etec lauro gomes
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ETEC LAURO GOMES CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL “LAURO GOMES” APOSTILA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA AN1 – 1ª SÉRIE DE ELETRÔNICA – PERÍODO NOTURNO PROFº GIUSEPPE GIOVANNI MASSIMO GOZZI SÃO BERNARDO DO CAMPO 2013 0 ETEC LAURO GOMES SUMÁRIO TEORIA DOS SEMICONDUTORES ......................................................................................................... Semicondutor puro ..................................................................................................................................... Dopagem ........................................................................................................................................ ........... Semicondutor tipo P ...................................................................................................................... Semicondutor tipo N ...................................................................................................................... EXPERIÊNCIA Nº 01 ................................................................................................................................. 02 02 03 04 05 06 DIODO RETIFICADOR DE SILÍCIO .......................................................................................................... Circuitos de polarização do diodo .............................................................................................................. Polarização direta .......................................................................................................................... Polarização reversa ....................................................................................................................... Curva característica ................................................................................................................................... Modelos de trabalho .................................................................................................................................. Especificações do diodo semicondutor ...................................................................................................... EXPERIÊNCIA Nº 02 ................................................................................................................................. EXERCÍCIOS ............................................................................................................................................. 09 10 10 12 14 14 15 16 18 CIRCUITOS COM DIODOS ....................................................................................................................... 27 Sinais elétricos alternados ......................................................................................................................... 27 EXPERIÊNCIA Nº 03 ................................................................................................................................. 29 Circuitos ceifadores .................................................................................................................................... 31 Circuitos retificadores ................................................................................................................................. 32 Circuito retificador de meia onda ................................................................................................... 32 Circuito retificador de onda completa com center tap ................................................................... 34 Circuito retificador de onda completa tipo ponte ........................................................................... 37 EXPERIÊNCIA Nº 04................................................................................................................................... 39 EXERCÍCIOS ............................................................................................................................................. 43 EXPERIÊNCIA Nº05: EB 111............................................................................................................57 LED ............................................................................................................................................................ 70 EXPERIÊNCIA Nº 06 ................................................................................................................................. 73 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................................. 75 1 ETEC LAURO GOMES TEORIA DOS SEMICONDUTORES SEMICONDUTOR PURO (INTRÍNSECO) O diodo é um dispositivo bastante utilizado na Eletrônica, com diversas aplicações. Ele é constituído de um elemento chamado semicondutor. Um elemento semicondutor puro é aquele que, à temperatura ambiente, possui um comportamento elétrico classificado entre o condutor e o isolante. Dentre os materiais semicondutores, os mais comuns são o Silício e o Germânio, sendo que vamos destacar o primeiro. O Silício é um elemento cujo átomo possui quatro elétrons em sua última órbita, a camada de valência. DEVEMOS NOS LEMBRAR DE QUE NUM ÁTOMO, A QUANTIDADE DE CARGAS POSITIVAS (PRÓTONS) É IGUAL À QUANTIDADE DE CARGAS NEGATIVAS (ELÉTRONS): SENDO ASSIM, TODO ÁTOMO É ELETRICAMENTE NEUTRO! FIGURA 01: ÁTOMO TETRAVALENTE Os átomos de Silício podem se combinar de maneira a formar uma estrutura cristalina. Desta forma, os átomos terão oito elétrons na última camada, graças às ligações covalentes: Como pode se notar, os elétrons na estrutura cristalina estão fortemente combinados; então, torna-se difícil a condução da eletricidade. Porém, com uma energia adicional externa, alguns elétrons podem se desprender das ligações químicas; quando isto acontece, temos um par de portadores de cargas elétricas, o par elétron-lacuna. FIGURA 02: LIGAÇÃO COVALENTE SEM A PRESENÇA DO ELÉTRON, TEMOS UM PRÓTON CUJA CARGA NÃO FICA ANULADA, COMO ACONTECE COM OS OUTROS TRÊS. DEVIDO A ESTE FATO, É PRÁTICA COMUM ASSOCIAR À LACUNA A CARGA POSITIVA DO PRÓTON EXCEDENTE; PORTANTO, VAMOS CONSIDERAR QUE A LACUNA POSSUI CARGA POSITIVA. FIGURA 03: GERAÇÃO DE UMA LACUNA 2 ETEC LAURO GOMES Mas, devido a pouca quantidade de portadores de cargas, o material não é um bom elemento condutor de eletricidade: Ocasionalmente, um elétron pode preencher uma lacuna; a isto chamamos de recombinação. Apesar desta estar constantemente acontecendo, os pares de portadores de carga não deixam de existir, pois a temperatura ambiente é suficiente para produzir novas lacunas. FIGURA 04: CRISTAL PURO Porém, ao se adicionar energia (na forma de calor, por exemplo) as moléculas do cristal irão vibrar. Esta vibração quebra algumas ligações covalentes, formando mais portadores de carga elétrica. A CONDUÇÃO ELÉTRICA DE UM CRISTAL SEMICONDUTOR PURO DEPENDE DA TEMPERATURA! FIGURA 05: CONDUÇÃO ATRAVÉS DA TEMPERATURA DOPAGEM (SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS) Quando se confecciona um diodo, a primeira coisa a ser feita é submeter o cristal de Silício a um aquecimento bem elevado, de forma a obter um cristal completamente puro. Depois, os cristais são cortados em tiras em forma de disco: Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA – São Paulo, Abril, 1976. V.6 pág. 1365 Na figura ao lado podemos observar, no interior de um tubo de quartzo, discos de Silício completamente puros. Porém,o cristal puro não possui boa condutividade, pois a quantidade de cargas elétricas livres, na temperatura ambiente, é pequena. Para aumentarmos a quantidade de cargas elétricas livres, é necessário adicionar ao cristal puro elementos que causem o desequilíbrio entre cargas elétricas (ou o cristal possui um excesso de cargas Positivas ou um excesso de cargas Negativas). Estes elementos são chamados de impurezas, e elas podem ser trivalentes (três elétrons na última camada), como por exemplo o Alumínio, o Boro, o Gálio ou o Índio, ou pentavalentes (cinco elétrons na última camada), como por exemplo, o Antimônio, o Arsênio ou o Fósforo. O processo de adição de impurezas é chamado de dopagem. Dopando-se o cristal semicondutor puro FIGURA 06: DISCOS DE SILÍCIO FIGURA 06: PROCESSO DE DOPAGEM chamado de dopagem. Dopando-se o cristal semicondutor puro com impurezas trivalentes, obtém-se o semicondutor tipo P; com impurezas pentavalentes, teremos o semicondutor tipo N. Num cristal dopado, as cargas elétricas em maior número são chamadas de majoritárias; as que estão em menor número são as minoritárias. 3 ETEC LAURO GOMES Semicondutor Tipo P Como exemplo, vamos utilizar o Alumínio: FIGURA 07: ÁTOMO DE ALUMÍNIO Se substituirmos um dos átomos de Silício por um de Alumínio, os seus três elétrons farão parte da ligação covalente. Mas, como se pode notar na figura, estará sobrando uma lacuna. Esta lacuna poderá ser preenchida por um elétron de um átomo vizinho, como mostrado abaixo: DESTA FORMA, O ÁTOMO DE ALUMÍNIO FICARÁ ELETRICAMENTE NEGATIVO, JÁ QUE POSSUIRÁ UM ELÉTRON A MAIS. PORÉM, ESTA CARGA NEGATIVA ESTÁ COMBINADA COM O NÚCLEO, NÃO SENDO ADEQUADA PARA A CONDUÇÃO. POR OUTRO LADO, SEMPRE EXISTIRÁ UMA LACUNA A MAIS, QUE SERÁ A NOSSA CARGA ELÉTRICA LIVRE (ADEQUADA PARA CONDUÇÃO)! FIGURA 08: LIGAÇÃO COVALENTE EM UM ÁTOMO TRIVALENTE Então, teremos o semicondutor tipo P, onde os portadores de carga que determinam a condução elétrica (os majoritários) são as lacunas. PARA DIFERENCIARMOS MELHOR OS TIPOS DE SEMICONDUTORES, O TIPO P SERÁ REPRESENTADO POR UM MATERIAL AZUL (QUE REPRESENTA OS ÁTOMOS DE ALUMÍNIO NEGATIVOS) COM ESFERAS VERMELHAS (LACUNAS, QUE ASSOCIADAS AOS PRÓTONS SÃO POSITIVAS)! FIGURA 09: SEMICONDUTOR TIPO P Apesar de não estar representado na figura acima, no semicondutor tipo P temos também elétrons livres, porém estes estão em menor número (minoritárias). 4 ETEC LAURO GOMES Semicondutor Tipo N Como exemplo, vamos utilizar o Antimônio: FIGURA 10: ÁTOMO DE ANTIMÔNIO Se substituirmos um dos átomos de Silício por um de Antimônio, quatro de seus elétrons farão parte da ligação covalente. Mas, como se pode notar na figura, fica sobrando um elétron, que não se combina com nenhum outro. Sendo assim, fica fácil para este escapar de sua órbita, tornando-se um elétron livre. DESTA FORMA, O ÁTOMO DE ANTIMÔNIO FICA ELETRICAMENTE POSITIVO, JÁ QUE POSSUI UM ELÉTRON A MENOS. PORÉM, ESTA CARGA POSITIVA ESTÁ COMBINADA COM O NÚCLEO, NÃO SENDO ADEQUADA PARA A CONDUÇÃO. POR OUTRO LADO, SEMPRE TEREMOS UM ELÉTRON A MAIS, QUE SERÁ A NOSSA CARGA ELÉTRICA LIVRE (ADEQUADA PARA CONDUÇÃO)! FIGURA 11: LIGAÇÃO COVALENTE COM UM ÁTOMO PENTAVALENTE Então, teremos o semicondutor tipo N, onde os portadores de carga que determinam a condução elétrica (os majoritários) são os elétrons. PARA DIFERENCIARMOS MELHOR OS TIPOS DE SEMICONDUTORES, O TIPO N SERÁ REPRESENTADO POR UM MATERIAL CUJA SUPERFÍCIE É VERMELHA (QUE REPRESENTA OS ÁTOMOS DE ANTIMÔNIO POSITIVOS) COM ESFERAS AZUIS (ELÉTRONS LIVRES, QUE SÃO CARGAS NEGATIVAS)! FIGURA 12: SEMICONDUTOR TIPO N Apesar de não estar representado na figura acima, no semicondutor tipo N temos também lacunas, porém estas estão em menor número (minoritárias). 5 ETEC LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 1: UTILIZAÇÃO DO OSCILOSCÓPIO OBJETIVO: Identificar e praticar com o osciloscópio, conhecendo seus controles e compreendendo suas funções. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Osciloscópio com duas pontas de prova PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1ª PARTE: Conhecendo o osciloscópio 1. Localize a parte frontal do osciloscópio; 2. Antes de ligar o instrumento, certifique-se que os controles e chaves abaixo relacionados estejam conforme tabela a seguir: TABELA 01: POSICIONAMENTO DE CHAVES E CONTROLES ITEM POWER INTEN FOCUS VERT MODE POSITION VOLTS/DIV VARIABLE AC-DC-GND SOURCE COUPLING SLOPE TRIG ALT LEVEL LOCK HOLDOFF TRIGGER MODE TIME/DIV POSITION SWP.UNCAL CHOP CH2 INV X-Y X10 MAG AJUSTE POSIÇÃO OFF GIRAR NO SENTIDO HORÁRIO (POSIÇÃO 3 hs) METADE DO CURSO CH1 POSIÇÃO CENTRAL 0.5 V / DIV CAL (GIRANDO NO SENTIDO HORÁRIO) GND SELECIONADO PARA CH1 AC + LIBERADO PRESSIONADO MIN (GIRANDO NO SENTIDO ANTI-HORÁRIO) AUTO 0,5 ms / DIV METADE DO CURSO LIBERADO LIBERADO LIBERADO LIBERADO LIBERADO 3. Através do botão de força principal do instrumento (POWER), ligue o osciloscópio. Descreva o que acontece. 4. Verifique e anote o que acontece ao acionarmos os seguintes controles do osciloscópio: 4.1. INTEN; 4.3. TRACE ROTATION; 4.5. VERT MODE; 4.5.a. CH1; 4.5.b. CH2; 4.5.c.DUAL 4.2. FOCUS; 4.4. AC-DC-GND; 4.6. POSITION 4.7. TIME/DIV 6 ETEC LAURO GOMES 2ª PARTE: Calibrando o osciloscópio 1. Depois de posicionar os controles e chaves de acordo com a tabela 01, deverá aparecer um traço na tela reticulada cerca de 20 segundos depois de pressionado o botão POWER; se nenhum traço aparecer, mesmo após cerca de 1 minuto, repita todo o procedimento de ajustes da tabela 01; 2. Regula o traço para um brilho apropriado e para uma imagem bem nítida. Que controles devem ser utilizados para esse fim? 3. Verifique se o traço esteja alinhado com a linha horizontal central do reticulado Que controles devem ser utilizados para esse fim? 4. Conecte o terminal BNC da ponta de prova ao terminal de entrada INPUT de CH1 e aplique na outra extremidade (a ponta de prova propriamente dita, visível ao se retrair a capa protetora, conhecida como “ chapéu de bruxa ” ) da ponta, ajustada em 1:1, o sinal de 2,0 Vpp proveniente do CALIBRATOR. RESPONDA: O que é um sinal Vpp? 5. Coloque o botão AC - GND – DC na posição AC (Responda o porquê disso). Anote a forma de onda na figura abaixo: 6. Ajuste o controle FOCUS até obter um traço bem nítido. 7. Ajuste os controles POSITION e POSITION em posições adequadas, tais que, a forma de onda mostrada na tela fique alinhada com o reticulado, para que a tensão e o período possam ser lidos como desejado. (RESPONDA: O que é período? E freqüência?) _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 7 ETEC LAURO GOMES 8. Para visualização de sinais, ajuste os controles VOLTS/DIV e TIME/DIV nas posições conforme tabela a seguir, tais que, a forma de onda do sinal seja apresentada na tela com uma amplitude apropriada e um número conveniente de picos: VOLTS/DIV Nº DE DIVISÕES VERTICAIS AMPLITUDE TENSÃO Vpp TIME/DIV 1ª 0,5V/DIV 0,2ms/DIV 2ª 1V/DIV 0,5ms/DIV 3ª 2V/DIV 1ms/DIV 4ª 5V/DIV 2ms/DIV RESPONDA: Nº DE DIVISÕES HORIZONTAIS VALOR DO PERÍODO VALOR DA FREQÜÊNCIA Como se calculam a AMPLITUDE, a tensão VPP, o PERÍODO e a FREQÜÊNCIA? Qual ou quais são as melhores escalas para a medida a ser efetuada? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 9. Para cada uma das medidas efetuadas, desenhe a forma de onda: 1ª 2ª 3ª 4ª 8 ETEC LAURO GOMES DIODO RETIFICADOR DE SILÍCIO Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA – São Paulo, Abril, 1976. V.6 pág. 1365 O diodo retificador de Silício é um dispositivo formado pela união física dos semicondutores tipo P e N. Esta união é mais conhecida como Junção PN. NA FIGURA AO LADO, TEMOS UMA VISTA EM CORTE DE UMA JUNÇAO PN FORMADA POR UM FIO DE OURO DOPADO COM GÁLIO (ELEMENTO TRIVALENTE) E A SUPERFÍCIE DE UMA PASTILHA SEMICONDUTORA. FIGURA 13 : JUNÇÃO PN REAL Basicamente temos então um disco de Silício puro, onde de um lado ele está dopado com impurezas trivalentes, e do outro, com impurezas pentavalentes : TIPO P TIPO N TEMOS ENTÃO UM CRISTAL DE SILÍCIO PURO (AMARELO) DOPADO COM IMPUREZAS TRIVALENTES (LADO ESQUERDO) E COM IMPUREZAS PENTAVALENTES (LADO DIREITO), FORMANDO O DIODO. FIGURA 14: REPRESENTAÇÃO ILUSTRATIVA DA JUNÇÃO PN As cargas elétricas, tanto no lado P como no N, estão em movimento, fora o fato da repulsão existente entre cargas elétricas de mesmo sinal. Sendo assim, algumas cargas do lado P migram para o meio, acontecendo a mesma coisa para as cargas do lado N. Os elétrons que migraram para o meio deixaram no lado N íons positivos, assim como as lacunas que “migraram” também para o meio deixaram íons negativos no lado P. Formase então uma região ionizada, que impede outras cargas de migrarem. Esta região ionizada é chamada de barreira de potencial, possuindo um valor que, no Silício, é de aproximadamente 0,7 V. Esta região ionizada também é conhecida como camada de depleção. A FIGURA AO LADO REPRESENTA COMO É INTERNAMENTE UM DIODO DE SILÍCIO. FIGURA 15: DIODO SEMICONDUTOR – CAMADA DE DEPLEÇÃO No lado P, coloca-se um terminal denominado ANODO (A) e no lado N, coloca-se um terminal denominado CATODO (K). A seguir, pode-se observar o desenho esquemático de um diodo: 9 ETEC LAURO GOMES 41 NA FIGURA ACIMA, TEMOS O DESENHO ESQUEMÁTICO DO DIODO. NA FIGURA AO LADO, TEMOS VÁRIOS TIPOS DE DIODOS SEMICONDUTORES. Fonte: Enciclopédia de Ciência e Técnica COMO FUNCIONA – São Paulo, Abril, 1976. V.2 pág. 436 FIGURA 16: DIODO SEMICONDUTOR CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO DO DIODO Polarização direta: Para que o diodo possa conduzir, é necessário polarizá-lo diretamente, ou seja, conectá-lo a um circuito da seguinte maneira: OBSERVE QUE O POTENCIAL MAIOR DA TENSÃO ELÉTRICA SOBRE O DIODO ESTÁ NO ANODO (A), ENQUANTO QUE O POTENCIAL MENOR DA MESMA ESTÁ DO CATODO (K); NESTAS CONDIÇÕES, O DIODO CONDUZ! Ve 0,7 V FIGURA 17: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DIRETA DE UM DIODO Como o potencial maior (+) estará no lado P, as cargas positivas serão repelidas, tendendo a migrar para o outro lado; da mesma maneira, as cargas negativas do lado N serão repelidas pelo potencial menor (-), também tendendo a migrar para o outro lado. O que acaba acontecendo é que todo o dispositivo ficará com excesso de cargas livres (que é a característica elétrica de um condutor). Então, o diodo “torna-se” um elemento condutor de eletricidade. Se cessarmos o fornecimento de energia elétrica para o diodo, ele voltará ao seu normal: FIGURA 18: COMPORTAMENTO DO DIODO NA POLARIZAÇÃO DIRETA 10 ETEC LAURO GOMES O valor da corrente que atravessa o diodo é calculado da seguinte maneira: ID VRs Ve VD , Rs Rs sendo VD 0,7V Podemos representar o diodo polarizado de forma direta graficamente: O DIODO NÃO É UM COMPONENETE LINEAR; SUA RESISTÊNCIA POSSUI VALORES DIFERENTES EM CADA PONTO DO GRÁFICO. ISTO ACONTECE DEVIDO À SUA PRÓPRIA CONSTITUIÇÃO. FIGURA 19: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA CONDUÇÃO DE UM DIODO Existe a possibilidade de determinar os valores de VD e ID, em um circuito de polarização direta, através do gráfico. Este método consiste em encontrar o ponto de trabalho do diodo no circuito em questão: (1o) PASSO: Analisar o circuito sem o diodo em dois casos extremos – circuito aberto e curto circuito, para obtermos a reta de carga: Primeiro ponto da reta de carga: Tensão máxima = Tensão da fonte Ve FIGURA 20 : CIRCUITO ABERTO : 1º PONTO DO GRÁFICO - TENSÃO DA FONTE Segundo ponto da reta de carga: Corrente máxima (corrente de curto circuito) Im áx Ve Rs FIGURA 21: CIRCUITO “FECHADO”: 2º PONTO DO GRÁFICO - CORRENTE MÁXIMA 11 ETEC LAURO GOMES (2o) PASSO: Com os dois pontos principais já encontrados, traça-se a reta de carga no gráfico da curva característica do diodo; onde a reta de carga encontrar a curva característica (ponto de interseção) temos o ponto de trabalho do diodo no circuito: O PONTO DE TRABALHO TAMBÉM É CONHECIDO POR PONTO QUIESCENTE (PONTO Q). FIGURA 22: PONTO QUIESCENTE (3o) PASSO: Através do ponto Q, traçam-se retas paralelas aos eixos x e y, obtendo-se os valores de tensão (VD) e corrente (ID) do diodo no circuito: FIGURA 23: VALORES QUIESCENTES DE TENSÃO E CORRENTE Polarização reversa: Se ligarmos o diodo a um circuito da maneira mostrada abaixo, o diodo passará a ter um comportamento elétrico semelhante a um isolante: OBSERVE QUE O POTENCIAL MAIOR DA TENSÃO ELÉTRICA SOBRE O DIODO ESTÁ NO CATODO (K), ENQUANTO QUE O POTENCIAL MENOR DA MESMA ESTÁ DO ANODO (A); NESTAS CONDIÇÕES, O DIODO NÃO CONDUZ! FIGURA 24: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO REVERSA DE UM DIODO 12 ETEC LAURO GOMES Internamente no diodo, ocorre o seguinte: Como o potencial maior (+) estará no lado N, as cargas negativas serão atraídas, tendendo a migrar para a extremidade; da mesma maneira, as cargas positivas do lado P serão atraídas pelo potencial menor (-), também tendendo a migrar para a outra extremidade. O que acontece é que a barreira de potencial acaba aumentando, dificultando a passagem da corrente elétrica (que é a característica elétrica de um isolante). Então, o diodo “torna-se” um elemento isolante. FIGURA 25: DIODO POLARIZADO REVERSAMENTE Podemos representar o diodo polarizado de forma reversa graficamente: COMO PODEMOS NOTAR, A CORRENTE NA REGIÃO REVERSA, EMBORA MUITO PEQUENA, NA REALIDADE EXISTE. ESTA CORRENTE É CHAMADA DE CORRENTE REVERSA (IR). FIGURA 26: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA POLARIZAÇÃO REVERSA Uma parcela desta corrente é chamada de corrente de saturação (IS), que existe por causa dos portadores minoritários existentes no dois lados da junção (produzidos continuamente devido à energia térmica aplicada ao diodo). Esta parcela depende única e exclusivamente da temperatura, ou seja, mesmo se aumentarmos a tensão aplicada reversamente ao diodo, não haverá aumento de corrente de fuga. É regra comum adotarmos que a corrente de fuga de um diodo de Silício dobra de valor a cada aumento de temperatura correspondente a 10oC. Outra parcela da corrente reversa é a corrente de fuga superficial (IFS), uma corrente formada por impurezas da superfície do diodo, que criam caminhos para a corrente percorrer. Esta parcela depende da tensão aplicada ao diodo. Algo a ser notado no gráfico é um ponto máximo de tensão. Este ponto é chamado de tensão de ruptura (VR), e como o próprio nome diz, se a tensão aplicada ao diodo ultrapassar este valor, ele se danificará. Isto acontece porque se aplicando a polarização reversa ao diodo, elétrons livres são deslocados a ponto de se chocarem com outros elétrons, tornando-os livres também; estes, agora livres, podem se chocar com outros e assim sucessivamente, criando um efeito cascata chamado de efeito avalanche. Por causa da grande quantidade de elétrons livres, o diodo se rompe devido à potência dissipada, muito maior do que ele pode suportar. FIGURA 27: TENSÃO DE RUPTURA 13 ETEC LAURO GOMES CURVA CARACTERÍSTICA Com os gráficos da polarização direta e da reversa, temos a curva característica do diodo: FIGURA 28: CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO SEMICONDUTOR Como neste caso estamos utilizando diodos retificadores, só nos interessa a parte da região direta. Como se pode notar pela curva característica, os valores de VD e IR são muito pequenos, porém, há casos em que estes valores não podem ser desprezados. Surge então a necessidade de utilizar circuitos equivalentes ao diodo. São três os circuitos mais utilizados: MODELOS DE TRABALHO: o 1 MODELO: O DIODO COMO CHAVE Neste caso, o diodo se comporta como uma chave que abre na polarização reversa e fecha na direta: ESTE MODELO É CONHECIDO COMO DIODO IDEAL. FIGURA 29: 1º MODELO DE TRABALHO DO DIODO 14 ETEC LAURO GOMES o 2 MODELO: O DIODO COM TENSÃO VD Neste caso, temos o diodo sendo representado com uma chave que liga e desliga, de acordo com a polarização, em série com uma fonte de tensão que representa a barreira de potencial: ESTE É O MODELO MAIS UTILIZADO NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS. FIGURA 30: 2º MODELO DE TRABALHO DO DIODO o 3 MODELO: O DIODO COM TENSÃO VD E RESISTÊNCIA RD Neste caso, o diodo é representado com uma chave liga e desliga em série com a fonte VD e em série com uma resistência RD, que representa sua resistência na polarização direta: ESTE É O MODELO MAIS PRÓXIMO DO DIODO REAL. É CONHECIDO COMO MODELO LINEAR. FIGURA 31: 3º MODELO DE TRABALHO DO DIODO ESPECIFICAÇÕES DO DIODO SEMICONDUTOR: 1. O DIODO SÓ CONDUZ NUMA POLARIZAÇÃO DIRETA SE A TENSÃO APLICADA SOBRE O MESMO NÃO FOR INFERIOR Ã TENSÃO DE BARREIRA; 2. NUMA POLARIZAÇÃO DIRETA, O DIODO SUPORTA UMA CORRENTE MÁXIMA DIRETA (Idmáx); POR CONSEGUINTE, SUPORTA UMA POTÊNCIA MÁXIMA (Pdmáx). Pdmáx = VD x IDmáx 3. NA POLARIZAÇÃO REVERSA, A TENSÃO APLICADA AO DIODO NÃO PODE SER SUPERIOR À TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRmáx OU VBr). 4. NA POLARIZAÇÃO REVERSA, EMBORA MUITO PEQUENA, HÁ A CORRENTE REVERSA (IR). 15 ETEC LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 02 : A CURVA DO DIODO OBJETIVO: Medir as tensões e correntes num diodo polarizado direta e reversamente, dando condições de se desenhar a curva característica. MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Protoboard com fonte de tensão; 02 Multímetros; 01 Diodo retificador – 1N4001; 01 Resistor de 390 ½ W 01 Resistor de 2k2 ½ W 01 Resistor de 27 k ½ W PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Monte o circuito abaixo : 2. Para cada valor de tensão da fonte listado na tabela abaixo, meça e anote a tensão e a corrente no diodo, para cada resistor: 390 Ve (V) Vd (V) Id (mA) 2k2 Vd (V) Id (mA) 390 27 k Vd (V) Id (mA) Ve (V) 0 2,5 0,2 3 0,4 3,5 0,6 4 0,8 5 1 6 1,2 7 1,4 9 1,6 10 1,8 12 2 15 Vd (V) Id (mA) 2k2 Vd (V) Id (mA) 27 k Vd (V) Id (mA) 3. Responda: A resistência direta do diodo possui uma resposta linear ? Por quê ? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 16 ETEC LAURO GOMES 4. Inverta a polaridade da fonte de tensão, montando o circuito abaixo e para cada valor de tensão da fonte listado na tabela a seguir, meça e anote a tensão e a corrente no diodo : OBS . : NESTE CASO, DEVE-SE MEDIR A TENSÃO SEPARADAMENTE DA CORRENTE, COMO MOSTRA A FIGURA : 390 Ve (V) VR (V) IR (μA) 2k2 VR (V) IR (μA) 27 k VR (V) IR (μA) 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -3 -4 -5 -7 -10 -12 -15 5. Plote os valores obtidos nas tabelas, desenhando o gráfico da curva característica do diodo. 6. Responda: 6.1. Quando um diodo age como uma resistência alta ? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 6.2. Como um diodo difere de um resistor comum ? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 17 ETEC LAURO GOMES EXERCÍCIOS 1) Um material semicondutor é aquele que: a) b) c) d) Somente se comporta como condutor; Possui oito elétrons na última camada; Só se comporta como isolante; Possui características elétricas ora condutoras, ora isolantes. 2) O que é a camada de valência? ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ 3) As lacunas: a) b) c) d) São “buracos” sem carga elétrica; Não se movem; Elas se movem e possuem carga negativa; Elas se movem e possuem carga positiva. 4) Em um cristal de semicondutor puro: a) b) c) d) Não há maneira de haver uma boa condução de eletricidade; Sempre se comportará como condutor; A condução elétrica depende da temperatura; Pode existir boa condutibilidade sem necessariamente aquecê-lo. 5) Explique o que são átomos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes. ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ 6) Por que a adição de impurezas num cristal semicondutor é necessária? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 18 ETEC LAURO GOMES 7) O semicondutor tipo P chama-se assim por que: a) b) c) d) As impurezas adicionadas possuem carga positiva; Possui um excesso de lacunas; As impurezas adicionadas possuem carga negativa; Possui um excesso de elétrons. 8) O semicondutor tipo N chama-se assim por que: a) b) c) d) As impurezas adicionadas possuem carga positiva; Possui um excesso de lacunas; As impurezas adicionadas possuem carga negativa; Possui um excesso de elétrons. 9) O que é um diodo? ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ 10) Ao se unir os cristais P e N, as cargas livres próximas à junção tendem a migrar para o outro lado. Por que o restante das cargas não faz o mesmo? ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ 11) O terminal no lado P é chamado de ANODO, assim como o terminal no lado N é chamado de CATODO. Por que esses terminais possuem esses nomes? ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ 19 ETEC LAURO GOMES PARA OS EXERCÍCIOS 12 A 19, CONSIDERE O CIRCUITO AO LADO: 12) Sabendo-se que Ve = 10 V, VD = 0,7 V e RS = 1 k, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR : Ve 0,7 V ID VD = 0,7 V VRs Ve VD Rs Rs Pdmáx = VD x IDmáx RS = 1 k, VD 0,7V Im áx Ve = 10 V ID = ???? Ve Rs RESOLUÇÃO: 13) Sabendo-se que Ve = 8 V, VD = 0,7 V e RS = 15 k, determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Ve 0,7 V ID VD = 0,7 V VRs Ve VD Rs Rs Pdmáx = VD x IDmáx RS = 15 k, VD 0,7V Im áx Ve = 8 V ID = ???? Ve Rs RESOLUÇÃO: 20 ETEC LAURO GOMES 14) Sabendo-se que Ve = 20 V, VD = 0,7 V e RS = 470 , determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : Ve 0,7 V ID VD = VRs Ve VD Rs Rs Pdmáx = VD x IDmáx RS = VD 0,7V Im áx Ve = ID = ???? Ve Rs RESOLUÇÃO: 15) Sabendo-se que Ve = 15 V, VD = 0,7 V e RS = 100 , determine o valor da corrente do diodo (ID). DADOS : Ve = FÓRMULAS : CALCULAR : ID = ???? VD = RS = RESOLUÇÃO: 21 ETEC LAURO GOMES 16) Sabendo-se que Ve = 5 V, VD = 0,7 V e PD = 7 mW, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RS = ???? RESOLUÇÃO: 17) Sabendo-se que Ve = 7 V, VD = 0,7 V e PD = 10 mW, determine o valor do resistor RS. DADOS: FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 22 ETEC LAURO GOMES 18) Sabendo-se que Ve = 3 V, VD = 0,7 V e PD = 3 mW, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 19) Sabendo-se que Ve = 12 V, VD = 0,7 V e PD = 14 mW, determine o valor do resistor RS. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 23 ETEC LAURO GOMES DADO O CIRCUITO E GRÁFICO ABAIXO, RESOLVA OS EXERCÍCIOS 20 E 21: 20) Sabendo-se que Ve = 2 V e RS = 400 , os valores de VD e ID, são, respectivamente: a) b) c) d) VD = 0,9 V e ID = 0,75 mA ; VD = 1,0 V e ID = 2,50 mA ; VD = 0,7 V e ID = 3,25 mA ; VD = 1,0 V e ID = 1,50 mA . DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 24 ETEC LAURO GOMES 21) Sabendo-se que Ve = 2 V e RS = 200 , os valores de VD e ID, são, respectivamente: a) b) c) d) VD = 0,7 V e ID = 6,50 mA; VD = 1,0 V e ID = 2,25 mA; VD = 1,2 V e ID = 4,50 mA; VD = 1,0 V e ID = 2,50 mA. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 22) O diodo não conduz na polarização reversa por que: a) b) c) d) Os portadores minoritários não permitem; A camada de depleção aumenta; A barreira de potencial diminui; O aumento de energia térmica conseqüente não permite. 23) A corrente de saturação: a) b) c) d) Depende da tensão; Depende da temperatura; Depende do tipo de impureza; Depende da resistência. 24) A corrente de fuga superficial: a) b) c) d) Depende da tensão; Depende da temperatura; Depende do tipo de impureza; Depende da resistência. 25 ETEC LAURO GOMES 25) Considerando o circuito abaixo: e sabendo-se que RS = 1k5 , RD = 15 e Ve = 30 V, determine o valor da corrente ID, o utilizando o 3 modelo de diodo. DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO: 26 ETEC LAURO GOMES CIRCUITOS COM DIODOS SINAIS ELÉTRICOS ALTERNADOS Tanto a tensão como a corrente elétrica pode ser de dois tipos: CONTÍNUA ou ALTERNADA. Uma fonte de tensão contínua é aquela cuja tensão NÃO MUDA DE SENTIDO conforme o tempo. Abaixo, na figura 32, temos um exemplo de fonte de tensão contínua e constante: PODEMOS NOTAR PELO GRÁFICO Vxt QUE A TENSÃO ELÉTRICA U NÃO VARIA CONFORME O TEMPO t. FIGURA 32: FONTE DE TENSÃO CC Exemplos de fontes de tensão contínua são as pilhas e as baterias, pois mantém sempre a mesma polaridade da tensão. As fontes de tensão ALTERNADA são chamadas assim porque a tensão alternada MUDA DE SENTIDO conforme o tempo: PODEMOS NOTAR PELO GRÁFICO Vxt QUE A TENSÃO ELÉTRICA U VARIA CONFORME O TEMPO t. TEMOS ENTÃO U(t), UMA TENSÃO EM FUNÇÃO DO TEMPO. FIGURA 33: FONTE DE TENSÃO CA Neste caso, a tensão elétrica é gerada por um fenômeno eletromagnético chamado indução eletromagnética. No exemplo acima, temos uma tensão alternada correspondente a uma função seno. Não que todas as tensões alternadas sejam assim, porém é desse tipo que vamos utilizar em nossos circuitos eletrônicos com diodos. 27 ETEC LAURO GOMES Sendo assim, vamos definir alguns valores importantes para esta função periódica: EM TENSÃO ALTERNADA, É COMUM NOS REFERIRMOS A VALOR EFICAZ, POIS É BASTANTE UTILIZADO NA PRÁTICA, ABRANGENDO NÃO SÓ CIRCUITOS ELETRÔNICOS COMO OS ELÉTRICOS E TAMBÉM AS ESPECIFICAÇÕES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS E DE APARELHOS ELETRODOMÉSTICOS. FIGURA 34: VALORES CARACTERÍSTICOS DE UM SINAL ELÉTRICO PERÍODO : É o intervalo de tempo, em segundos, que o sinal elétrico periódico necessita para completar o seu ciclo. No nosso caso, o período (T) vai, por exemplo, do começo do semiciclo positivo (t 1) até o final do semiciclo negativo (t2) : T t 2 t1 FREQÜÊNCIA: É o número de ciclos que o sinal elétrico possui em um intervalo de tempo de um segundo. A unidade desta grandeza (f) é o hertz (Hz). f 1 T VALOR MÁXIMO : É o máximo valor absoluto que o sinal elétrico pode atingir. Também chamado de VALOR DE PICO. No nosso caso, o valor de pico da tensão é Up. VALOR MÍNIMO : É o mínimo valor absoluto que o sinal elétrico pode atingir. No nosso caso, o valor mínimo da tensão é o valor de pico negativo (-Up), uma vez que o sinal elétrico é simétrico. VALOR DE PICO-A-PICO : É a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo. No nosso caso, esta diferença resultará no dobro do valor de pico (Vpp = 2Up). VALOR MÉDIO : É a média aritmética de todos os valores do sinal elétrico envolvidos em um ciclo completo. No nosso caso, como o sinal é simétrico e periódico, o valor médio (Vm) da tensão vale zero. VALOR EFICAZ : Corresponde a um valor de tensão ou corrente (abaixo do valor máximo) alternada capaz de fornecer a mesma energia (ou dissipar a mesma potência) equivalente a um valor de tensão ou corrente contínua. No nosso caso, o valor eficaz da tensão vale : Uef Up 2 28 ETEC LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 03 : UTILIZAÇÃO DO GERADOR DE ÁUDIO OBJETIVO: Identificar e praticar com o gerador de áudio, conhecendo seus controles e compreendendo suas funções. MATERIAL A SER UTILIZADO : 01 Osciloscópio com duas pontas de prova; 01 Gerador de áudio. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Localize o gerador de áudio. Descreva seus principais botões e controles: 2. Ligue o gerador de áudio e verifique com o professor a melhor posição das chaves e botões do mesmo. 3. Conecte o terminal BNC da outra ponta de prova na saída de áudio do osciloscópio. 4. Interligue os dois cabos de osciloscópio (ponta de prova com ponta de prova; garra “jacaré” com garra “jacaré”). 5. Selecione o sinal do tipo “ ~ “ do gerador de áudio. RESPONDA: Que tipo de sinal é este? 6. Coloque o botão AC – GND – DC do osciloscópio na posição AC. 7. Coloque os controles do osciloscópio VOLTS/DIV em 2V/DIV e TIME/DIV em 0,5 ms/DIV. 8. Com o ajuste de AMPLITUDE do gerador de áudio, injete no CH1 um sinal de 4V de pico a pico. Após isso, ajuste a freqüência do sinal do gerador de áudio para obter 1 kHz. Ajuste os controles POSITION e POSITION do osciloscópio em posições adequadas para que a forma de onda mostrada na tela fique alinhada com o reticulado. Desenhe a forma de onda: 29 ETEC LAURO GOMES 9. Mude o tipo de sinal para: a) triangular e b) quadrada. Desenhe as formas de onda: a) b) 10. Agora, para a tabela a seguir, você deve ajustar a melhor escala no osciloscópio para que a forma de onda do sinal seja apresentada na tela com uma amplitude apropriada e um número conveniente de picos: QUADRADA TRIANGULAR SENOIDAL TIPO DE ONDA PERÍODO TEÓRICO FREQUÊNCIA (GERADOR DE ÁUDIO) 16,67 ms 60 Hz 2V 10 ms 100 Hz 4V 2 ms 500 Hz 3V 0,5 ms 2 kHz 5V 50 µs 20 kHz 6V 100 ms 10 Hz 10 V 20 ms 50 Hz 8V 5 ms 200 Hz 7V 0,2 ms 5 kHz 4,6 V 5 µs 200 kHz 5,5 V 0,5 ms 2 kHz 5,2 V 0,1 ms 10 kHz 3,4 V 20 µs 50 kHz 6,6 V 10 µs 100 kHz 4V 2 µs 500 kHz 6V Nº DIVI HORIZ TIME/ DIV PERÍODO MEDIDO AMPLITUDE (GERADOR DE ÁUDIO) Nº DE DIVISÕES VERTICAIS VOLTS/DIV 30 ETEC LAURO GOMES CIRCUITOS CEIFADORES Observe o circuito abaixo: NOTE QUE A TENSÃO APLICADA AO CIRCUITO CEIFADOR É V2, UMA TENSÃO MENOR DO QUE A TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO V1. ISTO FOI CONSEGUIDO GRAÇAS AO TRANSFORMADOR (TR) FIGURA 35: CEIFADOR SÉRIE NEGATIVO Como V2 é uma tensão alternada, ora o diodo vai conduzir (quando polarizado diretamente, no semiciclo positivo da tensão), e ora o diodo não vai conduzir (quando polarizado reversamente, no semiciclo negativo da tensão).Isto fará com que, quando o diodo conduzir, haverá tensão na saída; quando ele não conduzir, não haverá tensão na saída.: FIGURA 36: SEMICICLO POSITIVO DA TENSÃO ALTERNADA V2 FIGURA 37: SEMICICLO NEGATIVO DA TENSÃO ALTERNADA V2 31 ETEC LAURO GOMES Vale lembrar que quando o diodo está conduzido, há uma tensão em seus terminais de 0,7 V; portanto, a tensão de pico da saída Vs vale: U S p U 2 p 0,7 Porém utilizaremos o 1º modelo de trabalho do diodo (diodo ideal) para analisar o funcionamento desses circuitos. Sendo assim, a tensão de saída VS acaba possuindo o mesmo valor de V2. Voltando ao gráfico, podemos notar que uma parte da tensão não chegou à saída do circuito; diz-se então que esta parte foi retirada, ceifada. Daí o nome de circuito ceifador. Como a parte negativa da tensão de entrada (V2) foi tirada da saída, dizemos que este circuito é um ceifador negativo. Para obtermos um ceifador positivo, basta inverter o diodo: FIGURA 38: CEIFADOR SÉRIE POSITIVO CIRCUITOS RETIFICADORES Circuito retificador de meia onda: A configuração mais simples de um retificador permite a passagem de apenas um dos semiciclos da tensão de entrada para a saída. É semelhante ao ceifador série. Na figura 39, temos um exemplo de circuito retificador meia onda: FIGURA 39: RETIFICADOR DE MEIA ONDA ↔ CEIFADOR SÉRIE NEGATIVO 32 ETEC LAURO GOMES Pode-se observar que, na saída VS, temos apenas a parte positiva da tensão. Apesar de esta ir de zero a um valor máximo e novamente a zero (sinal pulsante), ela é contínua, pois não inverte de sentido. Para o sinal de tensão de saída VS, os valores característicos são: FIGURA 40: VALORES CARACTERÍSTICOS DE MEIA ONDA Valor eficaz: U S efic Us p 2 Valor médio: USm US p As especificações dos diodos devem obedecer aos limites impostos pelo circuito: Corrente direta máxima: IDmáx US p RL Potência direta máxima: PDmáx VD IDmáx Tensão reversa máxima: VRmáx U 2 p Como se pode notar, a saída é um sinal pulsante. As aplicações para este tipo de sinal não são muito abrangentes e para o tipo de circuito abordado aqui, este tipo de sinal pode danificar componentes eletrônicos. Sendo assim, é necessário tentar tornar o sinal o mais constante possível. Isto pode ser conseguido com a utilização de um filtro capacitivo: 33 ETEC LAURO GOMES FIGURA 41: FILTRAGEM DE MEIA ONDA Como no semiciclo positivo o diodo está conduzindo, o capacitor irá se carregar, até atingir o valor máximo. Para ficar mais fácil o entendimento, vamos considerar o circuito ideal, onde o capacitor ficará carregado com U2p. Então, no pico positivo, a tensão em C é U2p. Logo após o pico positivo, a tensão em V2 é ligeiramente menor que a tensão em C. Sendo assim, a tensão no capacitor polarizará reversamente o diodo, “abrindo-o”. O capacitor se descarrega através da resistência RL. A tendência é o capacitor perder toda a sua carga, o que não acontece porque a constante de tempo ζ de descarga é tal que a sua duração é bem maior do que o período T do sinal alternado. Sendo assim, ele perde uma pequena parte de sua carga, até o ponto onde a tensão em V 2 seja maior do que a tensão em C, repetindo o processo acima descrito. A tensão US é quase uma tensão constante. Só não o é por causa das constantes cargas e descargas do capacitor, chamadas de ondulação. Esta tensão – ONDULAÇÃO OU RIPPLE – vale: VOND Usp RL f C onde f é a freqüência de entrada (da rede; 60 Hz). A ondulação não deve ultrapassar 10% de Usp. Circuito retificador onda completa com transformador de derivação central (center-tap): Neste tipo de circuito, onde o transformador possui uma derivação no meio do secundário, dois diodos são colocados de maneira que, tanto no semiciclo positivo como no negativo, a tensão na saída sempre estará no mesmo sentido: FIGURA 42: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM CENTER TAP 34 ETEC LAURO GOMES No semiciclo positivo, o diodo D1 conduz, enquanto que D2 não. Assim, temos V 22 V 21 na saída. No semiciclo negativo, é a vez de D2 conduzir e D1 não; temos na saída, 2 2 porém, graças à forma de como estão dispostos os diodos em relação ao transformador, a tensão na saída possui o mesmo sentido que antes, como podemos observar nas figuras 43 e 44: FIGURA 43: SEMICICLO POSITIVO NO CIRCUITO DE ONDA COMPLETA FIGURA 44: SEMICICLO NEGATIVO NO CIRCUITO DE ONDA COMPLETA Deve-se notar que nunca os diodos funcionam ao mesmo tempo. Se isto ocorrer, o transformador estará em curto-circuito. Para o sinal de tensão de saída VS, os valores característicos são: 35 ETEC LAURO GOMES FIGURA 45: VALORES CARACTERÍSTICOS DA RETIFICAÇÃO ONDA COMPLETA Valor eficaz: U S efic US p U S máx 2U S p 2 Valor médio: As especificações dos diodos são: Corrente direta máxima: IDmáx Potência direta máxima: Tensão reversa máxima: US p RL PDmáx VD IDmáx VRmáx 2U 2 p Para que a tensão de saída seja apenas negativa, é necessário inverter os dois diodos. Na filtragem, a tensão na saída tem o seguinte aspecto: FIGURA 46: FILTRAGEM NA RETIFICAÇÃO ONDA COMPLETA COM CENTER TAP 36 ETEC LAURO GOMES Circuito retificador onda completa tipo ponte: Este tipo de circuito utiliza quatro diodos montados numa configuração chamado ponte: FIGURA 47: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PONTE No semiciclo positivo, os diodos D4 e D2 estarão polarizados diretamente, enquanto que os diodos D1 e D3 estarão polarizados reversamente. No semiciclo negativo acontece o contrário. FIGURA 48: SEMICICLO POSITIVO NO RETIFICADOR TIPO PONTE FIGURA 49 : SEMICICLO NEGATIVO NO RETIFICADOR TIPO PONTE 37 ETE LAURO GOMES Para o sinal de tensão de saída VS, os valores característicos são: FIGURA 50: VALORES CARACTERÍSTICOS NA RETIFICAÇÃO TIPO PONTE Valor eficaz: U S efic US p U S máx 2U S p Valor médio: Corrente direta máxima: IDmáx 2 US p RL Potência direta máxima: PDmáx VD IDmáx Tensão reversa máxima: VRmáx U 2 p O aspecto da tensão de saída com o filtro fica: FIGURA 51: CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PONTE COM FILTRO A ondulação vale (f = 120 Hz, se a freqüência da rede for 60 Hz), não devendo ser acima de 10 % de Usp. VOND Usp RL f C Página 38 de 76 ETE LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 04 : CONSTRUÇÃO DE RETIFICADORES DE TENSÃO OBJETIVO : Construir um retificador de tensão de meia onda e de onda completa, verificando as formas de onda da saída. MATERIAL A SER UTILIZADO : 01 Osciloscópio com 2 pontas de prova; 01 Multímetro com 2 cabos banana; 01 Protoboard; 01 Transformador 110 V / +6 V +6 V; 01 Resistor de 390, 2k2, 27k ; 01 Capacitor de 47 μF, 470 μF e 2200 μF 04 Diodos retificadores; Fios para protoboard. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL : 1ª PARTE : Retificador de meia onda 1. Monte o circuito ao lado : VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA !!! 2. Com o canal CH2 em DC conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito ao ligar o capacitor : 3. Colocando o CH2 em AC, meça a ONDULAÇÃO : Vond = (V) Página 39 de 76 ETEC LAURO GOMES 4. Trocando os resistores e capacitores conforme tabela a seguir, meça a ondulação. Compare com o valor teórico: C (μF) 47 470 2200 R (k) Ondulação medida Ondulação calculada 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 5. O que acontece com a ondulação ao aumentarmos a resistência ? E a capacitância ? 2ª PARTE : Retificador de onda completa tipo ponte 6. Monte o circuito abaixo: SEMPRE VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA !!! 7. Com o canal CH2 conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito : 40 ETEC LAURO GOMES 8. Com o multímetro na escala VDC, meça a tensão no resistor VRDC = (V) 9. Responda : Que tensão é essa ? 10. Inclua no circuito o capacitor de 220 μF, colocando-o em paralelo com o resistor. Não deixe de colocar um fio como chave liga-desliga para o capacitor : SEMPRE VERIFIQUE O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA !!! 11. Com o canal CH2 em DC conectado ao resistor, meça e anote o valor e a forma de onda de tensão na saída do circuito ao ligar o capacitor : 12. Colocando o CH2 em AC, meça a ONDULAÇÃO : Vond = (V) 41 ETEC LAURO GOMES 13. Trocando os resistores e capacitores conforme tabela a seguir, meça a ondulação. Compare com o valor teórico. C (μF) 47 470 2200 R (k) Ondulação medida Ondulação calculada 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 0,39 2,2 27 14. O que acontece com a ondulação ao aumentarmos a resistência ? E o que acontece se aumentarmos a capacitância ? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 15. Comparando esta tabela com a anterior (meia-onda), que conclusão podemos tirar a respeito da ondulação ? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 42 ETEC LAURO GOMES EXERCÍCIOS 26) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da freqüência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic) :: DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: Up = 4 V T t 2 t1 T = ????? 1 T f = ????? Upp = 8 V f Um = ????? Uef Up Uef = ????? 2 RESOLUÇÃO: 43 ETEC LAURO GOMES 27) Para a forma de onda abaixo, determine os valores do período (T), da freqüência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic). DADOS : Up = 10 V Upp = 20 V FÓRMULAS : CALCULAR : T = ????? f = ????? Um = ????? Uef = ????? RESOLUÇÃO: 44 ETEC LAURO GOMES 28) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da freqüência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic) são, respectivamente : DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : T = ????? f = ????? Um = ????? Uef = ????? RESOLUÇÃO: 45 ETEC LAURO GOMES 29) Para a forma de onda abaixo, calcule os valores do período (T), da freqüência (f), dos valores médio (Um) e eficaz (Uefic): DADOS : FÓRMULAS : CALCULAR : RESOLUÇÃO 46 ETEC LAURO GOMES 30) Desenhe a forma de onda de tensão de saída de um ceifador positivo: 31) Desenhe a forma de onda de tensão de saída do circuito abaixo: 47 ETEC LAURO GOMES 32) Para um retificador de meia onda, considere a tensão U2 EFIC 8,485 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Calcule os valores médio e eficaz da tensão de saída US DADOS: FÓRMULAS: Us p 2 US p Retificador meia onda U S efic U2EFIC 8,485V USm U 2 efic CALCULAR: Usefic = ????? Usm = ????? U2 p 2 RESOLUÇÃO: 48 ETEC LAURO GOMES 33) Quais são as especificações do diodo do exercício 32 ? DADOS: Retificador meia onda U2EFIC 8,485 V f = 60 Hz RL = 150 FÓRMULAS: US p RL PDmáx VD IDmáx IDmáx VRmáx U 2 p CALCULAR: IDmáx=??? PDmáx=??? VRmáx=??? RESOLUÇÃO: 34) Para um retificador de meia onda, considere a tensão U2 EFIC 10,6066 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Calcule os valores médio e eficaz da tensão de saída US. DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 49 ETEC LAURO GOMES 35) Para o circuito do exercício 34, se considerarmos RL = 330 , qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de U sp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 36) Quais as especificações para o diodo do exercício 36? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 50 ETEC LAURO GOMES 37) Para um retificador de onda completa com center tap, considere a tensão U2 EFIC 14,1421 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Determine os valores médio e eficaz da tensão de saída US. DADOS: Onda completa center tap FÓRMULAS: U S efic Us p 2 CALCULAR: UM =????? U2EFIC 14,1421 V USm f = 60 Hz 2U S p U 2 efic UEFIC =????? U2 p 2 RESOLUÇÃO: 38) Para o circuito do exercício 37, se considerarmos RL = 220 , qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de U sp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 51 ETEC LAURO GOMES 39) Quais as especificações para o diodo do exercício 38 ? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 40) Para um retificador de onda completa com center tap, considere a tensão U2 EFIC 21,2132 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Quais os valores médio e eficaz da tensão de saída US? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 52 ETEC LAURO GOMES 41) Para o circuito do exercício 40, se considerarmos RL = 150 , qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de U sp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 42) Quais as especificações para o diodo do exercício 41? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 53 ETEC LAURO GOMES 43) Para um retificador tipo ponte, considere a tensão U2 EFIC 21,2132 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Quais são os valores médio e eficaz da tensão de saída US? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 44) Para o circuito do exercício 43, se considerarmos RL = 150 , qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de Usp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 54 ETEC LAURO GOMES 45) Quais as especificações para o diodo do exercício 44? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 46) Para um retificador do tipo ponte, considere a tensão U2 EFIC 14,1421 V e a freqüência da rede igual a 60 Hz. Os valores médio e eficaz da tensão de saída US são : DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 55 ETEC LAURO GOMES 47) Para o circuito do exercício 46, se considerarmos RL = 470 , qual o valor mais próximo do capacitor para que a ondulação na filtragem não ultrapasse 10 % de U sp? DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 48) As especificações para o diodo do exercício 47 são : DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR: RESOLUÇÃO: 56 ETEC LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 05: EB-2000 – EB 111 – SEMICONDUTORES FUNDAMENTAIS I 57 ETEC LAURO GOMES 58 ETEC LAURO GOMES 59 ETEC LAURO GOMES 60 ETEC LAURO GOMES 61 ETEC LAURO GOMES 62 ETEC LAURO GOMES 63 ETEC LAURO GOMES 64 ETEC LAURO GOMES __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ 65 ETEC LAURO GOMES 66 ETEC LAURO GOMES 67 ETEC LAURO GOMES 68 ETEC LAURO GOMES 69 ETEC LAURO GOMES LED (Light Emitting Diode) – DIODO EMISSOR DE LUZ Geralmente, devido à baixa potência dissipada, esquece-se que um diodo de silício libera calor ao conduzir. Os LED’s são diodos compostos de arseneto de gálio, fazendo que a energia descrita no parágrafo anterior seja liberada na forma de luz, visível ou não. FIGURA 52: DIODO EMISSOR DE LUZ – LED Na figura 52, pode-se observar como o LED é fisicamente; percebe-se que internamente (1) o catodo – K, é maior que o anodo – A, e que o lado do catodo é reto (2), além de como o diodo é representado simbolicamente (3). Sendo utilizados como sinalizadores em aparelhos e instrumentos eletrônicos, o LED funciona como se fosse um diodo comum: só funcionam se polarizados diretamente. A diferença é que eles conduzem com uma tensão maior, geralmente entre 1,5 e 2,5 V, além da corrente elétrica ser de intensidade menor (geralmente até 50 mA). Por causa disso, ao se utilizar um LED, é necessário associar um resistor em série na polarização direta: FIGURA 53: CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DIRETA DE UM LED Geralmente neste tipo de circuito, deseja-se calcular o valor do resistor Rs; para que isto seja possível, é necessário : CONHECER O VALOR DA TENSÃO DE ENTRADA Ue; CONHECER OS DADOS QUIESCENTES DO LED (VD E ID). Na figura 53, se aplicarmos a lei de Kirchhoff das malhas (tensões), teremos: 70 ETEC LAURO GOMES Ue = VRs + VD VRs = Ue – VD A tensão no resistor Rs, pela 1ª Lei de Ohm, vale VRs = Rs x ID Sendo assim, a corrente no LED vale : ID VRs Ue VD ID Rs Rs Portanto, o resistor Rs vale : Rs Ue VD ID Os LED’s também podem ser utilizados na confecção de um indicador chamado DISPLAY: FIGURA 54: DISPLAY DE 7 SEGMENTOS No caso, o LED corresponde ao que se chama de segmento: 71 ETEC LAURO GOMES FIGURA 55: SEGMENTOS DE UM DISPLAY Existem dois tipos de display de sete segmentos : FIGURA 56: PRINCÍPIO DO DISPLAY TIPO CATODO COMUM Na figura 56, todos os CATODOS dos segmentos estão interligados no terra (GND) ; por isso ele é denominado catodo comum. Sendo assim, para ligá-los, é necessário enviar um nível de tensão elétrica nas entradas dos segmentos (a, b, c, d, e, f, g), para que os mesmos fiquem polarizados diretamente e acendam. FIGURA 57: PRINCÍPIO DO DISPLAY TIPO ANODO COMUM Na figura 57, todos os ANODOS dos segmentos estão interligados em uma tensão elétrica (+ Vcc) ; por isso ele é denominado anodo comum. Sendo assim, para ligá-los, é necessário enviar o terra (GND) nas entradas dos segmentos (a, b, c, d, e, f, g), para que os mesmos fiquem polarizados diretamente e acendam. 72 ETEC LAURO GOMES EXPERIÊNCIA Nº 06: POLARIZAÇÃO DE UM LED OBJETIVO: Medir as tensões e correntes num led (diodo emissor de luz) MATERIAL A SER UTILIZADO: 01 Resistor de 390 ½ W 01 Resistor de 2k2 ½ W 01 Resistor de 27 k ½ W 01 Protoboard com fonte de tensão; 02 Multímetros; 01 Diodo retificador – 1N4001; 01 LED PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 1. Monte o circuito abaixo: 2. Para cada valor de tensão da fonte listado na tabela abaixo, meça e anote a tensão e a corrente no LED, para cada resistor: 390 Ve (V) VL (V) IL (mA) 2k2 VL (V) IL (mA) 390 27 k VL (V) IL (mA) Ve (V) 0 2,5 0,2 3 0,4 3,5 0,6 4 0,8 5 1 6 1,2 7 1,4 9 1,6 10 1,8 12 2 15 VL (V) IL (mA) 2k2 VL (V) IL (mA) 27 k VL (V) IL (mA) 73 ETEC LAURO GOMES 3. Responda: Em que caso o led brilha mais ? Por quê ? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 4. Inverta a polaridade da fonte de tensão, montando o circuito abaixo e para cada valor de tensão da fonte listado na tabela a seguir, meça e anote a tensão e a corrente no LED : OBS . : NESTE CASO, DEVE-SE MEDIR A TENSÃO SEPARADAMENTE DA CORRENTE, COMO MOSTRA A FIGURA : 390 Ve (V) VR (V) IR (μA) 2k2 VR (V) IR (μA) 27 k VR (V) IR (μA) 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -3 -4 -5 -7 -10 -12 -15 BIBLIOGRAFIA 74 ETEC LAURO GOMES BIBLIOGRAFIA ANZENHOFER, Karl ... et al. Eletrotécnica para escolas profissionais. 3ª Edição – São Paulo, Mestre Jou, 1980. CASSIGNOL, Etienne. Semicondutores : física e eletrônica. Rio de Janeiro, Edgar Blucher,1980 -----------------------------. Semicondutores : circuitos. Rio de Janeiro, Edgar Blucher,1980 CAPUANO, Francisco G. & MARINO, Maria A. M. Laboratório de eletricidade e eletrônica. São Paulo, Érica, 1989. CAPUANO, Francisco Gabriel. Elementos da eletrônica digital. São Paulo. Érica, 1996. COMO funciona. Enciclopédia de ciência e técnica. São Paulo, Abril Cultural, c. 1974 6V. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. São Paulo, McGraw-Hill, 1987. Vol. 1 MARQUES, Angelo... et al. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores. São Paulo, Érica, 1997. Coleção Estude e Use MILLMAN, Jacob. Microeletrônica. Lisboa, McGraw-Hill, 1986. Vol. 1 75
