVaractor
A largura da camada de depleção au-
menta com a tensão reversa. É por isso
que a capacitância de um varador pode
ser controlada pela tensão reversa. Esse
é o fundamento da sintonia por controle
remoto de aparelhos de rádio e televisão.
Seção 5.6 OsVasistores
Estes dispositivos de proteção são usa-
dos em paralelo com o enrolamento pri-
mário de um transformador para supri-
mir os picos de tensão que podem danifi-
car ou poluir a tensão de entrada dos
equipamentos.
Seção 5.7 A InterpretaçãodaFolhade
DadosdosDiodosZener
Os parâmetros mais importantes de uma
folha de dados dos diodos Zener são a
tensão Zener, a potência nominal máxima,
1
+
.
j
Af
'<'
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 187
a corrente nominal máxima e a tolerân-
cia. Os projetistas necessitam também da
resistência Zener, do fator de degrada-
ção e de algumas outras informações.
Seção 5.8 Verificação de Defeitos
A verificação de defeitos é uma arte e
uma ciência. Por isso, você pode apren-
der apenas alguns pontos em um livro.
O resto deve ser aprendido com a expe-
riência direta nos circuitos com defeitos.
Como a verificação de defeitos é uma
arte, você deve ter sempre em mente a
pergunta 1/e se?" e procurar seu próprio
meio de solucionar um problema.
EQUAÇÕESIMPORTANTES
Equação5.1 A Correnteatravésdo
ResistoremSérie
Vs - Vz
1s=~
Esta equação você deve memorizar. Ela
diz que a corrente através do resistor em
série é igual à tensão no resistor em série
dividida pela resistência. Isso é um outro
exemplo da lei de Ohm, onde a tensão é
a diferença de potencial nos extremos de
um resistor.
Equação5.2 A TensãodeThevenin
RL Vs
VTH = Rs + RL
Esta é a tensão no resistor de carga
quando o diodo Zener é desconectado.
Uma forma de você lembrar disso é: Vs
dividida por Rs +RLé a corrente na carga.
Multiplique essa corrente na carga por RL
e você terá o valor de VTH.O valor de VTH
deve ser maior do que a tensão Zener para
que exista a regulagem.
Equação5.6 A CorrentenoZener
1z = 1s - II
Esta é uma fórmula disfarçada da lei das
correntes de Kirchhoff. Ela diz que a cor-
rente no Zener é igual à diferença entre a
corrente no resistor em série e a corrente
na carga. Para usá-Ia, você já deve ter cal-
culado os dois passos anteriores do pro-
cesso: (1)o cálculo de 15,(2)o cálculo de h.
Equação5.8 A Correnteno LED
Vs - Vo
1s=~
Esta equação fornece a corrente através
de um resistor em série com um LED.
Ela diz que a corrente é igual à tensão no
resistor em série dividida pela resis-
tência. Use o valor 2 V para VD,a não ser
que você tenha um valor mais preciso
para a tensão no LED.
Equação5.9 APotênciaZener
Pz = Vz1z
A potência no Zener é igual à tensão no
Zener multiplicada pela corrente no Ze-
ner. Essa potência deve ser menor do
que a potência nominal máxima forne-
cida na folha de dados. Caso contrário,
você pode queimar ou degradar seria-
mente as características do diodo Zener.
188 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.S
ATIVIDADESIIARA ti ES1'DDANtE
QUESTÕES
1. Qual é a verdade sobre a tensão de ruptu-
ra no diodo Zener?
a) Ela aumenta quando a corrente
aumenta
b) Ela destrói o diodo
c) Ela é igual à corrente multiplicada
pela resistência
d) Ela é aproximadamente constante
2. Qual das seguintes afirmações descreve
melhor um diodo Zener?
a) É um diodo
b) É um dispositivo de tensão constante
c) É um dispositivo de corrente
constante
d) Ele trabalha na região direta
3. Um diodo Zener
a) É uma bateria
b) Age como uma bateria na região
de ruptura
c) Tem uma barreira de potencial de 1 V
d) É diretamente polarizado
4. A tensão na resistência Zener é geralmente
a) Pequena
b) Grande
c) Medida em volts
d) Subtraída da tensão de ruptura
5. Se a resistência em série diminui num
regulador Zener sem carga, a corrente
a) Diminui
b) Mantém-se a mesma
c) Aumenta
d) É igual à tensão dividida pela
resistência
6. Na segunda aproximação, a tensão total
no diodo Zener é a soma da tensão de
ruptura e da tensão no (a)
a) Fonte c) Resistência Zener
b) Resistor em série d) Diodo Zener
7. A tensão na carga é aproximadamente
constante quando um diodo Zener está
a) Diretamente polarizado
b) Reversamente polarizado
c) Operando na região de ruptura
d) Não-polarizado
8. Num regulador Zener com carga, qual
corrente é a maior?
a) A corrente no resistor em série
b) A corrente no Zener
c) A corrente na carga
d) Nenhuma dessas
9. Se a resistência de carga diminui num
regulador Zener, a corrente Zener
a) Diminui
b) Permanece a mesma
c) Aumenta
d) É igual à tensão na fonte dividida
pela resistência em série
10. Se a resistência de carga diminui num
regulador Zener, a corrente em série
a) Diminui
b) Permanecea mesma
c) Aumenta
d) É igual à tensão na fonte dividida
pela resistência em série
11. Quando a tensão da fonte aumenta num
regulador Zener, qual das correntes per-
manece aproximadamente constante?
a) A corrente no resistor em série
b) A corrente no Zener
c) A corrente na carga
d) A corrente total
12. Se o diodo Zener num regulador Zener
foi conectado com a polaridade trocada,
a tensão na carga ficará próxima de
a) 0,7 V c) 14 V
b) 10 V d) 18 V
\
T
",,
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 189
13. Em altas freqüências, um diodo comum
não funciona corretamente por causa da
a) Polarização direta
b) Polarização reversa
c) Ruptura
d) Carga armazenada
14. A capacitância de um diodo varactor au-
menta quando a tensão reversa nele
a) Diminui
b) Aumenta
c) Atinge a ruptura
d) Armazena carga
15. A ruptura não destrói um diodo Zener,
desde que a corrente Zener seja menor
que a
a) Tensão de ruptura
b) Corrente de teste do Zener
c) Corrente nominal máxima do Zener
d) Barreira de potencial
16. Para mostrar o dígito 8 em um indicador
de sete segmentos
a) O segmento C deve estar ligado
b) O segmento G deve estar desligado
c) O segmento F deve estar ligado
d) Todos os segmentos devem
estar ligados
17. Um fotodiodo é normalmente
a) Diretamente polarizado
b) Reversamente polarizado
c) Nem direta nem reversamente
polarizado
d) Um emissor de luz
18. Quando a intensidade de luz num foto-
diodo aumenta, a corrente reversa de
portadores minoritários
a) Diminui
b) Aumenta
c) Não é afetada
d) Inverte de sentido
19. O dispositivo associado à capacitância
controlada pela tensão é um
a) LED c) Diodo varactor
b) Fotodiodo d) Diodo Zener
20. Se a camada de depleção aumentar, a ca-
pacitância
a) Diminui
b) Permanece a mesma
c) Aumenta
d) É variável
21. Quando a tensão reversa aumenta, a ca-
pacitância
a) Diminui
b) Permanece a mesma
c) Aumenta
d) Tem mais largura de faixa
22. O diodo varactor
a) É geralmente diretamente
polarizado
b) É geralmente reversamente
polarizado
c) É geralmente não-polarizado
d) Está na região de ruptura
PROBLEMASBÁSICOS
Seção5.1 ODiodoZener
5.1 Um regulador Zener sem carga tem uma
tensão de alimentação de 20 V,uma resis-
tência em série de 330 Q e uma tensão
Zener de 12 V. Qual é a corrente no Ze-
ner?
5.2 Se a tensão da fonte no Problema 5.1 va-
riar de 20 para 40 V, qual será a corrente
máxima no Zener?
5.3 Se o resistor em série do Problema 5.1 tiver
uma tolerância de :t10%, qual será a cor-
rente máxima no Zener?
Seção 5.2OReguladorZenercomCarga
5.4 Se o diodo Zener for desconectado na Fi-
gura 5.23, qual será a tensão na carga?
190 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.5
5.5 Suponha que a tensão de alimentação na
Figura 5.23 diminua de 20 para OV. Em
algum valor ao longo dessa faixa, o diodo
Zener não manterá a regulagem. Calcule
a tensão de alimentação no qual a regula-
gem será perdida.
330 Q
Fonte .
1
+
de 20 V
Alimentação -
+
12V 1,5 kQ
- - -
Figura5.23
5.6 Calcule as três correntes na Figura 5.23.
5.7 Suponha uma tolerância de :1:10%em
ambos os resistores da Figura 5.23, qual
será a corrente máxima no Zener?
5.8 Suponha que a tensão de alimentação da
Figura 5.23 varia de 20 para 40 V. Qual
será a corrente máxima no Zener?
5.9 Qual é a dissipação de potência nos resis-
tores e no diodo Zener da Figura 5.23?
5.10 O diodo Zener da Figura 5.23 foi substi-
tuído por um lN961. Qual é a tensão na
carga e a corrente no Zener?
5.11 O diodo Zener da Figura 5.23 tem uma
resistência Zener de 11,5 Q. Se a fonte de
alimentação tiver uma ondulação de 1 V
de pico a pico, qual será a ondulação no
resistor de carga?
5.12 Desenhe o diagrama elétrico de um regu-
lador Zener com uma fonte de alimenta-
ção de 25 V, uma resistência em série de
470 Q, uma tensão Zener de 15 V e uma
resistência de carga de 15 kQ. Qual é a
tensão na carga e a corrente no Zener?
Seção 5.3 Dispositivos Optoeletrônicos
5.13 Qual é a corrente no LED da Figura 5.24?
5.14 Se a tensão de alimentação mi Figura 5.24
aumentar para 40 V, qual será a corrente
no LED?
2,2 kQ
+
15 V 'l
- -
Figura5.24
5.15 Se o resistor na Figura 5.24 for aumentado
para 1kQ, qual será a corrente no LED?
5.16 O resistor na Figura 5.24 é aumentada até
que a corrente no LED se iguale a 13mA.
Qual será o valor dessa resistência?
Seção5.7 A InterpretaçãodaFolhade
DadosdosDiodosZener
5.17 Um diodo Zener tem uma tensão de 10V
e uma corrente de 20 mA. Qual é a dissi-
pação de potência?
5.18 O diodo lN968 tem uma corrente de 5
mA circulando por ele. Qual é a po-
tência?
5.19 O diodo Zener da Figura 5.23 é um
lN963B. Qual é a tensão Zener mínima?
E a máxima?
5.20 Qual é a corrE!htenominal máxima de um
diodo lN758? Dê duas respostas. Pri-
meiro, divida a potência nominal máxi-
ma de 400 mW pela tensão Zener.
Segundo, tome a média das duas cor-
rentes fornecidas na folha de dados.
r
~
t
Cap.5 Diodos para aplicações especiais 191
115V ac
I1-
Figura5.25
Seção 5.8 Verificação de Defeitos
5.21 Na Figura 5.23, qual é a tensão na carga
para cada uma das seguintes condições?
a) Diodo Zener em curto
b) Diodo Zener aberto
c) Resistor em série aberto
d) Resistor de carga em curto
5.22 Se você medir aproximadamente 16,4 V
para a tensão na carga da Figura 5.23,
que defeito você acredita que existe?
5.23 Você mede 20 V na carga da Figura 5.23.
Um ohmímetro indica que o diodo Zener
está aberto. Antes de substituir o diodo
Zener, que mais deve ser verificado?
1000l-lF
1N753
RI
//
TIL221
1N5314
- -- -
5.24 Na Figura 5.25, o LED não acende. Qual
dos seguintes problemas é possível?
a) V130LA2está aberto
b) O terra entre os dois diod05 do
lado esquerdo da ponte está aberto
c) O capacitor de filtro está aberto
d) O capacitor de filtro está em curto
e) O resisto r de carga está aberto
f) O resistor de carga está em curto
PROBLEMASAVANÇADOS
5.25 O diodo Zener da Figura 5.23 tem uma
resistência Zener de 11,5 Q. Qual será a
tensão na carga se você .incluir Rz nos
seus cálculos?
6 V ac (GER
Figura5.26
LÂMPADA
192 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.S
5.26 O diodo Zener da Figura 5.23 é um
1N963. Se a resistência de carga variar de
1 para 10 kQ, qual será a tensão mínima
na carga? E a tensão máxima na carga?
(Use a segunda aproximação.)
5.27 Projete um regulador Zener que contem-
ple as seguintes especificações: uma ten-
são na carga na fonte de 20 V e uma
corrente na carga de 30 mA.
5.28 Um TIL312 é um indicador de sete seg-
mentos. Cada segmento tem uma queda
de tensão entre 1,5 e 2V com 20 mA. A
tensão de alimentação é de :t5 V. Projete
um circuito para o indicador controlado
por chaves liga/ desliga que drene uma
corrente máxima de 140 mA.
5.29 A tensão no secundário da Figura 5.25 é
de 12,6V rms quando a tensão na linha é
de 115 V rms. Durante o dia, a tensão na
linha varia em :t1O%. A tolerância dos
resistores é de 5%. O IN753 tem uma tole-
rância de :t10% e a resistência Zener é de
7 Q. Se R2 for igual a 560 Q, qual é o valor
máximo possível de corrente no Zener
em qualquer hora do dia?
5.30 Na Figura 5.25, a tensão no secundário
é de 12,6 V rms e a queda nos diodos é
de 0,7 V em cada um. O 1N5314 é um
diodo de corrente constante de 4,7 mA.
A corrente no LED é de 15,6 mA e a
corrente no Zener é de 21,7 mA. O ca-
pacitor de filtro tem uma tolerância de
:t20%. Qual é a tensão de pico a pico má-
xima?
5.31 A Figura 5.26 mostra uma parte de um
sistema de luz de uma bicicleta. Os dio-
dos são Schottky. Use a segunda aproxi-
mação para calcular a tensão no capaci-
tor de filtro.
PROBLEMASUSANDOODISPOSITIVO
VerificadordeDefeitos
Use a Figura 5.27 para os problemas restantes.
Se você ainda não fez isso, leia o Exemplo 4.11
antes de tentar resolver esses problemas. Os
defeitos possíveis são componentes abertos ou
em curto, terminais abertos, falta de aterramen-
to etc. O retângulo designado por "OK" fornece
as medidas do regulador Zener quando em
funcionamento normal. Os retângulos restan-
tes, "TI" até "r8", são as medidas para os dife-
rentes defeitos. O retângulo maior de "medi-
ções" converteos sinais em valores medidos.
5.32 Encontre o defeito 1.
5.33 Encontre o defeito 2.
5.34 Encontre os defeitos 3 e 4.
5.35 Encontre os defeitos 5 e 6.
5.36 Encontre os defeitos 7 e 8.
i
I
".
Cap. 5 Diodos para aplicaçõesespeciais 193
+18 V
E
-
OK
VA:C2
VB: FI
Vc:C5
Vo:E6
DI:A7
TI
VA:D7
VB:F4
Vc:Cl
Vo:F2
DI:B3
1 2 3 4 5 6 7
A
B
18114,2 OK
10,5 18
~. 110,3 O 14,2
T7
..: B7
VB:C3
Vc:C7
Vo:E5
DI:D6
D
E
1810K
T8
VA:G6
VB:A4
Vc:F3
Vo:G2
DI:E7
Figura5.27 o dispositivo de verificação de defeitos TM.(Patenteado:cortesia de Malvino
Inc.)
DI
lN758
C
-~+
RL VL
1~-
o 110,5114,21O
F
GIls-
Medições
T2 T3 T4 T5 T6
Capítulo 6
+
TRANSISTORESBIPOLARES
o sinal de rádio ou de TV recebido por uma antena é tão fraco que ele não pode fazer
funcionar um alto-falante ou um tubo de imagem de TV.Por isso é necessário amplifi-
car um sinal fraco até que ele tenha potência suficiente para aplicações práticas. Antes
de 1951, as válvulas eram os principais dispositivos usados para a amplificação de
sinais fracos. Embora as válvulas sejam excelentes amplificadoras, elas apresentam
uma série de desvantagens. Primeiro, possuem um filamento interno ou aquecedor
que requer 1W ou mais de potência. Segundo, a vida útil de seu filamento é da ordem
de alguns milhares de horas apenas. Terceiro, ela ocupa muito espaço. Quarto, o
aquecimento necessário para o seu funcionamento faz aumentar a temperatura interna
de seus equipamentos eletrônicos.
Em 1951, Shockley inventou o primeiro transistor de junção, um dispositivo
semicondutor capaz de amplificar sinais de rádio e de TV As vantagens de .um
transistor ultrapassam de longe as desvantagens de uma válvula. Primeiro, o tran-
sistor não tem filamento ou aquecedor, logo, ele requer uma potência muito menor.
Segundo, por ser um dispositivo semicondutor, ele pode durar indefinidamente.
Terceiro, devido às suas pequenas dimensões, ele ocupa muito pouco espaço. Quar-
to, como ele gera pouco calor, os equipamentos podem funcionar com temperaturas
internas mais baixas.
o transistor possibilitou a invenção de vários outros dispositivos, inclusive a
do circuito integrado (CI), um dispositivo pequeno que contém milhares de transisto-
res. A existência do CI deu origem aos modernos computadores e a outros milagres da
eletrônica. Este capítulo discute os transistores bipolares. O tipo que funciona por
elétrons e lacunas. (A palavra bipolarvem do termo" dois pólos".)
194
h
I,
J,.
,I,
Cap.6 Transistores bipolares 195
Após O estudo deste capítulo, você deverá ser capaz de:
~ Demonstrar seu conhecimento sobre as relações entre base, emissor e
coletor de um transistor bipolar.
~ Desenhar diagramas de circuitos em EC e denominar terminais, tensões e
resistências.
~ Desenhar uma curva hipotética da base e uma família de curvas do
coletor, designando seus dois eixos.
~ Denominar as três regiões de operação de um transistor bipolar na curva
de coletor.
~ Usar as características ideais e a segunda aproximação do transistor.
~ Citar vários parâmetros nominais do transistor bipolar que são usados
pelo técnico.
6.1 o TRANSISTORNÃO-POLARIZADO
Um transistor tem três regiões dopadas, conforme mostrado na Figura 6.1. A região
inferior é chamada emissor,a região do meio é a basee a região superior é o coletor.Esse
transistor em particular é um dispositivo npn. Os transistores podem ser produzidos
também como dispositivos pnp.
r
1
~~~~ ~~
- - - - - - -
~~~~~~~
nI - - - - - - - ICOLETOR
~~~~~~~- - - - - - -
~~~~~~~
+ + + + + + +
@@@@@@@
+ + + + + + +
P I @ @ @ EB>@ @ @ I BASE
+ + + + + + +
@@@@@@@
"'
~~~~
- - - -
~~~~
- - - -
~~~~- - - -
~~~~
EMISSOR
~~~- - -
~~~
nl - - -
~~~- - -
~~~
Figura6.1 A estrutura do transistor.
196 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
Os Diodos Emissor e Coletor
o transistor da Figura 6.1 tem duas junções: uma entre a base e o emissor e outra entre
a base e o coletor. Por isso o transistor é similar a dois diodos. A base e o emissor
formam um dos diodos, enquanto a base e o coletor formam o outro diodo. Daqui em
diante, vamos nos referir a esses diodos comodiodoemissor(o de baixo)e diodocoletar
(o de cima).
Antese DepoisdaDifusão
A Figura 6.1 mostra as regiões do transistor antes de acontecer a difusão. Conforme
discutido no Capítulo 2, os elétrons livres na região n se difundem através da junção e
se recombinam com as lacunas na região p. Procure visualizar os elétrons livres em
cada região n cruzando a junção e recombinando-se com uma lacuna. O resultado são
as duas camadas de depleção conforme mostrado na Figura 6.2.Para cada uma dessas
camadas de depleção, a barreira de potencial é de cerca de 0,7 V na temperatura de
25°c. Como antes, vamos enfatizar os dispositivos de silício, porque eles são mais
usados do que os de germânio.
n
f
CAMADA DE
DEPLEÇÃO
!
n
p
f
CAMADA DE
DEPLEÇÃO
!
Figura6.2 As camadas de depleção.
@@@@@@@
- - - - - -
@@@@@@@
- - - - - -
@@@@@@@
@@@@@@@
eeeeeee
+ + + + + + +
eeeeeee
eeeeeee
@@@@@@@
- - - - - - -
@@@@@@@
- - - - - -
@@@@@@@
- - - - - -
@@@@@@@
...
Cap.6 Transistoresbipolares 197
6.2 o TRANSISTORPOLARIZADO
Um transistor não-polarizado pode ser visto como dois diodos. Cada diodo tem uma
barreira de potencial de aproximadamente 0,7 V.Quando você conecta uma fonte de
tensão externa no transistor, obtém alguns resultados inesperados.
OsElétronsdoEmissor
!".
A Figura 6.3 mostra um transistor polarizado. O sinal de menos representa os elétrons
livres. O emissor é fortemente dopado. Sua função é injetar elétrons livres na base. A
base é fracamente dopada e muito estreita, passando a maior parte dos elétrons livres
injetados pelo emissor para o coletor. O nível de dopagem do coletor é entre a forte
dopagem do emissor e a fraca dopagem da base. O coletor tem esse nome porque ele
coleta ou captura os elétrons livres da base.
A fonte da esquerda da Figura 6.3 polariza diretamente o diodo emissor,
enquanto a fonte da direita polariza reversamente o diodo coletor. No momento em
que a polarização direta é aplicada no diodo emissor, os elétrons livres no emissor
ainda não entraram na região da base.
+
Re
n
RB
t
1
P VeE
+
-- Vee
n
Figura 6.3 o transistor polarizado.
OsElétronsnaBase
SeVBBformaior que a barreira de potencial,os elétrons do emissorentrarão na região
da base, conforme mostrado na Figura 6.4. Esses elétrons podem circular em qualquer
uma das duas direções. Primeiro, eles podem circular para a esquerda e sair pela base,
passando através de RBe indo para o terminal positivo da fonte. Segundo, os elétrons
livres podem circular para o coletor.
198 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
+
Rc
n
RB
+
VBB-=:..
p VCE
+
--Vcc
---------------------------- n
VBE
---------------------
Figura6.4 Os elétrons na base.
Que caminho tomará a maioria dos elétrons livres? A maioria deles seguirá
para o coletor. Por quê? Primeiro, a base é fracamente dopada. Por isso, os elétrons
livres têm uma vida média longa na região da base. Isso lhes dá tempo suficiente para
alcançar a região do coletor. Segundo, a base é muito estreita. Isso dá aos elétrons livres
uma chance maior de alcançar o coletor. Em outras palavras, para circular para fora da
base pelo resistor externo, os elétrons livres precisam recombinar-se com as lacunas na
base. Aí, como elétrons de valência, eles podem circular para a esquerda até deixar a
base e entrar no condutor externo. Como a base é fracamente dopada e muito estreita,
alguns elétrons conseguem recombinar-se e alcançar o terminal externo da base.
Os Elétrons no Coletor
Amaioria dos elétrons livres vai para o coletor, conforme mostrado na Figura 6.5.Uma
vez dentro do coletor, eles são atraídos pela fonte de tensão Vcc. Por isso, os elétrons
livres circulam através do coletor e de Rc até alcançarem o terminal positivo da fonte
de tensão do coletor.
Vamos resumir o que está acontecendo: na Figura 6.5, VBBpolariza direta-
mente o diodo emissor, forçando os elétrons livres no emissor a entrar na base. Abase
estreita e levementedopada dá tempo suficiente para que quase todos esses elétrons se
difundam dentro do coletor. Esses elétrons circulam pelo coletor, através de Ro e
entram no terminal positivo da fonte de alimentação Vcc. Na maioria dos transistores,
mais de 95% dos elétrons do emissor vão para o coletor; menos de 5% circulam pelo
terminal externo da base.
Cap.6 Transistores bipolares 199
+
VBB-=-
+
Rc
n
p VCE
+
-Vcc
n
Figura6.5 A entrada dos elétrons livres no coletor.
6.3 ASCORRENTESNOTRANSISTOR
AFigura 6.6mostra o símbolo esquemático para um transistor. (Sevocê preferir o fluxo
de corrente convencional, use a Figura 6.6b;se preferir o fluxo de corrente real, use a
Figura 6.6b)Na Figura 6.6, existem três correntes diferentes num transistor: a corrente
no emissor lE' a corrente na base lB e a corrente no coletor lc. Como o emissor é uma
fonte direta, sua corrente é a maior das três. Quase todos os elétrons do emissor
circulam pelo coletor, logo, a corrente no coletor é aproximadamente igual à corrente
no emissor. A corrente na base é muito pequena se comparada com essas outras
correntes. Nos transistores de baixa potência, a corrente na base é geralmente menor do
que 1%da corrente.
1
I
h- 1B-
(a) CONVENOONAL (b) REAL
Figura6.6 Símbolo esquemático do transistor.
Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.6200
Lembre-se da lei das correntes de Kirchhoff. Ela diz que a soma de todas as
correntes que entram num nó ou junção é igual à soma das correntes que saem desse
nó ou junção. Quando aplicada num transistor, a lei das correntes de Kirchhoff forne-
ce-nos esta importante relação sobre as três correntes do transistor:
IE = Ic + IB (6.1)
Essa equação diz que a corrente do emissor é igual à soma das correntes do coletor e da
base. Numa aproximação, a corrente do coletor pode ser considerada igual à corrente
do emissor.
o que torna o transistor muito útil é sua corrente do coletor que é muito maior
que a corrente da base. O ganho de corrente ~cc de um transistor é definido como a
corrente do coletor dividida pela corrente da base. Em símbolos,
Ic
~cc= IB
(6.2)
Para os transistores de baixa potência, o ganho de corrente é tipicamente de
100 a 300.Mesmo para os transistores de alta potência, o ganho de corrente é de 20 a
100. Isso significa que 95% ou mais dos elétrons do emissor passam para o coletor,
enquanto menos de 5% escapam do terminal da base.
A Equação (6.2) pode ser rearranjada de duas formas diferentes. Primeiro,
sabendo os valores de ~cc e de IB'você pode calcular a corrente de coletor com esta
equação:
IC = ~ccIB (6.3)
Segundo, sabendo os valores da corrente do coletor e de ~CC' você pode
calcular a corrente de base com
IC
IB = A
Pcc
(6.4)
--=
Capo6 Transistores bipolares 201
Exemplo6~1
Na Figura6.1j
base de 40 flA
Solução
Exemplo6.2
o transistor tem1!itD;Se
de 0,1mA, qual ~áGIJ
Solução
ExemploG,3
de..~
-- o transistor da
correnteforde 1
Solução
Divida a COrrente
.f
202 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
6.4 A CONEXÃO EC
Na Figura 6.7, o lado comum ou o terra de cada fonte de tensão está conectado ao
emissor. Por isso, o circuito é tratado por configuração em emissorcomum (EC).Observe
que o circuito tem duas malhas. A malha da esquerda é chamada circuito da basee a
malha da direita é chamada circuitodocoletor.TIpicamente, a faixa de VBBé em torno de
5 a 15Vpara a maioria das aplicações em baixa potência. Por meio de diferentes valores
de VBBe Iou RB'podemos controlar a corrente da base. Conforme você verá mais tarde,
a corrente da base controla a corrente do coletor. Logo, qualquer variação na corrente
da base produzirá uma variação na corrente do coletor.
Rc +
+ RB
VCE
+
- Vcc++
VBB-=-- VBE -
Figura6.7 A conexão Ec.
No circuito do coletor, existe uma tensão de alimentação Vcc e uma resis-
tência de limitação da corrente, Rc. A tensão entre o coletor e o emissor é representada
por VCE' A tensão de alimentação Vcc deve polarizar reversamente o diodo coletor,
caso contrário o transistor não operará normalmente. Isso é geralmente satisfeito
quando VCEé maior que 1 V.Uma faixa típica de VCE é em torno de 1 a 15V para os
circuitos de baixa potência.
6.5 ACURVADABASE
Qual é a aparência do gráfico de IBversus VBEpara você? Ele se parece com a curva de
um diodo retificador comum, conforme mostrado na Figura 6.8. E por que não?
Estamos falando da corrente e da tensão do diodo emissor, portanto devemos esperar
a curva de um diodo para a corrente versus tensão. Isso significa que podemos usar
qualquer uma das três aproximações discutidas anteriormente.
--.
Cap.6 Transistoresbipolares 203
IB
VBE
0,7
Figura6.8 A curva do diodo.
Por exemplo, se você está verificando defeitos num circuito com transistor,
pode tratar a parte base-emissor do transistor como um diodo ideal. Isso permitirá que
você estime rapidamente os valores das correntes e tensões. Mas se você está envolvido
num projeto preciso, vai precisar incluir a resistência de corpo do diodo emissor nos
seus cálculos.
Na maioria das vezes, se estiver verificando defeitos ou projetando, você
pode notar que a segunda aproximação é a melhor escolha ent~e a rapidez d~ cálculo
com o diodo ideal e a precisão nos cálculos com a terceira aproximação. Tudo o que tem
de lembrar para a segunda aproximaçãoé que VBEé de 0,7V,conformemostrado na
Figura 6.8.
Vejaaqui como calcular a corrente da base na Figura 6.7. A tensão no resistor
da base é igual à diferença de potencial entre a tensão da fonte VBB e a tensão na
base-emissor, VBE'Aplique a lei de Ohm no resistor da base para calcular a corrente:
J..---
VBB - VBE
IB =
RB
(6.5)
A propósito, as tensões com um subíndice simples (Vo VE'VB)referem-se às
tensões entre um terminal do transistor e o terra. O subíndice com duas letras (VBE'
VCE'VCB) referem-se às tensões entre os dois terminais do transistor. Vocêpode calcular
a tensão no subíndice duplo pela subtração dos subíndices simples correspondentes.
Por exemplo, para obter VCE'subtraia VEde Vc.
VCE = Vc - VE
Para obter VCB'subtraia VBde Vc:
., VCB = Vc - VB
204 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.6
Para obter VBE'subtraia VEde VB:
VBE == VB - VE
Exemplo6.4
Na Figura 6.7, VBB= 10 V e RB= 100 kQ. Qual é a corrente na base?
Solução
A não ser quando declarado, você sempre pode fazer uso da segunda aproximação
para o diodo de silício. Isso implica que você pode usar um VBEde 0,7 V.A tensão no
resistor de base é de 9,3 V. Isso estabelece uma corrente de
IB == 9,3\7100kQ == 93~A
6.6 AS CURVASDOCOLETOR
É possível variar VBBe Vcc na Figura 6.7 para ajustar diferentes valores de tensões
correntes. Por meio da medição de Ic e VCE'você pode obter dados de um gráfico de Ic
versus VCE'Por exemplo, suponha que você faça um ajuste de JB = 10 ~A. Então, você
pode variar Vcc e medir os valores resultantes de Ic e VCE'Plotando os dados, obtemos
o gráfico mostrado na Figura 6.9.
Quando VCEfor zero, o diodo coletor não estará reversamente polarizado,
portanto, a corrente no coletor será zero. Para VCEentre Oe aproximadamente 1 V,a
corrente no coletor aumenta com uma taxa muito maior do que VCEe depois pára de
aumentar e fica quase constante. Esse fato está relacionado com a idéia de polarização
reversa do diodo coletor. São necessários aproximadamente 0,7V para polarizar rever-
samente o diodo coletor. Uma vez alcançado esse nível, o coletor captura todos os
elétrons que chegam à camada de depleção.
Acima de 0,7 V,o valor exato de VCE não é mais tão importante, porque mesmo
um pequeno aumento na polarização reversa é suficiente para coletar todos os elétrons
disponíveisna base.Essaé a razão pela qual ográficoé horizontal quando VCEé maior
ou igual a 1 V. O gráfico horizontal significa que a corrente no coletor é constante e
igual a 1 mA para qualquer valor de VCE entre 1 e 40 V. (A propósito, esse gráfico
refere-se ao transistor 2N3904, muito usado em aplicações de baixa potência.)
í
l'-"::
Cap.6 Transistores bipolares 205
Se VCEfor maior que 40 V, o diodo coletor atingirá a ruptura e o funcio-
namentonormal do transistor não mais acontecerá. O transistor não é projetado para
funcionar na região de ruptura. Por essa razão, um dos valores nominais máximos que
devemos observar numa folha de dados de um transistor é sua tensão de ruptura entre
emissor e coletor.
Ic
10 f-lA
ImA
VCE
IV 40V
Figura 6.9 Uma curva do coletor.
ATensãoe a PotênciadoColetor
A lei das tensões de Kirchhoff diz que a soma das tensões numa malha fechada é igual
a zero. Quando aplicada no circuito do coletor da Figura 6.7, a lei das tensões de
Kirchhoff fornece esta importante equação:
VCE= Vcc - lcRc (6.6)
Ela diz que a tensão entre o emissor e o coletor é igual à tensão na fonte de alimentação
menos a tensão no resistor do coletor. Essa equação é essencial em análises e verificação
de defeitos.
Na Figura 6.7, o transistor tem uma dissipação de potência de aproxi-
madamente
Po = VcElc (6.7)
Essa equação diz que a potência do transistor é igual à tensão entre o coletor e o
emissor multiplicada pela corrente do coletor. Essa potência é a causa do aumento da
temperatura najunçãodo diodo coletor.Quantomaiorapotência,maior a temperatura
na junção. Os transistores queimam quando a temperatura na junção atinge a faixa de
,.
206 Eletrônica - 48Edição - Volume 1 Cap.6
150° a 200°c. Uma das principais informações fomecidas pela folha de dados é a
potência nominal máxima PD(máx).A dissipação de potência máxima dada pela Equa-
ção (6.7) deve ser menor que PD(máx).
AsTrêsRegiõesdeOperação
A curva da Figura 6.9 tem três regiões cujas operações são distintas para o transistor.
Primeira, existe a região do meio, onde VCEestá entre 1 e 40 V. Essa é a região mais
importante porque ela representa a operação normal do transistor. Nessa região, o
diodo emissor está diretamente polarizado e o diodo coletor está reversamente polari-
zado. Além disso, o coletor está capturando quase todos os elétrons que o emissor está
injetando na base. É por isso que a variação na tensão do coletor não afeta a corrente do
coletor. Essa região é chamada regiãoativa. Graficamente, a região ativa é a parte
horizontal da curva.
Uma outra região de operação distinta é a regiãode ruptura.O transistor nunca
deve operar nessa região porque é muito provável que ele seja destruído. Ao contrário
do diodo Zener, que foi otimizado para funcionar na região de ruptura, um transistor
não foi projetado para operar na região de ruptura.
Finalmente, existe a parte da curva na qual a corrente cresce muito, onde VCE
está entre, aproximadamente, Oe 1 V.A parte inclinada da curva é chamada regiãode
saturação.Nessa região, o diodo coletor não está reversamente polarizado. (Observa-
ção: para os transistores de baixa potência, a curva pode ficar horizontal bem abaixo de
1 V.Por exemplo, a curva do 2N3904 atinge 1 mA com apenas 0,3 V.)
Em resumo, a curva na Figura 6.9 tem uma região de saturação, uma região
ativa e uma região de ruptura. Um transistor pode operar com segurança tanto na
região de saturação quanto na região ativa, mas não na região de ruptura. Em aplica-
ções nas quais o transistor amplifica os sinais fracos de rádio e TV,ele estará operando
sempre na região ativa.
OutrasCurvas
Se medirmos Ic e VCEpara IB=20 !-tA,podemos plotar a segunda curva da Figura 6.10.
A curva é similar à primeira, exceto que a corrente do coletor é de 2 mA na região ativa.
Novamente, a corrente de coletor é constante na região ativa.
Quando plotamos várias curvas num papel milimetrado, obtemos um con-
junto (ou uma família) de curvas do coletor como o da Figura 6.10.Um outro modo de
obter essa família de curvas é com um traçador de curvas (um instrumento com um
'"'-
Cap.6 Transistores bipolares 207
mostrador de vídeo). Na região ativa da Figura 6.10, cada corrente do coletor é 100
vezes maior que sua corrente de base correspondente. Por exemplo, a curva superior
tem uma corrente de coletor de 7 mA e a corrente da base é de 70 !-tA.Isso estabelece
um ganho de corrente de
7mA = 100
I3cc= 70 !-tA
Se você continuar verificando, obterá o mesmo resultado com qualquer curva: um
ganho de corrente de 100.
Com outros transistores, o ganho de corrente pode ser diferente de 100,mas
as formas das curvas serão as mesmas. Todos os transistores têm uma região ativa, uma
região de saturação e uma região de ruptura. A região ativa é a mais importante,
porque há a possibilidade de uma amplificação nessa região.
A RegiãodeCorte
A Figura 6.10 tem uma curva inesperada, a curva inferior. Observe que a corrente da
base é zero, mas ainda existe uma corrente do coletor. Num traçador de curvas, essa
corrente é normalmente tão pequena que não podemos notá-Ia. Fizemos uma repre-
sentação exagerada na curva inferior com um valor muito maior do que realmente ela
tem. Essa curva inferior é chamada regiãodecortedo transistor e a pequena corrente do
coletor é chamada correntede cortedocoletar.
(1oot...;;0
Por que existe uma corrente do coletor se não existe corrente da base? Porque
o diodo coletor, como qualquer outro diodo, tem uma corrente reversa de portadores
minoritários e uma corrente de fuga da superfície. Você pode ignorar a corrente de
corte do coletor quando a corrente do coletor for muito maior. Por exemplo, o 2N3904
tem uma corrente de corte do coletor de 50nA. Aplicando uma regra de 20:1,você pode
ignorar essa corrente de 50 nA quando a corrente normal do coletor for pelo menos 20
vezes 50 nA, ou 1 mA. Isso garante um erro de cálculo menor que 5%.
I
f
7
208 Eletrônica - 48Edição - Volume 1 Cap.6
Ic
IV 40V
VCE
Figura6.10 A família de curvas do coletar.
Recapitulação
o transistor tem quatro regiões de operação distintas: ativa, corte, saturação e ruptura.
Os transistores operam na região ativa quando são usados como amplificadores -
circuitos que amplificam sinais fracos. Algumas vezes, esses circuitos são chamados
circuitos linearesporque variam o sinal de entrada, produzindo variação proporcional
no sinal de saída. As regiões de saturação e corte são usadas nos circuitos digitais e
outros circuitos de computador.
Exemplo6.5
Qual será a tensão entréQ colefOr é(j)émmSür nã.FigRra 6.7 se a.corrente do coletar
for de 1 mA, a resistência do coletar for de 3,6 kQ e a tensão de alimentação do
coletar for de 10 V?
Solução
Subtraia da tensão de alimentação do coletor a queda IR no resistor do coletar, como
segue:
VCE = l.~V mA)(3,6 kQ) = 6,4V
mA
7 r
70 f.lA
61- &.-
60f.lA
51-&.-
SOf.lA
4 1-1.
40f.lA
3H.
30f.lA
21&.-
20f.lA
Il
lOf.lA
O
1
Cap.6 Transistores bipolares 209
6.7 ASAPROXIMAÇÕESDOTRANSISTOR
Para uma verificação de defeitos eficaz, projetos etc., você deve decidir por si mesmo,
usando o bom senso, que aproximação deve ser usada. Se não for uma aproximação
simples, a verificação de defeitos pode levar horas até que o defeito seja localizado em
circuitos com transistores. Se não for usada uma aproximação avançada, um projetista
poderá projetar circuitos com transistores de qualidade inferior.
oTransistorIdeal
.
c-':p
Se o fabricante pudesse produzir um transistor ideal ou perfeito, veja o que aconteceria
com as curvas da Figura 6.10:primeiro, não haveria região de ruptura, o que significa
que você poderia aplicar qualquer tensão entre os terminais do coletor e do emissor.
Segundo, não haveria corrente de corte do coletor, o que significa que a corrente do
coletor seria zero para IR=O.Terceiro, não haveria região de saturação, o que significa
que a região ativa iria estender-sea partir de VCE=O.
A Figura 6.11é uma representação do que acabamos de dizer. E sobre a curva
da base? A parte entre a base e o emissor de um transistor é um diodo. Idealmente, esse
diodo não teria barreira de potencial nem resistência de corpo. Ele seria o diodo ideal
já discutido anteriormente. Portanto, ele funcionaria como uma chave que está fechada
quando diretamente polarizado e aberta quando reversamente polarizado.
210 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
Ic
VCE
Figura6.11 As curvas ideais do coletor.
A Figura 6.12 representa a idéia do transistor ideal. O lado da entradade um
transistor ideal é um diodo ideal. O lado da saída é uma fonte de corrente. Essa fonte
de corrente produz uma corrente constante igual ao ganho de corrente multiplicado
pela corrente da base:
IC = I3ccIB
ASegundaAproximação
Quando a tensão de alimentação do circuito da base for pelo menos 20 vezes o valor da
barreira de potencial, ou cerca de 14V,o resultado é um erro de menos de 5% quando
você usa um diodo ideal. Mas a tensão de alimentação é geralmente menor que 14V,o
que justifica por que a maioria das pessoas usa a segunda aproximação para o diodo
emissor. Em outras palavras, eles incluem 0,7V no cálculo da corrente da base.
IDEAL
+ IB IB
-J- V". V"+VBE BcJB VCE
Figura6.12 o transistor ideal.
I
mA
7
70 !tA
6
60 !tA
5
50 !tA
4
40 !tA
-
3
30 !tA
2
20 !tA
-
I
10 !tA
-
I O
-
IV
I
40V
Cap.6 Transistores bipolares 211
A Figura 6.13 representa a segunda aproximação de um transistor. A única
diferença entre ela e o caso ideal é que agora fizemos a aproximação do diodo emissor
com a segunda aproximação de um diodo. Isto é, assumimos que existe uma queda de
tensão de 0,7Ventre a base e o emissor do transistor.
VBE SEGUNDA
+ IB
-U-v V" .vec
+
BrrIB VCE
Figura6.13 A segunda aproximação.
ATerceiraAproximação
Para os casos de verificação de defeito e análise, tudo o que você deve saber sobre a
terceira aproximação são duas idéias básicas. Primeira, o diodo emissor possui uma
resistência de corpo que produz uma tensão que é somada com 0,7V para a obtenção
da tensão total entre os terminais da base e do emissor. Com os transistores de baixa
potência, essa tensão adicional é tão pequena que não tem efeito sobre o valor de VBE'
Para os transistores de alta potência, a tensão adicional pode ser alta o suficiente para
produzir uma VBEmaior que 1V.
Segunda, o diodo coletor tem uma resistência de corpo com alguns décimos
de volt sobre ela. Você não nota essa pequena tensão a não ser que o transistor esteja
operando na região de saturação. Logo{em vez de um voltímetro indicar exatamente
zero, ele pode indicar o valor de 0,1 até 0,2 para o caso de transistores de baixa potência.
roA.,
A não ser que esteja envolvido num projeto, você não precisa realmente entrar
em detalhes sobre a terceira aproximação. Tudo que você deve se lembrar é: VBEpode
ser maior que 0,7V por causa da resistência de corpo do emissor e VCEpode ser maior
que zero quando o transistor está safurado. Para usar a terceira aproximação, você
pode medir VBEno circuito e depois usar esse valor em vez de 0,7Vquando for calcular
a corrente da base.
212 Eletrônica - 4u Edição - Volume 1 Cap.6
3,6 kQ
+
---=- 15 V
15 V --==-
Figura6.14 Exemplo.
+
I
I
1iw.-
'.."
L
Cap.6 Transistores bipolares 213
Esse exemplo permite-nos comparar as três aproximações para o caso de uma
tensão de alimentação da base baixa. Conforme você pode notar, todas as respostas
estão dentro de um volt de uma para a outra. Esse é o primeiro indício para você
decidir sobre qual dessas aproximações deve ser usada. Se você estiver verificando
defeito, a análise ideal será provavelmente adequada. Mas se você estiver projetando
circuito, deve querer usar a terceira aproximação por causa de sua precisão. Se tiver
dúvidas sobre qual dessas aproximações usar, use a segunda. Ela estabelece um bom
compromisso entre a verificação de defeito e a análise.
Exemplo6.8
Qual é a tensão entté o
aproximação?
usar a segunda
Solução
e tensões usando a segundaNa Figura 6.14, veja como calcular as
aproximação. A tensão no diodo emissor é
Portanto, a tensão total em RBé de 14,3V, que é a diferença entre 15 e 0,7 V.A
corrente na base é
A corrente no coletor é igual ao gaMo de corrente multiplicado pela corrente da
base:
Tc = 100(30,4 !tA) = 3,04mA
A tensão entre o coletor
VCE = 15V - mA)(3,6 kQ) = 4,06 V
Adiferençadessa re~posta em relação à ri
3,52 V. Essa diferença de meio volt é
verificando defeito, projetando etc.
osta ideal é de cerca de 0,5 V:4,06 versus
ortante? Issú depende você estar
214 Eletrônica - 46 Edição - Volume 1 Cap.6
Exemplo6.9
Suponha que a medida de VBEseja de 1V.Qual é a tensão entre o coletor e o emissor
na Figura 6.14 se você
Solução
A tensão total em RBé de 14V, que é a diferença entre 15 e 1V.A lei de Ohm nos diz
que a corrente na base é
A
A corrente no coletor é igual ao ganho de corrente multiplicado pela corrente na
base:
)
A tensão entre o coletor e o emissor é igual a
6.8 A INTERPRETAÇÃODAS FOLHAS DE DADOS DO
TRANSISTOR
Os transistoresde pequenosinal podem dissipar no máximo meio watt de potência; os
transistoresdegrandesinalpodem dissipar mais de meio watt de potência. Quando você
vir uma folha de dados para ambos os tipos de transistores, deve começar com os
valores nominais máximos, porque eles são os limites das correntes, tensões e outros
parâmetros do transistor.
OsValoresNominaisdaRuptura
Os valores nominais máximos do 2N3904 são dados no Apêndice:
Cap.6 Transistores bipolares 215
VCB
BCEO
VEB
60V
40V
6V
/
Essas tensões nominais são as tensões reversas de ruptura e VCB é a tensão
entre o coletor e a base. O segundo valor nominal é VCEO' que representa a tensão do
coletorpara o emissor coma base aberta. Alémdisso,VEBé a tensão do emissor para a
base. Come sempre, um projeto de segurança nunca permite que a tensão esteja
próxima dos valores nominais máximos. Lembre-se: se você aproximar a tensão dos
valores nominais máximos, isso pode diminuir a vida útil de alguns dispositivos.
L
sorUftm
"="
216 Eletrônica - 4B Edição - Volume 1 Cap.6
ACorrentee a PotênciaMáxima
Mostramos também outros valores nominais máximos:
~,
\
~
'\
Aqui, Ic é a corrente cc nomi~l máxima do coletor. Isso significa que o 2N3904 p~~
funcionar com uma corrente direta de até 200mA. Os outros três valores nominais são
Po, que é a potência nominal máxima desse dispositivo. Como você pode ver, a potência
máxima na qual um transistor pode funcionar depende da temperatura. Sea temperatu-
raambiente for de 60°C, a potência nominal máxima será de 250 mW. Essa tempe-
ratura é usada porque os equipamentos comerciais sempre operam com uma
temperatura ambiente na faixa de Oa 60°c.A folha de dados fornecea potência de
dissipação para o pior caso, que é de 60°c.
Se a temperatura ambiente for de apenas 25°C,a potência nominal será de 350
mW. O transistor tem uma potência nominal maior, porque a temperatura interna é
menor. É a temperatura interna ou da junção que determina quando um transistor
queima. Se a temperatura externa for menor, a temperatura interna será menor, então
o ponto de queima será menor. Nesse caso, o transistor pode dissipar mais potência.
IC
Po
Po
PD
200 mA dc
250 mW (para TA = 60°C)
(para TA = 25°C)
(para TC = 60°C)
350 mW
lW
O encapsulamento tem uma temperatura que é geralmente maior que a
temperatura ambiente. Se o projetista sabe qual a temperatura no encapsulamento,
pode preferir trabalhar com a potência nominal fornecida para a temperatura do
encapsulamento.
Os FatoresdeDegradação
Conforme o discutido no Capítulo 5, o fator de degradação informa em quanto deve
ser reduzida a potência nominal de um dispositivo. O fator de degradação do 2N3904
é dado como 2,8 mW/ oCOIsso significa que você deve reduzir a potência nominal de
350mW por 2,8 mW para cada grau acima de 25°c.
\
\
"
Capo6 Transistores bipolares 217
OsDissipadoresdeCalor
Uma forma de aumentar a potência nominal de um transistor é retirando o calor
interno mais rapidamente. Essa é a função de um dissipadorde calor (uma massa
metálica). Se aumentarmos a superfície do encapsulamento do emissor, permitiremos
que o calor seja trocado com o meio ambiente mais facilmente. Por exemplo, a Figura
6.15amostra um tipo de dissipador. Quando ele está em contato com o encapsulamento
do transistor, o calor é irradiado mais rapidamente, por causa da superfície maior do
encapsulamento.
A Figura 6.15bmostra um outro sistema. Ele é o esboço de um transistor de
potência com placa metálica de dissipação de calor. Uma placa metálicaestabelece um
meio para esfriar o transistor. Essa placa metálica pode ser parafusada ao chassis do
equipamento eletrônico. Como o chassis é uma massa dissipadora de calor, o calor
gerado no transistor pode ser facilmente passado para o chassis.
~
I
~
Coletor conectado
ao encapsulamento
9.2O O@1
Pino 1. Base
20Emissor
Coletor no
encapsulamento
(a) (b) (c)
Figura 6.15 (a) Dissipador de pressão; (b) transistor com placa metálica para dissipação;
(c) transistor de potência com coletor conectado ao encapsulamentoo
Não importa o tipo de dissipador usado. A finalidade é diminuir a tempera-
tura do encapsulamento porque isso diminuirá a temperatura interna ou da junção do
transistor. A folha de dados inclui outros parâmetros, chamados resistênciastérmicas.
Esses parâmetros permitem ao projetista calcular a temperatura do encapsulamento
para diferentes tipos de dissipador de calor.
...'
..
218 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
o GanhodeCorrente
Num outro sistema de análise chamado parâmetrosh, é usado hFEem vez de ~cc como
símbolo para o ganho de corrente. Esses dois parâmetros são iguais:
f3cc= hFE (6.8)
Lembre-se dessa relação, porque as folhas de dados usam o símbolo hFEpara o ganho
de corrente.
Na seção denominada "Características", a folha de dados do 2N3904 fornece
os valores de hFE'como segue:
Máx. hFE
300
o 2N3904 funciona melhor quando a corrente do coletor está próxima de 10
mA. Com esse nível de corrente, o ganho mínimo de corrente é de 100 e o ganho
máximo, 300. O que significa isso? Significa que se você produzir um circuito em
grande escala usando o 2N3904 com uma corrente de coletor de 10 mA, alguns dos
transistores poderão ter um ganho de corrente baixo de 100 e outros poderão ter um
ganho de corrente alto de 300.Amaioria dos transistores terá um ganho de corrente no
meio dessa faixa.
Observe como o ganho de corrente diminui para as correntes de coletor que
são menores ou maiores que 10mA. Com 0,1mA, o ganho de corrente mínimo é de 40.
Com 100mA, o ganho de corrente mínimo é de 30. A folha de dados mostra apenas o
ganho de corrente mínimo para correntes diferentes de 10 mA, porque os valores
mínimos representam os piores casos. Os projetistas geralmente usam o pior caso nos
projetos, indicando que eles imaginam como o circuito operará quando as caracte-
rísticas do transistor, tal como o ganho de corrente, estiverem no seu pior caso.
It-
tc,mA Mín.hFE
0,1 40
1 70
10 100
50 60
100 30
!
....
-pc
I
).'
,
Capo6 Transistores bipolares 219
6.9 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS
.
~
A Figura6.16mostra um circuitoem emissor comumcomos terras. Uma tensão de 15
V alimenta a base que polariza o diodo emissor diretamente por meio de uma resis-
tência de 470 kQ. Uma tensão de 15 V alimenta o coletor e polariza o diodo coletor
reversamente por meio de uma resistência de 1 kQ. Vamos usar a aproximação ideal
para calcular a tensão entre o coletor e o emissor. Os cálculos estão a seguir:
IB = 15V470 kQ = 31,9 [tA
IC = 100(31,9 [tA) = 3,19 mA
t
VCE = 15V - (3,19mA)(l kQ) = 11,8V
220 Eletrônica - 49Edição - Volume 1 Cap.6
Exemplo6.1.2
Até que ponto é seguro para o nível de dissipação de potência se a temperatura
ambiente for delOQ°C gp Exemplo~.l1~
Solução
Primeiro, calcule a nova ambiente em relação à temperatura de
referência de 25°c. Faça isso como segue:
Algumas vezes, você verá isso escrito como
onde 6.xepresegta uclife:J;'ençF!deu. ~ia.~, eq].J.aç~oCPmoél d,iferegça d,e temperatura
é igual a 75°C.
Agora, multiplique o fator de degradação pela diferença de temperatura para
obter
(2,8 mWjOC)(75°C) = 210 mW
Você verá isso escrito como
fliJ = 210 mW
onde 6.P representa a diferença de potência. Finalmente, você subtrai a diferença de
potência da potência nominal em 25°C:
PD(máx) =350 ínW - 210 rriW - 140mW
Essa é a potência nominal do transistQr quando a temperatura amQiente for de 100°c.
Até que ponto esse projeto é seguro? O transistor ainda funciona bem, porque
sua potência é de 100 mWçpmparéld,açoffiél pQtêQçiaQorninald,e ~40 1):1W.Mas já
não temos o fator de segurança de 2. Sea temperatura ambiente aumentasse ainda
mais, ou se a dissipação de potência aumentasse, o transistor poderia estar
perigosamente próximo de.$uaiqueimél' Po:r i$$O,~mprojetista devereprojetar o
circuito a fim de restaurar otatorde segurança de 2. Isso significa mudar os valores
do circuito para obter uma dissipação de potência que seja a metade de 140mW, isto
é, 70 mW. Uma forma poderia ser red,uzir atensjio ei/11treoc,oletor eo emissor para 7
V.Logo, a potência dir11ínuiria para
PD = (7V)(10mA) = 70mW
"
~
I
I
I
1
~
Cap.6 Transistores bipolares 221
c Rc D
+
--= Vcc
115V
1 kQ
- -
Figura6.16 A verificação de defeitos num circuito com transistor.
DefeitosComuns
r
1
Se você estiver verificando defeito num circuito como o da Figura 6.16, deve primeiro
medir entre o coletor e o emissor. O valor deve estar próximo de 11,8V. Por que não
usamos a segunda ou a terceira aproximação para obter uma resposta mais precisa?
Porque os resistores geralmente têm uma tolerância de pelo menos ::1:5%,o que faz com
que a tensão entre o coletor e o emissor seja diferente de seus cálculos, indepen-
dentemente da aproximação que você esteja usando.
De fato, quando defeitos ocorrem, geralmente são grandes problemas como
curtos ou circuito aberto. Os curto-circuitos podem ocorrer por causa de dispositivos
danificados ou respingos de soldas entre resistores. Os circuitos abertos podem ocorrer
quando um componente se queima. Problemas como esses produzem grandes varia-
ções nas correntes e nas tensões. Por exemplo, um dos problemas mais comuns é a falta
de tensão de alimentação no coletor. Isso pode acontecer de vários modos diferentes,
tal como um defeito na própria fonte de alimentação, um terminal aberto entre a fonte
de alimentação e o resistor do coletor, um resistor do coletor aberto etc. Em qualquer
um desses casos, a tensão no coletor da Figura 6.16será aproximadamente zero, porque
não há tensão de alimentação no coletor.
Um outro problema possível é um resistor de base aberto, o que faz com que
a corrente de base caia a zero. Isso força a corrente do coletor a também cair a zero, e a
tensão entre o coletor e o emissor aumenta para 15V,o valor da tensão de alimentação
do coletor. Um transistor aberto tem o mesmo efeito.
I
f
o QuePensamosTécnicosaoVerificarDefeitos?
o ponto é o seguinte: os problemas típicos provocam grandes desvios nas correntes e
nas tensões do transistor. Os técnicos, ao verificar defeitos, raramente se preocupam
com diferenças de décimos de um volt. Eles estão em busca de tensões que são
radicalmente diferentes dos valores ideais. Por isso, o transistor ideal é usado como
A RB B
vBB -
15V 1
-
222 Eletrônica - 4B Edição - Volume 1 Cap.6
ponto de partida na verificação de defeitos. Além do mais, isso explica por que os
verificadores de defeito não usam nem mesmo as calculadoras para calcular a tensão
entre o coletor e o emissor.
Se eles não usam calculadoras, o que fazem? Eles estimam mentalmente o
valor da tensão entre o coletar e o emissor. Aqui está o pensamento de um experiente
técnico em verificação de defeitos enquanto estima o valor da tensão entre o coletor e o
emissor da Figura 6.16.
A tensão no resistor da base é de cerca de 15 V. A resistência da base de 1 MQ deveria
produzir uma corrente da base de aproximadamente 15 ~. Como 470 kQ está
próximo da metade de 1 MQ, a corrente da base deve ser de aproximadamente 30 ~.
Um ganho de corrente de 100 dá uma corrente de coletor de cerca de 3 mA. Quando
essa corrente circular pelo resistor de 1 kQ, ela produzirá uma queda de tensão de 3 V.
Subtraindo 3 V de 15 V temos 12 V nos terminais coletor e emissor. Logo, V CEdeveria
medir cerca de 12 V, ou há alguma coisa errada no circuito.
ATabeladeDefeitos
Conforme discutido no Capítulo 5, um componente em curto é equivalente a uma
resistência zero, enquanto um componente aberto é equivalente a uma resistência
infinita. Por exemplo, o resistor da baseRBpode estar curto-circuitado ou aberto.
Vamos chamar essas declarações de RBSe RBO'De modo similar, o resistor do coletar
pode estar em curto ou aberto, que vamos chamar de Rcs e Reo.
A Tabela 6.1 mostra alguns defeitos que podem ocorrer num circuito como o
da Figura 6.16. As tensões foram calculadas usando-se a segunda aproximação.
Quando o circuito estiver operando normalmente, você deve medir uma tensão no
coletor de cerca de 12V.Se o resistor da base estivesse em curto, a tensão na base seria
de +15 V. Essa tensão alta destruiria o diodo emissor. Como resultado, o diodo do
coletor provavelmente abriria, forçando a tensão no coletar a ir para 15V.Esse defeito
RBSe suas tensões estão mostrados na Tabela 6.1.
Vc,V
12
Comentários
Sem defeito
15
15
Transistor queimado
Sem corrente na base ou coletor
Tabela6.1 Problemas e sintomas.
Defeitos Va,V
Nenhum 0,7
RBS 15
RBO O
t
Cap.6 Transistores bipolares 223
Problemas e sintomas. (continuação)
Comentários
Verifique a fonte e os terminais
Verifique a fonte e os terminais
Se o resistor da base estivesse aberto, não haveria tensão na base ou na
corrente. Além do mais, a corrente no coletor seria zero e a tensão no coletor aumenta-
ria para 15V.Esse defeito RBOe suas tensões são mostrados na Tabela 6.1.Continuando
assim, podemos obter o restante da Tabela 6.1.
TÓPICOSOPCIONAIS
6.10 OPONTODEVISTADASBANDASDEENERGIA
~
Aqui está um outro modo de visualizar a ação do transistor. A Figura 6.17 mostra os
níveis de energia de um transistor não-polarizado. A camada de depleção do emissor é
mais inclinada do que a camada de depleção do coletor, porque o nível de dopagem do
emissor é maior. O fato mais importante a ser observado é que os elétrons livres no
emissor não têm energia suficiente para entrar na região da base, que tem um nível de
energia mais alto.
PBASE
n EMISSOR
............
n COLETOR
t
T
o o
o
Figura6.17 Os níveis de energia de um transistor.
Tabela6.1
Defeitos
{ Res
I ReG
I Sem VBB
Sem Vee
Va,V Ve,V
0,7 15
0,7 o
O 15
0,7 O
224 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1 Cap.6
Quando Otransistor está polarizado, contudo, os níveis de energia se deslocam
conforme mostrado na Figura 6.18.As bandas do emissor movem-se para cima, porque
o diodo emissor está diretamente polarizado. As bandas do coletor movem-se para
baixo, pois o diodo coletor está reversamente polarizado. Por isso, os elétrons agora
têm energia suficiente para se difundirem na base.
Uma vez dentro da base, os elétrons livres tornam-se portadores minoritários
porque estão dentro de uma região p. Em quase todos os transistores, mais de 95%
desses elétrons livres têm vida média suficiente para difundirem-se até a camada de
depleção do coletor e descer a colina de energia do coletor. Como eles passam para uma
banda de energia mais baixa, devolvem a energia em forma de calor. O coletor deve ser
capaz de dissipar esse calor e, por essa razão, é geralmente a região dopada de maior
área das três. Normalmente, menos de 5% dos elétrons na base caem e se recombinam
pelo caminho mostrado na Figura 6.18.Aqueles que realmente se recombinam tornam-
se elétrons de valência e circulam pelas lacunas da base e entram pelo terminal externo
da base.
n EMISSOR
PBASE
...............
/' , ~CAMINHO PARA I . . . . . . . . .RECOMBINAÇÃO I . . . . . . . .~
n COLETOR
Figura6.18 Os níveis de energia quando o transistor está polarizado.
6.11 ALFAcc
Dizer que mais de 95% dos elétrons alcançam o coletor é o mesmo que dizer que a
corrente de coletor é quase igual à corrente do emissor. O alfa ccde um transistor indica
quão próximo em valor estão as duas correntes e isso é definido como
Ic
acc = IE
(6.9)
~
r
I
~'
Capo6 Transistores bipolares 225
Por exemplo, se medirmos uma Ic de 4,9 mA e uma IEde 5 mA, então
4,9 mA = 0,98aee = 5 mA
Quanto mais estreita e mais levemente dopada for a base, maior será o alia cc. Ideal-
mente, se todos os elétrons injetados fossem para o coletor, o alia cc seria igual à
unidade. Muitos transistores têm o alia ccmaior que 0,99,e a maioria deles tem alias cc
maiores que 0,95.Por isso, podemos aproximar o alia ccpara 1 na maioria das análises.
6.12 A RELAÇÃOENTREALFAEHETA
A lei das correntes de Kirchhoff diz que
IE = Ic + IB (6.10)
Isto é, a corrente do emissor é a soma da corrente do coletor com a corrente da base.
Lembre-se sempre do seguinte: a corrente do emissor é a maior das três correntes, a
corrente do coletor é quase igual e a corrente da base é muito pequena.
Dividindo os dois lados da Equação (6.10)por Ic obtemos
IE IB
-=1+-
Ic Ic
,
'\ ou
1 1
-=1+-
aee l3ee
~
I
Com álgebra, podemos rearranjar essa equação para obter
aee (6.11)
l3ee= 1 - aee
Eletrônica- 4a Edição - Volume 1 Cap.6226
Como exemplo, se acc = 0,98, o valor de I3ccé
- 0,98 = 0,98 = 49
I3cc- 1 - 0,98 0,02
Ocasionalmente, necessitamos de uma forma de acc em termos de I3cC"Com
álgebra, podemos rearranjar a Equação (6.11) para obter
I3cc
acc = j3cc+ 1
(6.12)
Por exemplo, se I3ccfor igual a 100,
100 100
aee = 100 + 1 = 101 = 0,99
6.13 AS CURVAS DA BASE
A Figura 6.19 mostra um gráfico da corrente da base versus a tensão entre a base e o
emissor. Como a seção base-emissor de um transistor é um diodo, esperamos encontrar
um gráfico que lembre a curva de um diodo. E é isso que obtemos, ou melhor, quas,e
isso. Lembre-se de que existem mais variáveis num transistor que num diodo. A
medida que a tensão no coletor aumenta, ele captura alguns elétrons a mais. Isso reduz
a corrente da base. A Figura 6.19 ilustra essa idéia. A curva correspondente a um VCE
maior tem uma corrente da base ligeiramente menor para um dado valor de VBE'Esse
fenômeno,chamadoefeitoEarly,resulta da realimentaçãointerna do diodo coletorpara
o diodo emissor. A folga entre as curvas na Figura 6.19é muito pequena, imperceptível
num osciloscópio. Por essa razão, ignoramos o efeito Early nas análises preliminares.
(Os parâmetros h, um método de análise de alto nível, incluem o efeito Early.)
IB VCE= 1
VBE
Figura6.19 As curvas da base: (a) ideal; (b) o efeito Early.
I
~
Cap.6 Transistores bipolares 227
6.14 AS REGiÕES DE CORTE E RUPTURA
t A curva mais baixa do coletor serve a uma corrente zero na base. A condição IB=Oé
equivalente a uma base aberta (veja a Figura 6.20a). A corrente do coletor com o
terminal da base aberto é designada por ICEO'onde o subíndice CEO representa do
coletor para o emissor com a base aberta e ICEOé provocada em parte pelos portadores
produzidos termicamente e em parte pela corrente de fuga da superfície.
A Figura 6.20dmostra a curva de IB=O.Com uma tensão de coletor suficien-
temente alta, atingimos a tensão de ruptura denominada BVCEO' onde o subíndice
também representa do coletor para o emissor com a base aberta. Numa operação
normal do transistor, devemos manter VCE abaixo de BVCEDoA maioria das folhas de
dados dos transistores fornece o valor de BVCEOentre os valores nominais máximos.
Essa tensão de ruptura pode ser menor do que 20 ou maior que 200V,dependendo do
tipo do transistor.
f
1cEO----.
~"
(a)
Figura6.20 A corrente de corte e a tensão de ruptura do transistor.
Como regra, um bom projeto inclui um fator de segurança para manter VCE
bem abaixo de BVCEO.Avida do transistor pode ser reduzida por um projeto que force
um valor nominal máximo absoluto para um transistor. Um fator de segurança de 2
(VCEmenor que metade de BVCEO)é comum. Alguns projetos de segurança ou conser-
vativosusam um fator de segurança de até 10 (VCEmenor que um décimo de BVCEO)'
Ic
1B=O
ICEO
)J
. VCEI
BVCEO
(b)
228 Eletrônica - 4QEdição - Volume 1 Cap.6
6.15 ATERCEIRAAPROXIMAÇÃO
o diodo emissor tem uma resistência de corpo. Por ser muito pequena, essa resistência
de corpo provoca geralmente uma pequena queda IR, o que significa que VBEé apenas
ligeiramente maior que 0,7V.
O diodo coletor também tem uma pequena resistência de corpo. Essa resis-
tência de corpo não tem efeito na região ativa. Você nota o efeito dessa resistência de
corpo apenas quando o transistor operana região de saturação. É a resistência de corpo
do diodo coletor que produz uma inclinação na região de saturação das curvas do
coletor. Como a resistência de corpo diminui quando próxima de zero, as curvas do
coletor movem-se, aproximando-se das curvas ideais discutidas anteriormente.
Quando a resistência de corpo é zero, as curvas do coletor são ideais.
As resistências de corpo dos dois diodos têm um pequeno efeito sobre as
correntes e as tensões nos transistores de baixa potência. Os transistores de baixa
potência, também chamados transistoresde pequenosinal, têm uma potência nominal
menor que meio watt. Por exemplo, o 2N3904, com uma corrente de coletor de 100mA,
tem uma VBEde 0,85V em vez de 0,7V.Quando operando na região de saturação, esse
transistor tem uma tensão entre o coletor e o emissor de apenas 0,28 V para uma
corrente do coletor de 100mA.
Os transistores de potência são diferentes. Eles têm potências nominais acima
de meio watt. Eles são projetados para funcionar com correntes altas. Como a corrente
é alta, a queda IR na resistência de corpo é importante. Um projetista de circuitos com
transistores de potência precisa incluir essas resistências de corpo nos seus cálculos.
Um técnico, ao verificar defeitos em circuitos de potência, deve, no mínimo, ter cons-
ciência dessa queda em VBE'que é maior que a queda usual. Por exemplo, o 2N3055 é
um transistor com uma potência nominal de 115 W. Com uma corrente de coletor
muito alta de 10A, esse transistor tem uma VBEde 1,6V e uma VCEde 0,5V na região
de saturação.
A Figura 6.21 mostra a terceira aproximação para um transistor. A curva da
base tem uma inclinação para a direita. Portanto, à medida que a corrente da base
aumenta, a tensão na resistência de corpo aumenta acima da tensão de joelho para
obter a tensão VBEtotal. Por exemplo, o diodo emissor de um 2N3904 tem uma
resistência de corpo de 1,5 Q. Quando a corrente do emissor é de 100 mA, a queda
adicional IRé
IE rB(emis) = (100 mA)(I,5 Q) = 0,15 V
Portanto, a queda total em VBEé
I'
T
J
~'
~
Cap,6 Transistores bipolares 229
VBE = 0,7V + 0,15V = 0,85V
Como outro exemplo, o diodo emissor de um 2N3055 tem uma resistência de
corpo de 0,09Q. Quando a corrente de emissor for de 10A, a queda adicional IR será
IE rB(emís) = (10 A) (0,09 Q) = 0,9 V
Nesse caso, a queda total VBE é
VBE = 0,7 V + 0,9V = 1,6V
+
IB
-lt-v V"
+
VBE TERCEIRA
r
1
I
Figura6.21 A terceira aproximação.
.va
A terceira aproximação inclui um resistor rB(col)em série com a fonte de
corrente. Esse resistor não tem efeito na região ativa. Mas quando o transistor está
saturado, a tensãono resistor evita que VCEdiminua até zero. A tensão entre o coletar
e o emissor na região de saturação é dada par
VCE(sat) = IC(sat) rB(col)
,
(6.13)
Por exemplo, o diodo coletor do 2N3904 tem uma resistência de corpo de 2,8
Q. Se o transistor for saturado e a corrente de coletor for de 100mA,
VCE(sat) = (100 mA)(2,8 Q) = 0,28 V
Essa tensão é importante quando o transistor está operando na região de saturação.
230 Eletrônica - 4~Edição - Volume 1 Cap.6
6.16 ARESISTÊNCIADEESPALHAMENTODABASE
Com duas camadas de depleção penetrando na base, as lacunas da base ficam confina-
das a um estreito canal semicondutor do tipo p mostrado na Figura 6.22. A resistência
desse estreito canal é chamada resistênciade espalhamentoda baser'b'Aumentando-se a
tensão de polarizaçãoreversa VCB sobre o diodo coletor,a largura do canalp diminui,
o que equivalea um aumento em r~.
A corrente de recombinação na base deve circular para baixo através de r~.
Quando isso ocorre, ela produz uma diferença de potencial. Discutiremos essa tensão
mais tarde. Por hora, tudo o que sabemos é que r; existe e que depende da largura do
canal p na Figura 6.22,assim como do nível de dopagem da base. Em raros casos,r~
pode ser tão alto quanto 1.000Q. Tipicamente, seu valor está na faixa de 50a 150Q. Os
efeitos de r~ são importantes em circuitosde alta freqüência.Em baixas freqüências,
r~ geralmente apresenta um pequeno efeito.Por essa razão, ignoramos os efeitosde
rbaté os últimos capítulos.
CAMADA DE
DEPLEÇÃO DO
EMISSOR
CAMADA DE
CANALp DEPLEÇÃODO
~ / COLETOR
Bl-----------+ -----------+ -----------
VER
+
; ELÉTRONS
~DA BASE
+
VCB
Figura6.22 A resistência de espalhamento da base.
6.17 o MODELODEEBERS-MOLL
Para se lembrar das principais idéias sobre o funcionamento do transistor, observe o
circuito equivalente da Figura 6.23a,mostrado para a corrente convencional. A tensão
VBEé maior que 0,7V aproximadamente, e o emissor injeta elétrons na base. Conforme
mencionado antes, a corrente no diodo emissor controla a corrente do coletor. Por essa
razão, a fonte de corrente do coletor força uma corrente de aclEa circular no circuito do
coletor. O circuito equivalente da Figura 6.23asupõe que VCEé maior que um volt ou
~
Cap.6 Transistores bipolares 231
mais, mas menor que a tensão de ruptura. Em outras palavras, o circuito equivalente
supõe que o transistor opera na região ativa. A tensão internaV~E difere da tensão
aplicada VBEpela queda em r~:
, ,
VBE = VBE+ IBrb
Quando a queda IB r ~ for pequena, VBEé aproximadamente igual a V~E'
.j-
IC =arrIE--
+
VBE
.t
+
V'BE
.t
+
VCE c:>
(a)
"'Ir---.
"'Ir--
'f' IB"'---
13eeO-
VB~~ !Ir
- ~ <e---
- 13ee
+
VB~t:IE
I
(b) (c)
~, Figura6.23 (a) O circuito equivalente para o transistor; (b) o modelo de Ebers-Moll; (c) o
modelo para o fluxo de elétrons.
A Figura 6.23bmostra um modo comum de desenhar o circuito equivalente
de um transistor. Ele é usado em uma análise com corrente convencional. Se você
preferir o fluxo de elétrons, use o circuito equivalente da Figura 6.23c.Esse circuito
equivalente de um transistor, com um diodo em série com uma fonte de corrente, é
chamadomodelodeEbers-Moll.Na utilização do modelo de Ebers-Moll,geralmente é
usada a aproximação como segue:
1. Use VBE igual a 0,7 V para os transistores de silício (0,3 V para os
transistores de germânio).
232 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.6
2. Despreze a queda lB rb (isso equivale a considerar o produto de lB e rb
como sendo desprezivelmente pequeno).
Considere Ic como sendo igual a lE,porque Ct.ccé aproximadamente igual
à unidade.
3.
4. Use lBcomo sendo aproximadamente igual a lE/~cc,porque Ic é aproxi-
madamente igual alE.
6.18 EXEMPLODATERCEIRAAPROXIMAÇÃO
As resistências de corpo são incluídas na terceira aproximação. Para obter os valores
dessas resistências de corpo, você deve consultar a folha de dados para o transistor em
particular. Por exemplo, a folha de dados do 2N3904 mostra um gráfico idêntico ao da
Figura 6.24. O gráfico que desejamos é o do meio, porque as duas curvas em linhas
tracejadas são para a região de saturação. A curva do meio é para a região ativa. Para
calcular a resistência de corpo, leia os valores de tensão e de corrente para o ponto mais
alto mostrado: 1V e 200 mA. Agora, calcule a resistência de corpo como segue:
1 V - 0,7 V = 1,5QrB(emis)= 200 mA
1V
~
/,
/
/ '
'"
'" ..-.-
;
""~ V~ ~@ VcE=1,0-- VBE
0,56 V
I
I
I
I
I
/
VCE(sat)@ Ic/IB =10 '" '"
",,;
o 10 200 mA
CORRENTEDO COLETaR
Figura6.24 As curvas do transistor.
u
...
Cap.6 Transistores bipolares 233
A curva mais baixa da Figura 6.24 pode ser usada para calcular a resistência
de corpo do coletor. Conforme discutido anteriormente, só necessitamos dessa resis-
tência de corpo quando o transistor opera na região de saturação. Portanto, não
precisamos calcular a resistência de corpo do coletor para esse exemplo, mas aqui está
um modo de fazê-Io. Leia a tensão e a corrente para o ponto mais alto: 0,56Ve 200mA.
Depois, calcule como segue:
0,56V = 2,8 QrB(col)= 200 mA
Por causa das tolerâncias de fabricação, as curvas da Figura 6.24 se aplicam
apenas aos transistores típicos da série 2N3904. Além disso, as resistências de corpo
também dependem de um ponto particular que você esteja lendo. Usamos os pontos
mais altos das curvas porque são pontos convenientes bem abaixo do joelho do diodo.
Portanto, os valores obtidos para as resistênciasde corpo não são exatos. São valores
apenas estimados. Mas são suficientes porque têm apenas um ligeiro efeito sobre as
correntes e as tensões do circuito.
Como o transistor está operando na região de ruptura, apenas a resistência de
corpo do emissor tem efeito sobre as correntes e tensões. A tensão na resistência de
corpo do emissor deve ser somada com a barreira de potencial, como segue:
VBE = 0,7 V + IE rE(emis) (6.14)
':>
Como a tensão adicional é geralmente pequena se comparada com 0,7 V, um valor
estimado para a resistência de corpo do emissor é sempre adequado com esse cálculo.
Veja aqui como melhorar suas respostas. Calcule VBEcom a Equação (6.14).
Depois, use esse valor na Equação (6.5) para obter um valor mais preciso para a
corrente da base. Então, continue com as equações (6.3)e (6.6)para obter a tensão entre
o coletor e o emissor. A resposta obtida é bem precisa.
Na maioria das vezes, não há melhorias com o uso da terceira aproximação
para uma análise de circuito com transistor. Por quê? Porque a corrente do coletor é
geralmente pequena. E uma pequena corrente de coletor significa que aparece apenas
uma pequena tensão na resistência de corpo do emissor. Como uma regra prática, se a
tensão adicional for de pelo menos 0,1 V, não ficará pior com o uso da terceira
aproximação. Em símbolos, use a terceira aproximação apenas quando
IE rE(emis) > 0,1 V
234 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.6
Em resumo, quando VBBfor maior que 14V,o transistor ideal será adequado
para quase todos os tipos de trabalho. Quando VBBfor menor que 14 V, a segunda
aproximação pode ser usada se sua precisão for de pelo 5%.Se a corrente do coletor for
alta, verifique o valor de IErB(emis)para ver se ele é maior que 0,1V.Em caso afirmativo,
você deve usar a terceira aproximação.
6.19 ACONEXÃOEMBASECOMUM
Polarize o diodo emissor diretamente e o diodo coletor reversamente, e o inesperado
acontece. Na Figura 6.25a, esperamos uma alta corrente no emissor, porque o diodo
emissor está diretamente polarizado. Mas não esperamos uma alta corrente no coletor
porque o diodo coletor está reversamente polarizado. Entretanto, a corrente do coletor
é quase tão alta quanto a do emissor.
Aqui está uma breve explicação de por que obtemos uma corrente alta no
coletor na Figura 6.25a.No instante que a polarização diretk é aplicada no diodo
emissor, os elétrons no emissor ainda não entraram na região da base (veja a Figura
6.25b).Se VBEfor maior que a barreira de potencial (0,6 a 0,7 V para os transistores de
silício), poucos elétrons entram na região da base, conforme mostrado na Figura 6.25c.
Esses elétrons na base podem circular em duas direções: para baixo pela região fina da
base dentro do terminal externo da base ou através da junção do coletor, dentro da
região do coletor. A componente que desce da base é chamada correntederecombinação.
Ela é pequena porque a base é fracamente dopada, com apenas algumas lacunas.
Uma segunda idéia importante é que a base é muito estreita. Na Figura 6.25c,
a base está repleta de elétrons injetados na banda de condução, provocando uma
difusão dentro da camada de depleção do coletor. Uma vez dentro dessa camada, os
elétrons livres são empurrados pelo campo da camada de depleção para dentro da
região do coletor (veja a Figura 6.25d).Esses elétrons no coletor podem então circular
pelo terminal externo do coletor, conforme mostrado.
Eis um quadro final do que está acontecendo. Na Figura 6.25d,visualizamos
uma grande quantidade de elétrons saindo do terminal negativo da fonte e entrando
na região do emissor. Abase, estreita e levemente dopada, dá à maioria desses elétrons
vida média suficiente para que se difundam para a camada de depleção do coletor. O
campo na camada de depleção força essa grande quantidade de elétrons para a região
do coletor. Esses elétrons saem do coletor, entram no terminal externo do mesmo e
circulam pelo terminal positivo da fonte de tensão. Em quase todos os transistores,
mais de 95%dos elétrons injetados no emissor circulam para o coletor; menos de 5%se
recombinam com as lacunas da base e circulam pelo terminal externo da base.
C
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236 Eletrônica - 4gEdição - Volume 1
- - -
Cap.6
- - - -APOIOAOSEStUDOS
RESUMO
Seção6.1 OTransistorNão-polarizado
Um transistor tem três regiões dopadas:
um emissor, uma base e um coletor.
Existe uma região pn entre a base e o
emissor. Essa parte do transistor é cha-
mada de diodo emissor. Existe uma
outra junção pn entre a base e o coletor.
Essa parte é chamada de diodo coletar.
Seção 6.2 OTransistorPolarizado
Para uma operação normal, você polari-
za o diodo emissor diretamente e o dio-
do coletor reversamente. Sob essas
condições, o emissor injeta elétrons li-
vres na base. A maioria desses elétrons
livres passa da base para o coletor. Por
isso, a corrente do coletor é aproxi-
madamente igual à corrente do emissor.
A corrente da base émuito menor, tipica-
mente menor que 5% da corrente do
emissor.
Seção 6.3 AsCorrentesnoTransistor
A razão da corrente do coletor pela cor-
rente da base é chamada de ganho de
corrente, simbolizada por I3ccou hFE.
Para os transistores de potência, esse va-
lor é tipicamente de 100a 300.A corrente
.do emissor é a maior das três correntes, a
do coletor é quase igual à corrente do
emissor e a corrente da base é muito
menor.
Seção 6.4AConexãoEC
o emissor é aterrado ou posto em
comum num circuito em Ec. A parte
base-emissor de um transistor age
aproximadamente como um diodo
comum. A parte base-coletor age como
uma fonte de corrente. O transistor tem
uma região ativa, uma região de satura-
ção, uma região de corte e uma região de
ruptura. A região ativa é usada nos
amplificadores lineares. A saturação e o
corte são usados nos circuitos digitais.
Seção 6.5 A Curvada Base
O gráficoda correnteda base versusten-
são base-emissor tem a mesma aparên-
cia do gráfico de um diodo comum. Na
maioria das vezes, a aproximação ideal e
a segunda aproximação são suficientes.
Seção 6.6 AsCurvasdoColetor
As quatro regiões de operação distintas
de um transistor são a região ativa, a
região de saturação, a região de corte e a
região de ruptura. Quando usado como
amplificador, ele opera na região ativa.
Quando usado em circuitos digitais, ele
opera nas regiões de saturação e corte. A
região de ruptura é geralmente evitada
porque o transistor corre um risco muito
alto de ser danificado.
Seção 6.7 AsAproximaçõesdoTransistor
Respostas exatas são perdas de tempo na
maioria dos trabalhos em eletrônica. A
\
-!-
Cap.6 Transistores bipolares 237
r
maioria das pessoas usa as aproxi-
mações porque as respostas são adequa-
das para a maioria das aplicações. O
transistor ideal é usado para uma veri-
ficação de defeitos inicial. A terceira
aproximação é necessária para projetos
precisos. A segunda aproximação satis-
faz uma verificação tanto de defeitos
quanto de projetos.
.;-
Seção 6.8 A Interpretação das Folhas de
Dados doTransistor
j.
Os transistores têm valores nominais
máximos para tensões, correntes e po-
tências. Os transistores de pequeno sinal
podem dissipar no máximo até meio
watt. Os transistores de potência dissi-
pam mais de meio watt. A temperatura
pode mudar os valores das caracte-
rísticas do transistor. Apotência máxima
diminui com o aumento da temperatura.
Além disso, o ganho de corrente varia
muito com a temperatura.
Seção 6.9 Verificação de Defeitos
Quando ocorre um