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Tecnológica de Santa Catarina
Gerência Educacional de Eletrotécnica
ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CURSO TÉCNICO DE ELETROTÉCNICA
Florianópolis, 2003
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Apostila - Eletronica Industrial, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CURSO TÉCNICO DE ELETROTÉCNICA
Florianópolis, 2003
1. ELETRÔNICA: BREVE HISTÓRICO
No início do século, com o surgimento da válvula eletrônica , houve um grande avanço na produção de equipamentos e dispositivos fabricados com a finalidade de executar muitas tarefas úteis para a época. Rádios, telégrafos, telefonia e até mesmo a televisão tiveram seu desenvolvimento por causa das válvulas. Você deve estar se perguntando: O que é uma válvula eletrônica? Observe a figura abaixo.
catodo
anodo
filamento
Uma válvula é um dispositivo composto por duas placas metálicas encapsuladas em vidro evacuado. Dentro desse bulbo de vidro, também há um filamento que, conectado a uma bateria, aquece uma das placas, o catodo , gerando um fluxo de elétrons que tende a se deslocar em direção à segunda placa, polarizada positivamente, chamada anodo. Quando invertemos a polarização da placa, cessa o fluxo de elétrons, ou seja, cessa a corrente elétrica dentro do tubo. Podemos concluir, a partir disso, que é possível fazer circular a corrente em um único sentido dentro de uma válvula diodo.
valência. São necessários dois elétrons de átomos distintos para formar uma ligação covalente. No semicondutor de silício tipo n , átomos como o fósforo (P) com cinco elétrons de valência, substituem átomos de silício e provêem elétrons extras. Como sobram elétrons (carga negativa), o semicondutor é do tipo n. No semicondutor de silício tipo p , átomos com três elétrons de valência, como o alumínio (Al), produzem uma deficiência de elétrons, ou uma lacuna que age como um portador de carga positiva. Os elétrons extras e as lacunas podem produzir corrente elétrica. Acrescente-se que quando um elétron ocupa a órbita de uma lacuna, devolve a energia cinética que possui, desaparecendo duas cargas livres (o elétron e a lacuna). A este processo chama-se recombinação.
2.4. Junção pn
Quando regiões de semicondutor do tipo p e tipo n são adjacentes dentro de um mesmo cristal, forma-se um diodo semicondutor. A região de contato é chamada “junção pn ”. Um diodo é um dispositivo de dois terminais que tem uma condutância baixa à corrente elétrica em uma direção mas uma alta condutância elétrica na outra direção.
As propriedades de condutância da junção pn dependem da polaridade e valor da tensão sobre o dispositivo. Séries de junções pn são usadas para fazer transistores e outros dispositivos semicondutores como: células fotoelétricas, tiristores, laser, retificadores, e etc.
3. DIODO SEMICONDUTOR
O Diodo semicondutor é um elemento que tem a função de deixar passar a corrente em um sentido (para um lado) e não deixar passar a corrente em sentido contrário. Esse componente é muito utilizado em circuitos que precisam transformar corrente alternada em corrente contínua, como se verá na tarefa que envolve retificadores de tensão.
Como exemplo, podemos analisar o funcionamento do circuito abaixo e que utiliza um diodo entre a lâmpada e a fonte de tensão.
1 a^ Situação : Diodo polarizado diretamente
A lâmpada acende porque o diodo está diretamente polarizado (o circuito fecha e a corrente passa para a lâmpada)
2 a^ Situação : Diodo polarizado reversamente
circuito não é percorrido por corrente, pois o diodo está "bloqueado" (reversamente polarizado).
ANODO
I
V
V
CATODO
3.1. Como é construído um diodo?
A função básica do diodo semicondutor é deixar passar a corrente elétrica em um sentido e não deixar passar no sentido inverso. A construção é feita usando um material semicondutor, o qual permite que sua capacidade de condução seja alterada pela adição de impurezas (negativas ou positivas). Em um dos lados são adicionadas cargas positivas e no outro, negativas, separadas por uma barreira que não permite que elas se recombinem. Para que haja a circulação de corrente, é necessário que se aplique a ele uma polarização adequada. Como você observou no experimento, a corrente só passa pelo diodo quando o terminal do ANODO está ligado ao pólo positivo da bateria e o CATODO ligado ao pólo negativo.
Este gráfico apresenta também o traçado de uma reta de carga. Qual a sua utilidade? De posse da curva de um determinado diodo podemos determinar o seu ponto de trabalho (Q – ponto quiescente). Desta forma podemos determinar a reta de carga da seguinte forma:
Primeiro: Determina-se a tensão de corte VC = VCC e IS = Zero (na prática é a tensão da fonte). Segundo: Determina-se a corrente de saturação considerando que o diodo é um curto Is = VCC/RL e VD = Zero. Terceiro: Unindo-se os dois pontos acima, encontra-se o ponto quiescente (Q) no encontro com a curva característica do diodo. Quarto: O ponto Q fornece a tensão e a corrente no diodo (VD e ID). Com estes dois pontos podemos determinar a potência dissipada pelo diodo (PD = VD x ID). De posse destes dados podemos escolher o diodo para o circuito comparando os valores calculados com as especificações técnicas do componente.
3.4. Modelos do Diodo
3.4.1. Diodo Ideal
Aqui ele é um circuito aberto.
Aqui ele é um curto circuito.
VD
ID
3.4.2. Diodo com V γ ID
V γ V D
3.4.3. Exemplo - 1 Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:
Considerando o modelo 1 Diodo ideal...
A potência no diodo é zero.
I (^) D 100 mA 200
20 = =
Considerando o modelo 2 – Diodo com V γ = 0,7V – diodo de silício
A potência no diodo é: PD = VD x ID = 67,6 mW
96 , 5 mA 200
20 0 , 7 I (^) D = − =
3.4.4. Exemplo - 2
Calcule a corrente no diodo de silício do circuito a seguir:
Considerando o modelo 2 Diodo com V γ = 0,7V – diodo de silício I (^) D 767 mA 30
A potência no diodo é: PD=VD*ID = 53,7 mW
OBSERVAÇÕES: Há uma diferença entre as considerações feitas para o cálculo da potência dissipada no diodo. Isto está relacionado com as tensões aplicadas no diodo. Logo, quando não for especificado, fica por conta do “bom senso” adotar o primeiro ou o segundo modelo. Normalmente para tensões muito baixas, o 0,7V do diodo faz diferença ... como no cálculo de uma fonte de 3V, por exemplo, onde VD representa mais de 20%.
Considerando o modelo 1 Diodo ideal.
I (^) D 100 mA 30
A potência no diodo é zero.
- Qual é a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta, se a tensão do diodo for de 0,7 V e a corrente de 100 mA?
- Determinar a reta de carga, o ponto quiescente (Q) e a potência dissipada pelo diodo no circuito a seguir, dada a sua curva característica.
- Qual o valor da tensão reversa sobre o diodo, no circuito da Figura 2?
FIGURA 2
Aqui estão alguns diodos e suas especificações de tensão de ruptura (VBR) e corrente máxima (ΙDM): Diodo VBR (V) (^) Ι DM (A) 1N914 75 0, 1N4001 50 1, 1N1185 120 35,
Qual desses diodos rompe-se, quando utilizado no circuito da Figura 3?
FIGURA 3
- Quais os diodos relacionados no exercício anterior, que podem ser utilizados no circuito da Figura 4?
FIGURA 4
- No circuito da Figura 5, VD = 5 V. O diodo está aberto ou em curto?
FIGURA 5
- No circuito da Figura 6, a resistência R está em curto. Qual será a tensão sobre o diodo? O que acontecerá ao diodo?
FIGURA 6
- O que há de errado com o circuito da Figura 7?
FIGURA 7
- Para o circuito da Figura 10, calcular a corrente de saturação, a tensão de corte e o ponto Q, dado a curva característica do diodo. Qual o valor da potência dissipada pelo diodo?
FIGURA 10
5. CIRCUITOS RETIFICADORES
A finalidade dos circuitos retificadores é converter tensão alternada em tensão contínua (num único sentido). Para isso utilizamos também os transformadores que podem abaixar ou elevar a tensão alternada (transformadores abaixadores e transformadores elevadores).
5.1. Tipos de transformadores
O primário ou o secundário pode ser constituído de enrolamento único ou múltiplo. Para o nosso estudo vamos considerar alguns exemplos de transformadores:
5.1.1. Especificações resumidas de um transformador Exemplo 1. 110+110 V / 16+16V - 8VA. É um transformador com dois enrolamentos no primário (tipo 4); o secundário também com dois enrolamentos (tipo 2 ou tipo 3) com derivação central ou Center-Tap que fornece 16V eficazes em cada enrolamento e uma corrente de 250mA em cada enrolamento (total de 500mA - 8VA). Os valores fornecidos são todos valores eficazes. A forma de onda é senoidal.
Exemplo 2. 0 – 110 - 220V / 15V - 15 VA. É um transformador que possui o primário com derivação central (tipo 3) e o secundário com enrolamento único (tipo 1 ou tipo 4) e fornece 1A. O primário e o secundário do transformador estão assim relacionados (isto sem levar em conta as perdas... um transformador ideal):
V
V
N
N
= e 2
1 1
2 N
N
I
I
= onde: V 1 (^) × I 1 = V 2 × I 2
onde: N 1 = número de espiras do primário N 2 = número de espiras do secundário I 1 = corrente no primário I 2 = corrente no secundário
5.2. Retificadores de Meia-Onda
5.3. Retificadores de Onda Completa
5.3.1. Transformador com derivação central
5.3.2. Retificador em ponte para transformador com enrolamento único no secundário
6. FILTRO CAPACITIVO
Depois que o sinal é retificado, a tensão produzida na saída é contínua, porém pulsante, inadequada para alimentar circuitos que exijam uma tensão contínua constante. Para obtermos uma tensão mais estável, usamos um capacitor na saída em paralelo com a carga. A tensão sobre a carga, com a presença do capacitor em paralelo, se tornará "quase contínua" porque o capacitor se carrega até o valor máximo da tensão retificada e tende a permanecer com esse valor. Pode-se observar com o auxílio do Osciloscópio. A finalidade do filtro capacitivo é tornar a tensão de saída mais próxima possível de uma tensão contínua e constante. Este tipo de fonte é aplicada em equipamentos que admitem pequenas variações na tensão de alimentação. Estas variações recebem o nome de tensão de ondulação ou ripple.
O gráfico abaixo mostra que a tensão de saída varia desde o valor de pico até um valor mínimo. Enquanto esta tensão esta aumentando o capacitor é carregado. Dependendo do valor do capacitor e também do valor carga (RL) o capacitor descarrega com maior ou menor rapidez. Se a rapidez da descarga for maior, a inclinação da reta de descida será maior. Com isso chega-se a um valor mínimo mais distante do valor de pico. Logo a ripple será também maior. Fazendo uma aproximação podemos dizer que a tensão de saída (Vmf) está no ponto médio entre o valor máximo (de pico) e o valor mínimo.
VRL Tensão de saída da fonte filtrada ou tensão na carga V2p Tensão no secundário do trafo ou na saída do filtro considerando o diodo ideal Vmf Tensão média fornecida pela fonte Vr Tensão de ripple ou tensão de ondulação
A tensão de ripple está assim
relacionada: f R C
V
V
L
mf r =^ × × onde:
Vr = tensão de ripple Vmf = tensão de saída da fonte (média) f = freqüência de entrada (freq. da rede) C = capacitância
Logo, quanto maior for a constante de descarga do capacitor (R x C) menor será a tensão de ripple. Com isso podemos perceber que aumentando a resistência de carga (diminuindo a corrente) ou aumentando o capacitor ou ambos, diminuímos a tensão de ripple (diferença entre o valor máximo e mínimo). Como a tensão de saída é o valor de pico menos a metade do ripple, concluímos que a tensão de saída da fonte aumenta.
RESUMINDO: Retificadores Ideais (considerando diodos ideais) com filtros (com capacitor):
GRANDEZAS
MEIA
ONDA
ONDA COMPLETA
(Transf. c/ deriv. central)
EM PONTE
(Transf. sem deriv. central) Número de diodos 1 2 4 Tensão de pico de saída V2p 0,5V2p V2p Tensão de pico inversa 2V2p V2p V2p Freqüência de ondulação FENT 2FENT 2FENT Corrente média no diodo Icarga 0,5Icarga 0,5Icarga Tensão média de saída V2p 0,5V2p V2p
Tensão média de saída 2 × V (^2) eficaz 2
2 × V 2 eficaz 2 × V 2 eficaz
Deste modo você tem elementos suficientes para calcular e implementar uma fonte filtrada.
EXEMPLOS: Basicamente temos dois tipos de problemas para ilustrar o assunto “fonte filtrada”.
Exemplo 1. Tenho um transformador e quero montar uma fonte filtrada com ele. O trafo que possuo é de 110+110V / 12 + 12V – 10VA. Logo, o trafo disponível possui enrolamento com derivação central e pode fornecer 416mA em cada enrolamento de 12 V (isto significa fornecer 24V / 416mA ou 12V/ 832mA). Escolha do retificador: Para um transformador com derivação central vamos escolher um retificador de onda completa (melhor aproveitamento do trafo) com 2 diodos.
- Especificações dos diodos A tensão máxima na saída do retificador será : Vp = V 2 eficaz× 2 ×−Vγ= 16,3V Especificações dos diodos: Tensão reversa maior que 2 × V (^) 2 × 2 = 33 , 9 V Os diodos devem suportar uma corrente maior que 416mA
- Especificando o capacitor Adotando como tensão de ripple 1 Volt e freqüência da rede 60Hz teremos tensão máxima de 16,3 V e tensão mínima de 15,3V e portanto a tensão média será de 15,8V, para isso o capacitor deverá ter capacitância igual a 6.933 μF. A tensão suportada pelo capacitor deverá ser maior que 16,3V. A carga terá uma resistência igual a 18,4Ω Exemplo 2. Quero projetar uma fonte filtrada para fornecer uma corrente de 2 Ampères a 20 V. A tensão de ripple máxima adotada será de 5%. A tensão máxima será de 20,5 V e a mínima de 19,5 V. Neste caso tenho as especificações da carga e vou dimensionar o trafo e os outros componentes.
- Especificando o transformador Vamos escolher um transformador com secundário único (sem derivação central). Poderíamos escolher outro tipo transformador. De acordo com o transformador escolhido temos que utilizar um retificador em ponte (4 diodos). A resistência da carga (RL) será de 10Ω. Para que a tensão na carga seja 20V, a tensão de pico na saída do transformador será de: 20 , 5 + 2 × V (^) γ = 21 , 9 V. Logo, a tensão eficaz no secundário do transformador será 15,5V.
7. Especificações do Diodo Zener
V γ - Tensão de condução na polarização direta, onde VD ≥ V γ
VZ - Tensão Zener (dada pelo fabricante). Como VZ sofre uma pequena variação em função de IZ , o fabricante fornece um valor obtido por uma corrente de teste IZT.
IZM - Corrente Zener máxima
IZm ou IZK - Corrente Zener mínima. Caso não seja dado o valor de IZK considera-se IZm como sendo 10% de IZM ou seja: IZm = 0,1 ⋅ IZM
PZM - Potência Zener máxima. O diodo Zener dissipa esta potência quando sua corrente atinge o valor IZM , ou seja: PZM = VZ ⋅ IZM
RZ - Resistência Zener. Esta resistência reflete a pequena variação de VZ em função de IZ e pode ser calculada por:
R
V
z I
z z
EXEMPLO : Diodo 1N961 - especificações dadas pelo fabricante
Corrente zener máxima IZM 32 mA Corrente zener mínima IZm 0,25 mA Tensão Zener VZ 10 V Resistência Zener RZ 8,5 Ω Potência máxima PDM 350 mW
11 10.5 10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1
0
1
8. Diodo Zener como Regulador de Tensão
8.1. Introdução
Como vimos anteriormente, o Diodo Zener tem uma peculiaridade interessante: enquanto ele está operando na Região Zener (inversamente polarizado) sua tensão é praticamente constante (não varia mais do que 5%) para grandes variações de corrente (às vezes, mais de 100x) que por ele circula. No entanto, para se conseguir esta condição, existe um valor mínimo de corrente que garanta a presença da Tensão Zener sobre o diodo, já definida como IZmin. Por outro lado, o Diodo Zener também tem um limite máximo de corrente para que ele não queime, chamada de IZMAX. Vejamos, então, como garantir que um Diodo Zener opere dentro dos limites de corrente estabelecidos pelo fabricante e com isso usá-lo na sua principal função: um bom regulador de tensão. Observe a figura do circuito eletrônico e as equações a seguir.
VE
VZ
R S
I S
I Z
I I
V R I V
S Z
E S S Z
=
= ⋅ +
O resistor RS é colocado para limitar a corrente que passa no Diodo Zener ( I S = IZ ) e, ao mesmo tempo, apresentar a diferença de tensão que existir entre VE e VZ. Se a corrente I Z possui valores mínimos e máximos para que o Diodo Zener opere satisfatoriamente, o resistor RS deverá ser escolhido entre um valor mínimo e um máximo para garantir que a corrente IZ esteja dentro da faixa permitida. Vejamos os cálculos:
R
V V S I
E Z
Z
=
− ⇒
R
V V
I
R
V V
I
Smin
E Z
Zmax
Smax
E Z
Zmin
=
−
=
−
Note que para o cálculo do valor máximo de RS , utilizamos o valor mínimo de corrente IZ , e vice-versa.
Somente a partir do cálculo dos valores para RS (mínimo e máximo) poderemos escolher um valor comercial adequado para ser utilizado no circuito.
EXEMPLO : Calcule os limites do resistor RS colocado para limitar a corrente do Diodo Zener 1N
12 V
VZ =10 V
R S =?
I Z
Corrente zener máxima IZM 30 mA Corrente zener mínima IZm 0,25 mA Tensão Zener (^) VZ 10 V Potência máxima PDM 320 mW
min mA
R S = Ω
mA
R (^) SMax