Eletrônica e Física Quântica

CAPÍTULO 5- Eletrônica e Física Quântica
PROBLEMATIZAÇÃO
O que são válvulas? Cite dois tipos. Como são constituídas? Qual é o princípio
de funcionamento delas? Elas ainda são utilizadas em circuitos? Explique.
Cite dois materiais semicondutores explicitando suas características.
Explique em que consiste o processo de dopagem desses materiais. Qual é o objetivo
desse procedimento.
O circuito da cerca elétrica didática possui diodos na fonte de alimentação.
Como são constituídos esses componentes? Qual é o princípio de funcionamento deles?
Cite no mínimo três equipamentos em que os diodos estão inseridos.
O que significa a sigla LED? Existe algum LED no circuito da cerca didática?
Se existe, em que etapa está inserido? Qual é o princípio de funcionamento desses
componentes? Qual o objetivo de associarmos resistores em série com os LEDs?
Descreva de que forma podemos calcular a resistência do resistor ideal a ser associado
em série com o LED num circuito.
No final da etapa geradora de pulsos da cerca didática há um transistor. Como é
constituído esse componente? Qual é sua função nesse circuito? Qual é o seu princípio
de funcionamento? Escreva pelo menos três dispositivos que possuem esse componente
no circuito.
A etapa de disparo da cerca didática é composta por um componente
denominado SCR. O que significa essa sigla? Como é constituído esse componente?
Como ele funciona? Cite pelo menos outros três circuitos em que o SCR está inserido.
O que são microchips? O que há dentro deles? O que significa a sigla CI? A
cerca didática possui algum CI? Se possui, em que etapa ele está? Qual é sua função
nesse circuito? Descreva a estrutura interna desse CI. Liste no mínimo outros três
dispositivos que necessitam dele para funcionar.
Observe na Figura 47 alguns dos elementos mencionados acima.
TRANSISTOR
DIODOS
SCR
CI
LED
FIGURA 47
CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA VISTA DE CIMA
5.1 História da Eletrônica e Física Quântica
A Figura 47 mostra vários componentes eletrônicos (diodos, o LED, o transistor,
o SCR) e o CI, sendo que todos têm seu princípio de funcionamento baseado na Física
Quântica. Para entendermos essa importante área da Física necessitamos de uma nova
forma de pensar. Esse capítulo desenvolve uma evolução histórica da Eletrônica e da
Física Quântica com posterior análise das características dos diodos, LEDs, transistores,
SCRs e Circuito Integrados.
Durante muito tempo os circuitos de detecção de ondas de rádio foram
construídos com a utilização de um cristal semicondutor chamado de galena (nome
comum atribuído ao sulfeto de chumbo). Embora esse cristal seja um minério de
chumbo encontrado com facilidade na natureza e fosse muito eficiente no circuito
mencionado, foi substituído pela válvula tipo diodo, desenvolvida por um físico inglês
chamado John Fleming. Com o passar do tempo os circuitos receptores de ondas de
rádio utilizando cristais de galena ficariam obsoletos.
A válvula tipo diodo foi assim denominada por possuir dois eletrodos.
Constituídos por cilindros metálicos, os eletrodos negativo e positivo eram chamados
respectivamente de catodo e anodo, e ficavam submetidos ao ar rarefeito do interior de
uma ampola geralmente de vidro. Quando houvesse uma diferença de potencial entre os
eletrodos, o catodo, que tinha um filamento em seu interior, aquecia muito e liberava
elétrons que deslocavam-se para o anodo. O ar rarefeito no interior da ampola facilitava
o movimento dos elétrons.
Se por acaso os eletrodos da válvula tipo diodo fossem submetidos a uma tensão
elétrica contínua, os elétrons liberados pelo catodo poderiam ou não alcançar o anodo.
Ao conectar o anodo e o catodo respectivamente no pólo positivo e negativo da fonte de
tensão contínua, haveria corrente elétrica no circuito, caso contrário não. No caso dos
eletrodos serem submetidos a uma tensão elétrica alternada, apenas haveria corrente
elétrica em um sentido. Essa característica das válvulas diodo de permitir a condução de
corrente elétrica em apenas um sentido chama-se retificação, sendo que uma das
principais aplicações desses dispositivos era em circuitos responsáveis por converter
corrente elétrica alternada em contínua.
Um cientista norte-americano chamado Lee de Forest aperfeiçoou a válvula
diodo inserindo nela mais um eletrodo chamado grade de controle, que tinha a função
de controlar o fluxo de elétrons entre o catodo e o anodo. Em virtude desse tipo de
válvula possuir três eletrodos passou a ser chamada de válvula triodo e tornou-se muito
utilizada nos circuitos de detecção de ondas de rádio. Assim o sinal de audiofreqüência
resultante da desmodulação podia ser amplificado e enviado aos fones ou alto-falantes,
a fim de que o som emitido por esses elementos pudesse ser ouvido. Com o passar do
tempo a válvula triodo passou a ser utilizada em uma grande variedade de circuitos
eletrônicos pois era capaz de amplificar a corrente elétrica nos mesmos.
Tanto a válvula diodo quanto a triodo funcionam baseando-se num efeito
chamado termoiônico, por isso podem ser chamadas de válvulas termoiônicas. Esse
efeito está associado à facilidade que os elétrons tem de libertar-se de um metal que tem
sua temperatura aumentada. Uma vez que esses elétrons estejam dentro de uma ampola
de vidro com ar rarefeito, o deslocamento deles para um condutor que esteja próximo
carregado positivamente fica facilitada.
As válvulas diodo e triodo propiciaram o aperfeiçoamento dos rádios,
televisores, e mesmo dos primeiros computadores completamente eletrônicos, sem
etapas eletromecânicas. Entretanto essas válvulas possuíam filamentos que queimavam
com freqüência, a ampola de vidro quebrava com facilidade, apresentavam um grande
consumo de energia e ocupavam um grande espaço. Os equipamentos que funcionavam
com válvulas demoravam um determinado tempo para começar a funcionar e
necessitavam obrigatoriamente de uma tomada.
Os inconvenientes mencionados anteriormente levaram os cientistas a investigar
possibilidades de substituir a tecnologia associada às válvulas por outra em seus
empreendimentos. Na busca por alternativas eles conseguiram resultados frutíferos com
a utilização dos chamados semicondutores. Assim nasceram os diodos, transistores e
outros componentes. Mesmo com o advento destes novos componentes fabricados a
partir de semicondutores, as válvulas continuam sendo incluídas nos circuitos de
modernos amplificadores de áudio e em dispositivos profissionais de áudio existentes
no interior de satélites orbitais.
Para estudarmos os materiais semicondutores necessitamos substituir o modelo
associado à condução elétrica estudado no capítulo 2, com base na Física Clássica, por
outro, agora considerando a Física Quântica. Isto representa o limite para um dos
modelos da Física Clássica.
No início do século XX o físico alemão Max Planck propôs a idéia de que a
energia radiante liberada por corpos que são submetidos a um aumento de temperatura é
constituída por “pacotes” discretos. Cada “pacote” de energia seria chamado de
quantum e haveria uma proporcionalidade direta entre a energia associada à cada pacote
de energia e a freqüência de radiação envolvida.
Einstein analisou um efeito que evidenciava a ejeção de elétrons por superfícies
metálicas que recebiam luz. Ao interpretar este efeito, denominado de efeito
fotoelétrico, esse físico chegou à conclusão sobre as propriedades corpusculares
associadas à luz e de que a energia do fóton (corpúsculo de luz) era diretamente
proporcional à sua freqüência. Por um artigo publicado em 1905 com essas idéias
Einstein recebe o prêmio Nobel.
Em 1911 um físico britânico chamado Ernest Rutherford realizou experimentos
com folha de ouro e concluiu que os átomos possuem grande concentração de massa em
seu núcleo e são constituídos por um imenso vazio.
Para entendermos as propriedades elétricas dos semicondutores e outros
materiais, é importante considerarmos o modelo de átomo de Bohr. Este importante
físico dinamarquês propôs o modelo planetário do átomo em 1913 aplicando idéias de
Einstein e Planck ao átomo de Rutherford. No modelo de Bohr os átomos são formados
pelo núcleo, composto por prótons e nêutrons, e pela eletrosfera, onde situam-se os
elétrons permanentemente em movimento, orbitando ao redor do núcleo. Bohr ousou ao
afirmar que um elétron somente irradia luz quando salta de um nível de energia superior
para um inferior e não quando está circulando ao redor do núcleo em um movimento
acelerado.
Em 1924 Louis de Broglie propôs a idéia de uma relação existente entre ondas e
partículas. Essas ondas possuem as mesmas características das outras, podem então
interferir, difratar, refletir, refratar. Assim, para esse importante físico francês, partículas
materiais como os elétrons também têm propriedades ondulatórias, de forma que o
comprimento de onda associado a qualquer partícula material é inversamente
proporcional à quantidade de movimento associada a ela.
A idéia de que o movimento dos elétrons ao redor do núcleo é como o dos
planetas ao redor de uma estrela, vai de encontro ao caráter dual associado ao elétron.
As órbitas então passaram a ser consideradas “nuvens” e “camadas”, regiões onde a
probabilidade do elétron ser encontrado é maior. Cada camada está associada a um
nível de energia, que é influenciado por sua distância até o núcleo, e são capazes de
“acomodar” um número limitado de elétrons. Segundo Bohr os elétrons “ocupam”
órbitas rigorosamente determinadas e são capazes de passar de um nível de energia para
outro, de energia mais baixa ou mais alta do que “ocupava” anteriormente. Quando isso
ocorre dizemos que houve um “salto quântico”. O espectro de emissão de um átomo
isolado é formado por linhas discretas.
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Animações Interativas 2
que é intitulada Níveis de energia de um átomo isolado, e possui a seguinte
problematização: O que são os chamados saltos quânticos? Independente da
quantidade de energia recebida por um átomo poderá ocorrer o salto quântico? Quais
os critérios necessários para ele ocorrer?
Cada elétron pode ser identificado por seus quatro números quânticos: o número
quântico principal, representado por n (n=1 até 7), associado a cada camada (K, L, M,
N, O, P, Q) e a um nível de energia específico, que depende da distância até o núcleo. O
número quântico secundário ou orbital (l), que está relacionado a subníveis designados
pelas letras s, p, d, f, g e evidencia a forma da órbita do elétron (que podem ser elipses
de diferentes excentricidades ou circunferências), o número quântico magnético (ml)
que está associado à quantização espacial e o spin do elétron (ms) .
O número de elétrons capazes de se “acomodar” em cada camada é limitado,
melhor dizendo, rigorosamente determinado. Segundo o Principio da Exclusão de
Pauli, dois elétrons em um átomo não podem ter o mesmo conjunto de números
quânticos.
A configuração eletrônica do estado fundamental do carbono é mostrada na
Figura 48, que evidencia que os elétrons preenchem os estados quânticos em uma
ordem crescente de energia. Dois elétrons estão numa mesma órbita na camada K. A
última camada (L) com quatro elétrons é denominada camada de valência.
FIGURA 48
CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA DO ESTADO
FUNDAMENTAL DO ELEMENTO CARBONO
Podemos escrever essa distribuição eletrônica da seguinte forma: 1s2 , 2s2 ,
2
2p .
O diagrama da Figura 49 é para o hidrogênio, mas é típico dos gases, onde os
átomos estão isolados.
FIGURA 49
DIAGRAMA DE NÍVEIS DE ENERGIA PARA O HIDROGÊNIO
Para o caso de substâncias sólidas, em virtude dos átomos estarem muito
próximos, eles interagem causando uma distorção dos níveis discretos de cada átomo e
o número de níveis permitidos aumenta, havendo o surgimento de bandas de energia.
A banda de condução é a banda livre enquanto a banda de valência é a última
banda que já possui elétrons. Dependendo do material é possível haver uma banda
“proibida” entre as bandas de condução e de valência. Essa banda proibida corresponde
a um gap ou simplesmente uma descontinuidade entre duas bandas permitidas.
Em materiais condutores como os metais não há gap entre a banda de condução
e a banda de valência, havendo a superposição entre essas bandas. Se houver um campo
elétrico provocado por uma fonte externa atuando no material, mesmo que a energia
fornecida aos elétrons seja pequena, elétrons de condução poderão ir para níveis de
energia mais alta. Se houver um aumento na temperatura do material, ocorrerá uma
elevação em sua resistividade elétrica. Observe a Figura 50 a.
Em materiais isolantes puros há um gap muito extenso. Tanto com aplicação de
um campo elétrico externo quanto com elevação de temperatura, a grande
descontinuidade existente entre as bandas de valência e de condução, o grande gap, não
permite que elétrons que estejam na banda de valência atinjam banda de condução.
Assim esse tipo de material impede a passagem de corrente elétrica, pois não possui
elétrons na banda de condução. Veja a Figura 50 b.
O diagrama dos níveis de energia dos materiais semicondutores apresenta gap,
mas não tão largo quanto o dos isolantes. Quando um campo elétrico externo atua sobre
um semicondutor ou há aumento em sua temperatura, elétrons da banda de valência
recebem energia, transferem-se para a banda de condução e passam a surgir lacunas
(vagas) na banda de valência. Tanto os elétrons quanto as lacunas contribuem para a
corrente elétrica. Observe a Figura 50 c.
FIGURA 50
BANDAS DE ENERGIA DOS CONDUTORES,
ISOLANTES E SEMCONDUTORES
Atribui-se carga positiva às lacunas, pois movem-se no sentido contrário ao dos
elétrons. Se submetermos um semicondutor a uma elevação de temperatura, haverá um
aumento de sua condutividade, e conseqüente redução de sua resistividade elétrica. Esse
comportamento dos semicondutores, que é oposto ao dos condutores, é explicado na
Física Quântica pelo crescimento do número de elétrons livres na banda de condução.
O silício é um dos materiais semicondutores mais empregados na eletrônica. Na
forma pura ele é tetravalente, pois tem rigorosamente quatro elétrons em sua última
camada, isto é, na camada de valência. São esses elétrons, chamados elétrons de
valência, que participam das ligações entre os átomos do cristal, assim formam-se
longas cadeias de átomos capazes de compartilhar elétrons.
Se o material semicondutor estiver na forma pura ou intrínseca, a corrente
elétrica será constituída por um número de elétrons que é exatamente igual ao de
lacunas.
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Animações Interativas 3 que é
intitulada Movimento de elétrons e lacunas em um material semicondutor, e possui a
seguinte problematização: Como ocorre o movimento de elétrons e lacunas em um
material semicondutor puro quando submetido a uma diferença de potencial contínua
entre seus terminais, e portanto a um campo elétrico sempre com o mesmo sentido?
Por meio de um processo denominado de dopagem é possível modificar a
quantidade de portadores livres nos materiais semicondutores, ou seja, fazer com que a
corrente elétrica seja formada majoritariamente pelas lacunas ou pelos elétrons. Isso é
obtido com a introdução de uma pequena quantidade de impurezas no semicondutor
intrínseco. Essas impurezas podem ser materiais pentavalentes ou trivalentes.
Vamos supor que de alguma maneira haja a adição de impurezas pentavalentes à
estrutura cristalina do silício. Para cada átomo pentavalente que adicionamos na
estrutura sobrará um elétron livre. Mas na prática são trilhões de átomos pentavalentes
adicionados, e, portanto, trilhões de elétrons livres sobrando, resultando que esses
elétrons sejam os portadores majoritários de corrente elétrica. Devido a isso o material
semicondutor intrínseco torna-se um material extrínseco tipo N – N de negativo.
Em virtude dos elétrons que sobram possuírem uma ligação muito tênue com os
átomos pentavalentes existe muita probabilidade de transferirem-se para a banda de
condução ao receber energia do próprio cristal, mesmo na temperatura ambiente. Assim
a quantidade de elétrons na banda de condução pode crescer.
Devido às impurezas pentavalentes doarem elétrons livres para a banda de
condução, buscando ficar estáveis, elas são caracterizadas como doadoras e adquirem
carga elétrica positiva. Nesse tipo de dopagem bandas que normalmente são proibidas
passam a ter níveis doadores, havendo produção do material impuro tipo N. Um dos
elementos que pode servir de impureza neste tipo de situação é o fósforo.
Considere agora que de alguma forma haja a introdução de uma impureza
trivalente na rede cristalina do semicondutor intrínseco. Nesse processo ocorrem três
ligações completas de elétrons e surge um espaço vago (lacuna) devido à impureza
possuir apenas três elétrons na camada de valência. Mas na realidade são trilhões de
átomos trivalentes introduzidos, havendo a formação de trilhões de lacunas. Devido às
lacunas serem os portadores majoritários de corrente elétrica, o material semicondutor
puro torna-se um material extrínseco tipo P – P de positivo.
Em virtude das impurezas trivalentes inseridas no semicondutor tenderem a
atrair elétrons de átomos vizinhos para completar a quarta ligação, podem ser chamadas
de receptivas e adquirem carga elétrica negativa. Nesse tipo de dopagem a banda que
normalmente é proibida passa a ter níveis receptores em virtude das impurezas, formase o material impuro tipo P e cresce a quantidade de elétrons que se deslocam na banda
de valência. Um dos elementos que pode servir de impureza nesse caso é o Alumínio.
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Animações Interativas 4 que é
intitulada Dopagem de um semicondutor intrínseco, e possui a seguinte
problematização: Como fica a estrutura de um material semicondutor como o silício se
adicionarmos nela átomos de uma impureza trivalente? E se os átomos adicionados
forem de uma impureza pentavalente?
Para compreendermos o funcionamento dos diodos, LEDs, transistores e SCRs é
importante que saibamos como uma junção PN pode ser obtida e o que ocorre depois
que ela é formada.
É possível construir uma junção PN dopando uma das partes de um
semicondutor de silício com impurezas trivalentes e outra adjacente com impurezas
pentavalentes, com o objetivo de que uma região torne-se material tipo P e, a outra, tipo
N.
Depois que a junção é estabelecida começa o movimento de lacunas da região P
(provenientes da banda de valência) para a N, e elétrons livres da região N (oriundos da
banda de condução) para a P.
Os elétrons e lacunas que passam a junção posicionam-se muito próximos à
fronteira PN, de modo que cresce a carga elétrica em ambos os lados próximos à
fronteira, e forma uma região denominada barreira de potencial, que possui carga
elétrica total igual a zero.
As cargas elétricas nessa região contribuem para existir um campo elétrico
chamado de campo elétrico local. Esse campo, orientado de N para P, opõe-se ao
deslocamento natural de elétrons e lacunas, até o momento de impedir quase que
totalmente o deslocamento dessas cargas de um material para outro.
FIGURA 51
REPRESENTAÇÃO EVIDENCIANDO AS CARGAS ELÉTRICAS NA JUNÇÃO E
O CAMPO ELÉTRICO QUE ELAS GERAM
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 1 / Exercícios de 1 até 7.
5.2 Diodos
A cerca elétrica didática conta com o funcionamento de vários diodos que
localizam-se na fonte de alimentação da etapa de disparo, na própria etapa de disparo e
na fonte de alimentação do gerador de pulsos.
FIGURA 52
DIODOS 1N4001
Os diodos semicondutores são constituídos por uma junção PN e possuem dois
terminais, o anodo (A) e o Catodo (C). Na Figura 52 o catodo é o terminal associado ao
anel ou faixa.
FIGURA 53
ESTRUTURA INTERNA
DO DIODO
FIGURA 54
SÍMBOLO
DO DIODO
FIGURA 55
ASPECTO INTERNO DO COMPONENTE
Observe na Figura 55 que a parte funcional do diodo é realmente muito pequena
em comparação ao tamanho total do componente. Há duas polarizações possíveis para
esse dispositivo: direta e inversa.
Se ligarmos os terminais do diodo aos pólos de uma bateria de modo que o
anodo e o catodo conectem-se respectivamente aos pólos positivo e negativo, teremos
caracterizado uma polarização direta. Observe a Figura 56. Nesta situação o campo
elétrico produzido pelas cargas da barreira de potencial tem sentido oposto ao campo
elétrico gerado pela bateria, diminui a barreira de potencial e há baixa resistência à
passagem de elétrons e lacunas na junção PN. Nesse tipo de polarização existe corrente
elétrica no circuito.
FIGURA 56
DIODO COM POLARIZAÇÃO DIRETA
Entretanto, se ligarmos os terminais do diodo aos pólos da bateria de modo que o
anodo e o catodo conectem-se respectivamente aos pólos negativo e positivo, teremos
caracterizado uma polarização inversa. Veja a Figura 57. Nessa situação o campo
elétrico gerado pela fonte de tensão tem o mesmo sentido do campo elétrico produzido
pelas cargas da barreira de potencial. Haverá aumento dessa barreira e alta resistência à
passagem de elétrons e lacunas pela junção PN. Nessa situação o diodo praticamente
não conduz, isto é, se houver corrente elétrica no circuito, ela será praticamente igual a
zero.
FIGURA 57
DIODO COM POLARIZAÇÃO INVERSA
Os diodos semicondutores, além de terem grande vantagem em relação às
válvulas diodo por serem menores, não consumirem tanta energia elétrica e serem mais
confiáveis, também permitem, tanto quanto elas, a passagem de corrente elétrica em
apenas um sentido. Essa característica, que denominamos de retificação de corrente
elétrica, proporciona a eles uma enorme aplicação nos circuitos eletrônicos. Uma das
principais é na etapa responsável por converter a corrente alternada em contínua, que
está presente em grande parte dos equipamentos, inclusive na cerca elétrica didática.
Mesmo que polarizemos diretamente o diodo, se a tensão não estiver acima de
um determinado valor esse componente não conduz. Esse valor é a tensão associada à
barreira de potencial que na temperatura ambiente vale 0,3 V para o germânio e 0,6 V
para o silício. Nesse tipo de polarização um pequeno crescimento na tensão provoca
uma elevação abrupta da corrente elétrica. Por isso na prática é aconselhável inserir um
resistor em série com o diodo no circuito para a junção PN não ficar inutilizada.
Considere que um diodo comum esteja polarizado inversamente e que UZ seja a
tensão de ruptura, tensão Zener ou inversa máxima. Se por acaso ele ficar submetido a
uma tensão superior à tensão de ruptura ocorre o Efeito Zener, há um rápido
crescimento na intensidade de corrente elétrica e a junção é danificada, ocorrendo a
queima do componente. Entretanto existem os diodos Zener, que são fabricados para
funcionar submetidos a uma tensão inversa igual à tensão Zener. Eles são utilizados em
muitos circuitos com o objetivo de estabilizar a tensão em determinados trechos.
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas em:
1) Animações Interativas 5 intitulada Diodos que possui a seguinte problematização:
O que são diodos? Independente de como são inseridos em um circuito se comportam
da mesma maneira? Como eles se comportam se estiverem diretamente polarizados? e
se estiverem inversamente polarizados?
2) Guia de Experimentos 6 intitulado Circuito com um diodo semicondutor.
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 2 / Exercícios de 1 até 8.
5.3 LEDs
A cerca elétrica didática possui um LED que indica o envio do sinal do gerador
de pulsos para a etapa de disparo. Os LEDs são diodos emissores de luz (tradução de
Light Emitting Diode).
FIGURA 58
LEDs
FIGURA 59
SÍMBOLO DOS LEDs
O princípio de funcionamento dos LEDs é muito semelhante ao dos diodos
comuns. A diferença é que elétrons livres oriundos da banda de condução da região N e
lacunas provenientes da banda de valência da região P, ao passar a junção PN,
aniquilam-se e há produção de luz.
Considere que um elétron esteja em um nível mais alto na banda de condução e
passa para um nível mais baixo no sentido de preencher uma lacuna presente na banda
de valência. Nessa passagem do elétron entre dois níveis permitidos há emissão de um
fóton cuja energia equivale a diferença de energia entre os dois níveis envolvidos.
A freqüência associada ao fóton emitido depende do gap do material
semicondutor envolvido, ou seja, o material empregado na fabricação dos LEDs
determinará se a radiação emitida estará ou não dentro da faixa da luz visível.
O fenômeno que ocorre no funcionamento dos LEDs chama-se
eletroluminescência, onde a corrente elétrica é responsável pela emissão de luz. Existem
LEDs que emitem infra-vermelho, ultra-violeta, vermelha, verde, azul, etc.
Os LEDs não podem ser inseridos de qualquer forma em um circuito. Em um
circuito de corrente contínua é necessário que este componente esteja diretamente
polarizado, ou seja, o anodo (terminal mais longo- veja Figura 58) esteja ligado ao pólo
positivo da fonte e o catodo (terminal mais curto) ao pólo negativo. Se ele for inserido
de maneira inversa no circuito, não irá funcionar. Se a tensão aplicada no sentido
inverso superar 5 V ele poderá queimar.
Se por acaso o LED for ligado diretamente em uma fonte de alimentação haverá
um curto-circuito capaz de danificá-lo por superaquecimento. É necessário então
providenciarmos uma forma de limitar a corrente elétrica que passa por esse
componente. Como já mencionado anteriormente isto é conseguido inserindo no
circuito em série com ele um resistor, cujo valor dependerá da tensão fornecida pela
fonte externa. A corrente direta máxima (ID) deverá estar entre 10 mA e 100 mA.
Em virtude de apresentarem menor consumo de energia, os visores com cristal
líquido passaram a ser utilizados nos mais variados dispositivos eletrônicos que
possuíam visores com LEDs. Podemos encontrar os diodos emissores de luz nos
gabinetes e monitores dos microcomputadores, em comunicação óptica, em alguns
rádio-relógios e calculadoras antigas, além dos mais variados painéis de equipamentos
eletrônicos.
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Guia de Experimentos 7
intitulado Circuito com um LED.
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 2 / Exercícios 9 e 10.
5.4 Transformação de corrente alternada em corrente contínua
Grande parte dos equipamentos eletrônicos que existem necessitam de corrente
contínua para funcionar, é o caso dos microcomputadores, videogames, aparelhos de
DVD e muitos outros. Mas as companhias de energia elétrica disponibilizam tensão
alternada por meio das tomadas.
Para que os aparelhos mencionados funcionem é necessário um circuito que
converta corrente alternada em corrente contínua, ou seja, precisamos de um circuito
que retifique a corrente elétrica. A retificação é o processo através do qual os elétrons
deixam de ter um movimento de vai-e-vem para movimentarem-se em apenas um
sentido.
Há muitos circuitos capazes de retificar corrente alternada. Um componente
imprescindível para seu funcionamento é o diodo pois, como vimos, ele permite que a
corrente passe por um trecho condutor em apenas um sentido. Outro componente
importante na retificação da corrente elétrica são os capacitores.
A Figura 60 mostra as formas de onda de uma corrente alternada na entrada de
um retificador (a); na saída de um retificador de meia-onda sem capacitor (b) e com
capacitor (c); na saída de um conjunto de quatro diodos (ponte retificadora) sem
capacitor (d) e com capacitor (e).
i (A)
t (s)
(a)
Corrente alternada na entrada de um retificador de
meia-onda e de um retificador de onda-completa
i (A)
t (s)
(b)
Saída do retificador de meia-onda
t (s)
(c)
Saída do retificador de meia-onda com
capacitor na saída da retificação
i (A)
t (s)
t (s)
( d)
Saída do retificador de onda completa
(e)
Saída do retificador de onda completa com
capacitor na saída da retificação
FIGURA 60
FORMAS DE ONDA NA SAÍDA DE RETIFICADORES
COM E SEM UTILIZAÇÃO DE CAPACITORES
LINK
Sugere-se que você realize as tarefas propostas no Guia de Experimento 10:
Primeira parte: Retificação de meia-onda e de onda completa, e Segunda Parte:
Transformação de tensão alternada em contínua. Nesse experimento inserimos um
capacitor em paralelo com a saída de tensão de um circuito retificador com o objetivo
de que tenhamos uma corrente quase uniforme, mais contínua e suave circulando pela
carga (buzzer).
5.5 Transistores
A cerca elétrica didática possui dois transistores localizados na etapa geradora de
pulsos. Um deles fica localizado bem na saída dessa etapa. Os transistores são
dispositivos semicondutores mais complexos do que os diodos em virtude de possuírem
duas junções PN. Das funções que esse componente pode desempenhar num circuito, as
principais são de amplificar sinais elétricos e promover chaveamento.
FIGURA 61
3 TRANSISTORES TIP 31C E 4 BC548
Um grupo de cientistas da Companhia Telefônica dos Estados Unidos (Bell
Telephone Laboratories), entre eles William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen,
estiveram envolvidos diretamente nas primeiras pesquisas do transistor entre os anos de
1947 e 1948. Os três foram homenageados com o prêmio Nobel de Física em 1956 pelo
desenvolvimento e aperfeiçoamento desse componente.
As vantagens que os transistores apresentavam em relação às válvulas triodo,
que é de possuírem maior durabilidade, não aquecerem tanto, consumirem menos
energia, ocuparem menos espaço, aos poucos foram ficando evidentes, e fizeram com
que fossem inseridos na maior parte dos circuitos eletrônicos.
O termo “transistor” tem origem em “transfer resistor”, e foi cunhado no intuito
de expressar que o funcionamento desse componente está associado à transferência de
corrente elétrica de um determinado circuito para outro. Os transistores são constituídos
por três regiões semicondutoras e podem ser do tipo NPN ou PNP.
FIGURA 62
ESTRUTURA INTERNA E SIMBOLOGIA DOS TRANSISTORES NPN E PNP
Analisaremos o caso de um transistor NPN. Observe a Figura 63. Ao
construirmos um semicondutor extrínseco com duas regiões adjacentes, P e N,
conforme já foi mencionado, cria-se uma barreira de potencial e forma-se um campo
elétrico local.
FIGURA 63
REPRESENTAÇÃO DA BARREIRA DE POTENCIAL, ENTRE AS REGIÕES P E N
DO SEMICONDUTOR, E DO CAMPO ELÉTRICO LOCAL
Observe na Figura 64 (a) o circuito constituído por uma junção PN, uma fonte
externa F1 e uma chave aberta. Após fecharmos o circuito (Figura 64 b), temos uma
junção PN inversamente polarizada. Como já foi mencionado anteriormente surge na
junção o campo elétrico gerado pela fonte que possui o mesmo sentido do campo
elétrico local, aumenta a barreira de potencial, aumenta a resistência à passagem de
cargas pela junção PN, tornando praticamente nula a corrente elétrica no circuito.
(a)
(b)
FIGURA 64
JUNÇÃO PN POLARIZADA INVERSAMENTE
Considere que abaixo da região P seja inserido outro material tipo N do mesmo
semicondutor, haja a construção de um novo circuito, tenha uma chave inicialmente
aberta, e que seja colocada uma outra fonte de energia F2 (observe a Figura 65 (a)). Ao
fecharmos a chave teremos a junção PN de baixo polarizada diretamente, diferente da
junção PN de cima, que está inversamente polarizada. Essas polarizações são
escolhidas com a finalidade de obtermos o chamado efeito transistor.
Veja na Figura 65 (b) que a fonte F2 provoca na junção de baixo um campo
elétrico contrário ao campo elétrico local, permitindo movimento de elétrons da região
N para região P. Esses elétrons poderiam ficar em P, mas devido essa região do meio
possuir muito pouca espessura, e aos campos elétricos que eles ficam submetidos (das
junções e das baterias) tanto na junção de baixo quanto na de cima, recebem energia
suficiente para chegar à região N de cima.
(a)
(b)
FIGURA 65
FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR NPN EM
UMA CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM
Os transistores possuem três terminais que são chamados de emissor (E), base
(B) e coletor (C), e são evidenciados na Figura 65 (b). Considerando o caso do transistor
NPN representado, uma corrente elétrica entre E e B é intensificada pela existência do
campo elétrico da junção entre B e C (de cima). Esse é o efeito transistor. Nessa
situação as variações de corrente que ocorrem entre B e C, são as mesmas que ocorrem
entre E e B.
Existem três possibilidades de configuração para um transistor em um circuito,
que pode ser base comum, emissor comum ou coletor comum. Em nosso exemplo o
elemento comum é o emissor, portanto é de emissor comum. Essa configuração é a que
produz maior ganho de potência, visto que provoca tanto ganho de corrente como de
tensão.
Um dos transistores utilizado no guia de experimento 11 é o BC 548. Essa
nomenclatura significa que o transistor é de silício (B), é de áudio ou uso geral, (C), é
NPN e de baixa potência. Sua corrente máxima de coletor varia entre 20 mA e 500 mA
e sua tensão máxima de funcionamento varia entre 10 V e 80 V. Outro transistor
utilizado nesse o guia é o TIP 31. Esse último é um transistor de potência, funciona com
corrente máxima de coletor de 15 A, e tensão máxima entre E e C de 20 V até 100 V.
O principal transistor no circuito da cerca elétrica didática está presente na saída
da etapa geradora de pulsos. O oscilador monoestável dessa etapa libera um pulso de
saída a cada segundo, aproximadamente, com intensidade insuficiente para fazer o SCR
do circuito disparar. Para contornar esta situação e permitir que o SCR dispare foi
introduzido na saída dessa etapa um transistor com configuração de emissor comum.
Dessa forma haverá um ganho de corrente elétrica, proporcionando assim que o SCR
dispare.
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Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Guia de Experimentos 11
intitulado Circuitos com transistor.
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 3 / Exercícios de 1 até 6.
5.6 SCR
A sigla SCR significa Silicon Controlled Rectifier, cuja tradução pode ser Diodo
Controlado de Silício ou Retificador Controlado de Silício. O SCR é um componente da
família dos tiristores, é capaz de conduzir corrente elétrica em apenas um sentido como
os diodos, possuindo a vantagem de permitir a passagem de intensidades elevadas de
corrente elétrica, além de poder ser disparado por agente externo.
FIGURA 66
SCR TIC 106
O diodo controlado de silício é formado por quatro regiões semicondutoras e três
terminais denominados anodo, catodo e gate (comporta, chamado usualmente de porta).
A Figura 67 mostra a estrutura e o símbolo desse componente.
ANODO
(A)
A
P
N
GATE
(G)
(COMPORTA)
P
G
N
CATODO
(C)
C
ESTRUTURA
SÍMBOLO
FIGURA 67
ESTRUTURA E SÍMBOLO DO SCR
Para disparar o SCR é necessário que sua porta seja polarizada diretamente em
relação ao catodo. Assim ele entra em condução como se fosse um diodo, conduzindo
em apenas um sentido. Se a corrente for contínua, o SCR permanece indefinidamente
em condução, mesmo que a polarização da porta seja retirada.
Para compreendermos esse comportamento é preciso conhecermos a estrutura
interna de um SCR, que equivale à estrutura do circuito da Figura 68. Observe que a
porta do SCR está associada à base de um dos transistores e o coletor de cada
componente está ligado na base do outro. O pulso positivo aplicado na porta ocasiona
uma elevação na intensidade de corrente elétrica da base do transistor NPN e
conseqüentemente também na intensidade de corrente elétrica que percorre seu coletor.
Em virtude da base de cada transistor estar ligada no coletor do outro origina-se
um processo de realimentação e há uma elevação na intensidade de corrente elétrica até
um valor máximo associado às características do componente. Devido haver esta
realimentação, mesmo que não haja mais o pulso que provocou o disparo (a corrente de
porta inicial), o componente continua permitindo a passagem de corrente elétrica.
A
PNP
G
NPN
C
FIGURA 68
COMPOSIÇÃO INTERNA DE UM SCR
Para desligar o SCR necessitamos que a corrente principal que passa no interior
desse componente, entre o catodo e o anodo, seja anulada, ou mais precisamente, tem
que ser reduzida abaixo de um valor mínimo denominado corrente de manutenção. Isso
pode ser conseguido desligando o componente da fonte de energia externa por alguns
instantes, abrindo momentaneamente o circuito, ou desviando a corrente elétrica por
meio de um curto-circuito externo entre o anodo e o catodo.
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Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Guia de Experimentos 12
intitulado Circuito com SCR.
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 4 / Exercícios de 1 até 6.
5.7 Circuitos integrados
Se formos analisar componentes discretos como os capacitores, diodos,
transistores, notaremos que suas partes funcionais são bem menores do que o volume
total do componente.
Em 4 de outubro de 1957 os soviéticos lançam eficientemente o satélite Sputnik
I e com a corrida espacial em andamento os norte-americanos iniciam a investir
massivamente na pesquisa em semicondutores com o objetivo de miniaturizar
componentes eletrônicos.
Os precursores no desenvolvimento dos circuitos integrados foram Jack Kilby,
da Texas Instruments e Robert Noyce, da Fairchild Semiconductor, em 1958. Os
circuitos integrados com o passar do tempo ficaram conhecidos como “microchips”,
dispositivos que são constituídos por um aglomerado de componentes. O principal
componente presente nos circuitos integrados são os transistores, mas eles também
podem conter uma diversidade de outros componentes como resistores, capacitores e
diodos, por exemplo.
Existem hoje milhares de microchips, cada um com uma função. Dentro deles os
componentes formam diminutos circuitos eletrônicos. Existem microchips nos mais
variados equipamentos como televisores, relógios digitais, microcomputadores, DVDs,
vídeo-games e aparelhos de som.
FIGURA 69
ESTRUTURA INTERNA DE UM CIRCUITO INTEGRADO
Existem muitas vantagens dos CIs em comparação com circuitos que utilizam
componentes discretos, entre eles podemos citar um consumo mais baixo de energia,
diminuição de erros na montagem, diminuição de tamanho, de custos, de peso e
facilidade de produção em grande escala.
O desenvolvimento da Física Moderna foi essencial para o estudo dos
semicondutores. Assim foi possível a descoberta do transistor que não propiciou só uma
mera substituição para as válvulas, mas a possibilidade de ir além, de se obter
realizações jamais conseguidas anteriormente, sendo uma delas o advento dos CIs.
O circuito da cerca elétrica didática possui na etapa responsável pela geração de
pulsos um circuito integrado denominado CD40106B. Ele é constituído por inversores
digitais CMOS. CMOS significa Complementary Metal-Oxide Semiconductor e faz
parte da família lógica MOS.
A resistência de entrada do inversor CMOS é muito alta (R entrada > 1.109 Ω),
enquanto que a resistência de saída é relativamente baixa (R saída < 1000 Ω) e possui
como característica sinais de entrada e saída invertidos, isto é, se a entrada apresentar
nível lógico “1”, a saída apresentará nível lógico “0” e vice-versa.
A cápsula utilizada na fabricação deste circuito integrado é com fila dupla de
pinos, denominada DIL ou DIP.
FIGURA 70
ESTRUTURA INTERNA DO CI UTILIZADO NA CERCA DIDÁTICA
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Sugere-se que você realize as tarefas propostas em:
1) Animações Interativas 6 intitulada Inversores do CI CD40106B, que possui a
seguinte problematização: Qual é o circuito integrado em que se baseia o
funcionamento do gerador de pulsos da cerca didática? Qual a função lógica existente
para o CI? Qual é sua característica?
2) Guia de Experimentos 13 intitulado Circuito com função lógica “Não”.
ATIVIDADES
Capítulo 5: PARTE 5 / Exercícios de 1 até 4.