Baixe Eletrônica Geral - Instrumentação (SENAI) e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! CPM – Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção Eletrônica Geral Instrumentação REVISÃO AGOSTO/99 __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão2 Eletrotécnica Básica – Instrumentação  SENAI – ES, 1999 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI) Supervisão Rosalvo Marcos Trazzi (CST) Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI) Elaboração Jader de Oliveira (SENAI) Aprovação Alexandre Kalil Hanna (CST) Carlos Athico Prates (CST) Wenceslau de Oliveira (CST) SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP 29052 - 121 Telefone: (027) 334 - 5200 Telefax: (027) 334 - 5212 CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077 __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 5 Um átomo possui no máximo 7 (sete) camadas, assim denominadas: k, l, m, n, o, p, conforme abaixo: As camadas inferiores, uma vez completas, não cedem nem recebem elétrons, logo os elétrons de valência (elétrons da última camada externa) são os únicos em condição de participarem de fenômenos químicos ou mesmo elétricos. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão6 1.2 - Classificação do Materiais quanto à condutividade Os materiais podem ser classificados em 03 (três) tipos: condutores isolantes semicondutores Condutores: Dizemos que um material é condutor, quando os elétrons são fracamente ligados ao núcleo e ao serem submetidos a uma diferença de potencial passam a se locomover no interior do material. Podemos citar como exemplo o ouro, a prata, o cobre e outros. Isolantes: Dizemos que um material é isolante, quando os elétrons se encontram fortemente presos em suas ligações, evitando a circulação desses elétrons. Podemos citar como exemplo, a borracha, a mica, a porcelana, etc. Semicondutores: Dizemos que um material é semicondutor se sua resistência se encontra entre a dos condutores e a dos isolantes. Os principais semicondutores utilizados são: Silício (Si) Germânio (Ge) A principal característica dos semicondutores é a de possuir 04 (quatro) elétrons em sua última camada, camada de valência. Isto permite aos átomos do material semicondutor a formação entre si de ligações covalentes. 1.3 - Cristais semicondutores Dizemos que uma substância é cristalina se ela possui uma estrutura cúbica, tendo seus átomos ocupando os vértices desse cubo. O silício (Si) e o germânio (Ge) apresentam-se sob a forma cristalina, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração periódica. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 7 Ligação covalente: É a ligação por meio de pares de elétrons que participam simultaneamente dos dois átomos, mantendo a estabilidade. 1.4 - Classificação dos átomos quanto ao número de elétrons na camada de valência Elemento trivalente: É todo elemento que possua em sua última camada (camada de valência) um total de 03 (três) elétrons Exemplo: Alumínio, índio, boro, gálio. Elemento tetravalente: É todo elemento que possua em sua última camada (camada de valência) um total de 04 (quatro) elétrons Exemplo: Silício, germânio, carbono, estanho. Elemento pentavalente: É todo elemento que possua em sua última camada(camada de valência) um total de 05 (cinco) elétrons. Exemplo: Antimônio, nitrogênio, fósforo, arsênio. 1.5 - Dopagem do semicondutor Chama-se dopagem de um semicondutor, o processo utilizado para construir elementos P e N, através da mistura ao silício (Si) ou germânio (Ge) de quantidades reduzidas de impurezas de elementos trivalentes ou pentavalentes. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão10 Quando um elétron e uma lacuna se encontram, suas cargas individuais neutralizam-se e isto deixa o átomo da impureza carregado. Os átomos das impurezas são fixos. O átomo que produzir o elétron tem agora uma lacuna e se carrega positivamente, e o átomo que produziu a lacuna tem um elétron e se carrega negativamente, e são chamados de íons. Com isto aparecerá um campo elétrico entre o material P e o material N e uma diferença de potencial chamada de barreira de potencial ou região de carga espacial ( camada de depleção ). Depleção significa diminuição ou ausência e, neste caso, esta palavra corresponde à ausência de portadores majoritários na região próxima à junção PN . 2.2 - Polarização Inversa da Junção PN Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento N junção PN e o terminal negativo da bateria no lado P. Neste caso, os portadores majoritários do lado P (lacunas) são atraídos pelo pólo negativo da bateria e do lado N (elétrons) pelo pólo positivo da bateria. Os portadores majoritários se afastam da junção, aumentando a barreira de potencial, não permitindo a passagem de corrente através da junção. Na realidade existirá uma pequena corrente, devido aos portadores minoritários. Esta corrente é chamada corrente de fuga, e varia com a temperatura. 2.3 - Polarização direta da Junção PN Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento P da junção PN e o terminal negativo da bateria ao lado N. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 11 Neste caso, os portadores majoritários são repelidos em direção à junção, havendo uma barreira de potencial muito pequena e facilidade para passagem da corrente elétrica. O diodo apresenta uma resistência muito baixa para esta polarização. NOTA: Conforme os estudos anteriores, podemos concluir que o elemento PN conduz quando diretamente polarizado, apresentando, na junção, uma pequena resistência, um pouco maior que uma ou duas dezenas de ohms, e não conduz quando polarizado inversamente, apresentando uma resistência da ordem de mega-ohms. 2.4 - Símbolo e forma física do diodo de junção Como vimos, ao elemento puro, por exemplo o silício, dopado de forma a ter uma região P e N, chamados de diodo de junção. O diodo possui 02 (dois) eletrodos. Ao lado P, conecta-se um elemento denominado ânodo, e o lado N, o catodo, conforme a figura abaixo. Como sabemos, o fluxo de corrente é do material P para o N, ou seja, do ânodo ( + ) para o catodo ( - ), que ocorre na polarização direta. Podemos representar um diodo polarizado diretamente atuando como uma chave fechada, que representa uma resistência quase igual a 0 (zero). __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão12 Quando polarizamos o diodo inversamente, representamo-lo atuando como se fosse sendo sua resistência de valor muito elevado, não havendo circulação de corrente. As formas físicas de alguns diodos de junção, mostramos na figura abaixo. 2.5 - Curva característica do diodo de junção Na figura abaixo representamos a curva característica de um diodo com polarização direta e inversa. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 15 Assim, o ponto quiescente resultante é: Vd = 1,2V e Id = 20mA Finalmente, a potência dissipada pelo diodo vale: PD = Vd * Id ⇒ PD = 1,25 * 20 * 10-3 ⇒ PD = 25mW 2.7 – Modelos de diodos 2.7.1 – Modelo 1 - Diodo Ideal Dizemos que um diodo é ideal quando conduz, diretamente, ao ser polarizado e sua resistência é igual a zero; porém quando polarizado inversamente, sua resistência é infinita, o diodo não conduz. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão16 2.7.2 - Modelo 2 - Diodo com Vγ __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 17 2.7.3 - Modelo 3 - Diodo com Vγ e RD ( Modelo Linear ) Este modelo é o mais próximo do real e considera o diodo comportando-se como um condutor em série com uma bateria de valor Vγ e uma resistência RD correspondente à inclinação de sua curva característica na polarização direta. .............. Exemplos: Para efeito de comparação, estes exemplos mostram os resultados dos cálculos das correntes num diodo, utilizando-se os três modelos em duas condições diferentes de circuitos: Circuito 1 Neste caso, percebe-se que as diferenças entre os resultados obtidos são pequenas em relação à ordem de grandeza da corrente no diodo e, portanto, qualquer modelo pode ser adotado, dependendo apenas da precisão desejada. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão20 Os elétrons que são portadores majoritários do material tipo N, saem do emissor e são injetados na região da base, devido à polarização direta da junção base-emissor. Como a junção base-coletor possui polarização inversa, os elétrons que saem do emissor são injetados na base, e são atraídos para o coletor, devido a base ser fina e possuir uma quantidade pequena de lacunas. A corrente do emissor (IE) é relativamente grande, dada em mili-ampére (mA), a corrente da base (Ib) é pequena, dada em micro-ampére ( µA) e a corrente do coletor (IC) também é grande, dada em mili-ampére (mA). A corrente de base é pequena devido a ela ser praticamente resultante de poucas recombinações na base. Pela figura 2 podemos escrever a equação: IE = IB + IC, e como a corrente da base IB é pequena, temos IE ≅ IC. Outra equação que podemos escrever é a seguinte: VCE = VBE + VCB, onde VCE é a tensão entre coletor e emissor. 1.3 - Convenções e simbologia Os símbolos convencionados para o transistor são os seguintes: Polarizando o transistor, teremos as tensões e corrente indicadas na figura abaixo. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 21 1.4 - Relações entre correntes no transistor Sabemos que: IE = IB + IC; mas IB é muito menor que IC e representa a parte do fluxo de elétrons atingiu o coletor. Para relacionarmos IC e IE podemos introduzir um parâmetro α (ganho em corrente contínua). α= IC . IE Como IC é menor que IE, teremos que α será sempre menor que 01 (um). Podemos também relacionar IC com IB. Neste caso, temos o parâmetro S (ganho em corrente contínua), que relaciona a corrente de saída (IC), com a corrente de entrada (IB). β = IC . α = β/(1+β) ou β = α/(1-α) IB NOTA: Algumas vezes, o ganho de corrente do transistor (β), é representado por outro parâmetro que é denominado h fE. 1.5 - Configuração em que se apresentam os transistores Existem 03 (três) tipos de configurações em que podemos montar um transistor: emissor comum, base comum e coletor comum. O tipo de configuração está relacionado com o terminal de entrada e saída, tendo um elemento comum à entrada e à saída. a) Configuração emissor comum Dizemos que um transistor está na configuração de emissor comum, quando a entrada é na base e a saída é no coletor, tendo o emissor como elemento comum. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão22 b) Configuração base comum Dizemos que um transistor está na configuração. coletor, tendo a base como elemento comum. c) Configuração Coletor Comum Dizemos que um transmissor está em configuração coletor comum (ou seguidor de emissor), quando a entrada é na base e a saída é no emissor, tendo o coletor como elemento comum. medio __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 25 b) A curva característica de entrada foi obtida para VCE = 5V. Entrando com esse valor na curva característica de saída, juntamente com a corrente de entrada iB obtida no item a, tem-se que a corrente de saída iC = 110mA. Com os valores de iC e iB , tem-se que o ganho de corrente do transistor, nestas condições, vale: β = iC/iB = 110*10-3/300*10-6 = 367 c) Na configuração BC, o ganho de corrente vale: α = β / ( 1+β ) ⇒ 367 / ( 1+367 ) ⇒ α = 0,9973 d) Se a corrente de base dobrar de valor, tem-se iB = 600µA. Pela curva característica de saída ( mostrada anteriormente ), chega-se ao novo valor da corrente de coletor: iC’ = 280mA Assim: β’=iC’/ iB’ = 280*10-3 / 600*10-6 = 467 e) Na configuração BC , o ganho de corrente vale: α’= β’/ ( 1+β’) ⇒ α’= 467 / ( 1+ 467 ) ⇒ α’= 0,9979 1.7 - Ponto de operação de um transistor Ao polarizarmos o transistor devemos verificar os limites de operação do mesmo, ou seja, a tensão máxima coletor-emissor (VCE máx), a corrente máxima de coletor (IC máx), a tensão máxima base- emissor (VBE máx ), a tensão máxima coletor-base (VCB máx), a Potência máxima (PC máx) e a __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão26 temperatura máxima. Se ultrapassarmos estes limites, poderemos danificar o transistor ou fazê-lo trabalhar com distorções. O ponto de operação de um transistor, também denominado ponto de trabalho ou ponto quiescente, deve ser localizado na região de operação limitada pelos valores máximos de tensão, corrente e potência. Além da região de operação (região ativa), onde o transistor trabalha sem distorções, devem ser levadas também em consideração as regiões de corte e de saturação. Na região de corte, a tensão VBE é menor que VBE de condução, logo não haverá corrente IB circulando, IC também será zero, e VCE estará com valor elevado. Na região de saturação, a tensão VBE é um pouco maior que VBE de condução. Neste caso, a corrente de entrada IB e consequentemente IC são muito grandes, o que implica em VCE baixo, em torno de 0,2 Volts (dependendo do transistor) 1.8 - Corrente de fuga do transistor (ICBO) Quando polarizamos uma junção PN inversamente, circulará pela portadores minoritários. A corrente de fuga (ICBO) circula do coletor para a base com o emissor em aberto, conforme a figura abaixo. A corrente ICBO varia com a temperatura. Para cada 10º C de aumento na temperatura, a corrente ICBO dobra o valor. 1.9 - Circuito simples do transistor __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 27 Vamos considerar o seguinte circuito: a) Relação entre IB e VBE Pela malha de entrada, podemos escrever a seguinte equação: E1= R1 . IB + VBE Para determinarmos o ponto de operação do transistor, suponhamos: 1º) VBE = 0, teremos IB = E1 (1º ponto) R1 2°) IB = 0, teremos VBE = E1 (2º ponto) Pela curva característica VBE x IB, teremos: b) Relação entre IC e VCE Pela malha de saída do circuito, podemos escrever a seguinte equação E2 = R2 . IC + VCE __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão30 Neste circuito, como VCC e RB são valores constantes e VBE praticamente não varia, a variação da corrente de polarização da base é desprezível. Por isso, este circuito é chamado de polarização EC com corrente de base constante. Exemplo: Polarização EC com corrente de base constante Dado um transistor com β = 200 e uma fonte de alimentação de 12V , determinar os resistores de polarização ( valores comerciais ) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC / 2, ICQ = 15mA e VBEQ = 0,7V . Cálculo de RC : RC = ( VCC – VCEQ ) / ICQ = ( 12 – 6 ) / 15*10-3 ⇒ RC = 400Ω Valor comercial adotado: RC = 470Ω Potência de RC : PRC = RC*ICQ2 = 470*( 15*10-3)2 = 106mW ( 1/4 W ) Cálculo de RB : IBQ = ICQ / β ⇒ IBQ = 15*10-3 / 200 ⇒ IBQ = 75µA RB = ( VCC – VBEQ ) / IBQ ⇒ RB = ( 12 – 0,7 )/ 75*10-6 ⇒ RB = 150667Ω Valor comercial adotado : RB = 150 KΩ Potência de RB : PRB = RB*IBQ2 = 150*10-6*( 75*10-6 )2 = 0,84 pW ( 1/8 W ) Observação: Ao se adotarem os valores comercias para os resistores de polarização, impõe-se um pequeno deslocamento no ponto quiescente. Porém este erro não é relevante, dado que todos os parâmetros do transistor são, também, valores estimados pelos fabricantes, sem contar a tolerância dos resistores de polarização. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 31 O circuito de polarização EC com corrente de base constante tem o inconveniente de ser muito sensível a variações de temperatura. Influência da temperatura no comportamento dos transistores. O cristal semicondutor é um material sensível à temperatura, isto é, seu aumento pode fornecer energia suficiente aos átomos do cristal, gerando novos portadores. Assim sendo, os diodos e transistores sofrem influência da temperatura. No caso dos transistores, a variação da temperatura altera principalmente o parâmetro β , VBE e corrente de fuga. Na figura 7.9, está esboçada graficamente a influência da temperatura para o parâmetro β e VBE. Influência da Temperatura no Transistor A variação de VBE com a temperatura é desprezível ( por exemplo: o aumento da temperatura de 25ºC para 50ºC causa uma diminuição aproximada de 0,05V em VBE ). Porém, a corrente de fuga e o β podem Ter variações acentuadas ( no caso de β , a mesma variação de temperatura pode dobrá-lo ). Isto ocasiona uma grande variação na corrente de coletor, sem que haja variação na corrente de base, deixando o circuito instável. Com a determinação do ponto quiescente, o que se deseja é fixar a corrente e a tensão de saída do circuito. No caso do circuito de polarização na configuração EC , reproduzido na figura 7.10, o ponto quiescente deve fixar os valores de ICQ e VCEQ. Variação do Ponto Q por Influência da Temperatura Analisando a malha de saída, formada por VCC, RC e VCE , observa-se que o aumento da temperatura faz com que a corrente de coletor ICQ aumente ( aumento da corrente quiescente ), aumentando a tensão VRC. Sendo VCC constante, esse aumento de VRC tem que ser compensado pela diminuição de VCEQ ( diminuição da tensão quiescente ). __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão32 A diminuição de VCEQ provoca novo aumento de ICQ , resultando numa realimentação positiva, ou seja, numa instabilidade do circuito. Portanto, uma forma de contornar este problema, é forçar uma realimentação negativa, sempre que houver uma tendência de instabilidade no circuito. A solução para isto é colocar em série com o emissor um resistor RE. Circuito de polarização EC com corrente de emissor constante. Neste circuito de polarização, é inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte de alimentação, como mostra a figura 7.11, para transistores NPN e PNP. Polarização EC com Corrente de Emissor Constante Analisando o circuito de polarização do transistor NPN, percebe-se que, se ocorrer um aumento na corrente de coletor devido ao aumento da temperatura, a corrente de emissor também aumenta. Consequentemente, aumentam VRC e VRE. Isto provocaria uma diminuição de VCEQ, dando início à realimentação positiva ( instabilidade ). Porém, o aumento de VRE causa uma diminuição de VRB na malha de entrada, já que VBEQ mantém-se praticamente constante. A diminuição de VRB , por sua vez, provoca a diminuição de IBQ e , consequentemente, de ICQ, compensando o seu aumento inicial. A resposta dada por RE para o aumento de ICQ , chama-se realimentação negativa, e garante a estabilidade do circuito e do ponto quiescente. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 35 O circuito de polarização por divisor de tensão na base é projetado de forma a fixar o valor de VRB2. Da malha de entrada, tem-se: VRB2 = VBE + VRE Fixado o valor de VRB2 , como VBE é praticamente constante com a temperatura, VRE também permanece constante. Isto garante a estabilização de IEQ e ICQ, independente da variação de β. O valor de RB2 pode ser fixado a partir da sua corrente, adotando-se o seguinte critério: IB2 = 10*IB Equacionando este circuito, tem-se: Malhas de entrada: RB2*IB2 = VBE + RE*IE RB1*IB1 + VBE + RE*IE = VCC Portanto, as equações de RB2 e RB1 : RB2 = ( VBE + RE*IE ) / IB2 e RB1 = ( VCC – VBE – RE*IE ) / IB1 Malha de saída: RC*IC + VCE + RE*IE = VCC Portanto, a equação de RC é: RC = ( VCC – VCE – RE*IE ) / IC Para este tipo de polarização, devido ao número de incógnitas, vale também o seguinte critério prático: VRE = VCC / 10 Determinação da reta de carga Ponto de saturação : VCEsat = 0 Pela equação da malha de saída, tem-se: RC*ICsat + VCEsat + RE*IEsat = VCC ⇒ RC*ICsat + RE*IEsat = VCC Mas, IC = IE , portanto : __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão36 ( RC + RE )*ICsat = VCC ⇒ ICsat = VCC / ( RC + RE ) Ponto de corte : ICcorte = IEcorte = 0 Pela equação da malha de saída, tem-se : RC*ICcorte + VCEcorte + RE*IEcorte = VCC ⇒ VCEcorte =VCC Com esses dois pontos, traça-se a reta de carga sobre a curva característica de saída da configuração EC , onde se localizará o ponto quiescente, como mostra a figura 7.13 . Reta de Carga na Configuração EC Exemplo :Polarização EC com divisor de tensão na base Dado um transistor com β = 250 e uma fonte de alimentação de 9V , determinar os resistores de polarização ( valores comerciais ) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC / 2 , ICQ = 20mA e VBEQ = 0,65V e traçar a sua reta de carga. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 37 Cálculo de RC : Adotando-se VRE = VCC / 10 = 0,9V : RC = ( VCC – VCEQ – VRE ) / ICQ = ( 9 – 4,5 – 0,9 ) / 20*10-3 ⇒ RC = 180Ω Valor comercial adotado: RC = 180Ω Potência de RC : PRC = RC*ICQ2 = 180*( 20*10-3 )2 = 72mW ( 1/8W ) Cálculo de RB1 e RB2 : IBQ = ICQ / β ⇒ IBQ = 20*10-3 / 250 ⇒ IBQ = 80µA IB2 = 10*IBQ ⇒ IB2 = 10*80*10-6 ⇒ IB2 = 800µA IB1 = IBQ + IB2 = 80*10-6 + 800*10-6 = 880µA Da malha inferior de entrada, tem-se : RB2 = ( VBE + VRE ) / IB2 ⇒ RB2 = ( 0,65 + 0,9 ) / 800*10-6 ⇒ RB2 = 1937Ω Valor comercial adotado : RB2 = 2K2Ω Potência de RB2: PRB2 = RB2*I2B2 = 2,2*103*(800*10-6)2 = 1,41mW (1 / 8W) Da malha formada por VCC, RB1, VBE e VRE, tem-se: RB1 = VCC – VBE – VRE/ IB1 ⇒ RB1 = 9 – 0,65 – 0,9/ 880*10-6 ⇒ RB1 = 8466Ω Valor comercial adotado: RB1 = 8K2Ω Potência de RB1: PRB1 = RB1*IB12 = 8,2*103*(880*10-6)2 =6,35mW ( 1/8W ) Cálculo de RE: IEQ = ICQ + IBQ ⇒ IEQ = 20*10-3 + 80*10-6 = 20,08mA RE = VRE / IEQ ⇒ RE = 0,9/ 20,08*10-3 ⇒ RE = 44,8Ω __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão40 TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET) O transistor de efeito de campo (FET) tem o princípio de funcionamento diferente do transistor bipolar. É um dispositivo sensível à tensão, com impedância de entrada elevada, e impedância de saída relativamente alta. O FET é utilizado tanto nos circuitos analógicos como nos digitais, como amplificador ou chave. Existem dois tipos básicos de FET: o FET de junção e o MOSFET de metal óxido semicondutor. 2.1 - Fet de Junção O FET de junção consiste em uma fina camada de material tipo n ou tipo p com dois contatos ôhmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores interligados denominados portas (G). Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno (Canal N). A camada condutora entre a fonte e o dreno é chamada de canal. O FET pode ser do tipo n, no qual o canal é do tipo n e as portas são do tipo p; ou do tipo p, sendo o canal tipo p e as portas tipo n. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 41 2.2 - A corrente no FET tipo junção Vamos considerar o circuito: A porta (G) de um FET de junção tem sempre polarização reserva para impedir corrente de porta e também para criar camadas de depleção em volta das regiões P (canal N), possibilitando o estreitamento do canal condutor e, consequentemente, a diminuição da corrente entre a fonte e o dreno. A corrente de dreno (ID) é controlada pela tensão de VGS. Como existe o canal, mesmo que a tensão VGS seja igual a zero, haverá corrente percorrendo o elemento. O aumento da polarização reserva (VGS), diminui a largura do canal N, o que provoca uma diminuição na corrente do dreno (ID). VGS = 0 Condição da porta em curto. A corrente de dreno se nivela e torna-se praticamente horizontal; o FET se comporta como uma fonte de corrente. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão42 VGS corte - Tensão de constrição Quando a tensão da porta for suficientemente negativa, as camadas de depleção tocam-se e o canal condutor desaparece, ID=0. IDSS - Corrente de dreno para fonte com a porta em curto. O gráfico da figura 19.b relaciona-se a corrente de saída versus a tensão de entrada Essa curva é conhecida como curva de transcondutância, que é um trecho de uma parábola. A sua equação é a seguinte: ID = IDSS [ 1 - VGS . ]2 VGS corte Onde: ID = corrente de dreno. IDSS = corrente de dreno para fonte com a porta em curto circuito VGS = tensão entre a porta e fonte. VGS corte = tensão de constrição. Polarização do JFET Autopolarização Esta polarização utiliza apenas uma fonte de alimentação. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 45 Da malha de saída , obtém-se: VDD = RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ ⇒ RD = ( VDD – VDSQ + VGSQ ) / IDQ Como a curva de transferência é praticamente a mesma para todo VDS > VPO ( região ativa da curva de dreno ), o valor de VDSQ é fixado por RD. Exemplo : Dada a curva de transferência do JFET BF245A ( PDmax = 300mW ) , determinar os valores de RS e RD do circuito de autopolarização para IDQ = 1mA e VDSQ = 15V . Determinação da reta de autopolarização: 1º Ponto: Q 2º Ponto: Origem Do ponto Q da reta de autopolarização, obtém-se: VGSQ = -1V Cálculo de RS e RD : RS = -VGSQ / IDQ = -( -1 )/ 1*10-3 ⇒ RS = 1KΩ RD = ( VDD – VDSQ + VGSQ ) / IDQ = ( 25 – 15 – 1 ) / 1*10-3 = 9KΩ Valor comercial adotado : RD = 10KΩ O fato de o valor adotado para RD ser um pouco maior que o calculado, diminui VDSQ de 15V para 14V. Porém, as variações de IDQ e VGSQ são desprezíveis, pois o ponto quiescente está na região ativa. Potência dissipada pelo JFET : __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão46 PD = VDSQ* IDQ = 14*1*10-3 = 14mW ( menor que PDmax ) --------- /// --------- Uma outra forma de se polarizar o JFET pela reta de autopolarização, porém, sem a curva de transferência, é utilizando os parâmetros máximos e mínimos de IDSS e VP , fornecidos pelos manuais: Os dois pontos ( IDSS , -VP ) e a origem definem uma reta de autopolarização aproximadamente no centro da curva de transferência. Assim, como os parâmetros ( IDSSmax , -VPmax ) e (IDSSmin , -VPmin ) , calculam-se dois valores para o resistor RS , sendo um para a parábola máxima e outro para a mínima: RSmax = -VPmax / IDSSmax RSmin = -VPmin / IDSSmin Neste caso, um valor de RS intermediário de RSmin e RSmax garante um ponto quiescente próximo ao da parábola correspondente à dos parâmetros típicos do JFET . Para o JFET BF245A , o manual do fabricante fornece os seguintes parâmetros : min max IDSS ( mA ) 2,0 6,5 VP ( V ) -0,5 -8,0 Cálculo de RS: RSmax = -VPmax/ IDSSmax = -( -8 ) /6,5*10-3 = 1230Ω RSmin = -VPmin/IDSSmin = -( -0,5 )/2*10-3 = 250Ω Portanto, pode-se utilizar RS = 1KΩ , como no exemplo anterior. 2.3 - Mosfet O MOSFET é um elemento largamente empregado na construção de circuitos integrados, devido a características de construção. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 47 O MOSFET de canal n é constituído de um substrato tipo p no qual são difundidas duas regiões tipo n. Estas regiões formam a fonte (S) e o dreno (D). A porta (G) é formada por uma camada de dióxido de silício (isolante), em cima da qual é depositada uma placa de metal. A porta é isolada do canal. O diodo PN que existe num FET de junção foi eliminado no MOSFET. Formação do canal no MOSFET A porta (G) é formada por uma camada de dióxido de silício (SiO2) na qual é depositada uma placa de metal. Quando colocamos a porta (G) em um potencial positivo em relação ao substrato, haverá então acumulação de elétrons, formando o canal. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão50 Para este tipo de construção o canal de condução da corrente ID só vai aparecer quando houver tensão VGS. 2.7 - Polarização do Mosfet tipo crescimento Vamos considerar o circuito da figura abaixo: No caso da figura acima em que o MOSFET é de canal N, quando polarizamos a porta (G) negativamente em rel circulará entre estes dois elementos será função da relação à fonte (S), não haverá condução. Fazendo a porta (G) positiva em relação à fonte (S) e aumentando a tensão de VGS estabelecemos um contato entre a fonte (S) e o dreno (D), onde a corrente ID que agora circulará entre estes dois elementos será função da tensão positiva à porta (G) que controlará a largura do canal. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 51 VGS min - Tensão de limiar Tensão necessária para criar uma fina camada no material tipo N próximo do dióxido de silício ligando a fonte ao dreno. Para o MOSFET tipo crescimento de canal p, teremos uma mudança de polarização. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão52 CIRCUITOS BÁSICOS DE AMPLIFICADORES 1 - CIRCUITOS BÁSICOS DE AMPLIFICADORES O amplificador linear é um circuito eletrônico que multiplica a amplitude constante. Para usarmos o transistor como amplificador de tensão ou corrente, é do transistor. Essa polarização nos mostra em que região o transistor. Essa polarização nos mostra em que região o transistor está operando. 1.1 - Circuito simples de amplificação Vamos considerar o circuito da figura abaixo. No circuito acima, temos: E é a bateria de polarização; R1 e R2 são as resistências de polarização e C1 e C2 são capacitores de acoplamento que permitem somente a passagem de corrente alternada, bloqueando a corrente contínua. A tensão de entrada (Vi) produz uma variação na tensão de base-emissor (VBE) que, por sua vez, produz uma variação na corrente de base (IB) e esta produz uma variação de β vezes na corrente de coletor (IC), onde IC = β IB, fazendo com que haja uma variação de tensão no resistor R2. Como a tensão E é constante, a tensão VCE variará de forma inversamente proporcional à variação da tensão em R2, produzindo a tensão de saída (Vo). __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 55 Tipos de amplificadores Os amplificadores podem ser divididos em várias categorias: Quanto à amplitude dos sinais: • Amplificadores de pequeno sinal ou baixa potência, cujos sinais de entrada são da ordem de unidades de µV a dezenas de mV , ou correntes de coletor da ordem de unidades a centenas de mA , ou potências de coletor de centenas de mW; • Amplificadores de média potência, cujos sinais de entrada são da ordem de centenas de mV , ou correntes de coletor da ordem de centenas de mA a unidades de Ampère, ou potências de coletor da ordem de centenas mW a unidades de Watt; • Amplificadores de potência, cujos sinais de entrada são da ordem de centenas de mV, ou correntes de coletor da ordem de unidades a dezenas de Ampère, ou potências de coletor da ordem de unidades a centenas de Watt. Quanto à frequência dos sinais: • Amplificadores de baixa frequência, que operam com frquências entre 0,1Hz a 30KHz ( abaixo da faixa de áudio até VLF ) ; • Amplificadores de média frequência, que operam com frquências na faixa de LF; • Amplificadores de alta frequência, que operam com frequências acima de LF ( sendo classificados conforme a faixa de operação: VHF , UHF , microondas etc ) . Obviamente, o principal determinante da faixa de operação de potência e de frequência de um amplificador é o transitor utilizado, sendo fabricados especialmente para cada uma delas. Porém, para efeito de estudo dos amplificadores, eles podem ser divididos apenas em três categorias: amplificadores de baixa potência e frequência, amplificadores de potência e amplificadores de alta frequência , uma vez que tais categorias englobam todos os conceitos de amplificadores. Observação : Faixas de frequência VLF Very Low Frequencies Frequências Muito Baixas 3KHz a 30KHz LF Low Frequencies Baixas Frequências 30KHz a 300KHz MF Medium Frequencies Médias Frequências 300KHz a 3MHz HF High Frequencies Altas Frequências 3MHz a 30MHz VHF Very High Frequencies Frequências Muito Altas 30MHz a 300MHz UHF Ultra High Frequencies Frequências Ultra Altas 300MHz a 3GHz SHF Super High Frequencies Frequências Super Altas 3GHz a 30GHz EHF Extra High Frequencies Frequências Extra Altas 30GHz a 300GHz __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão56 A faixa de frequência de áudio ( sinais audíveis ou sonoros ) está compreendida entre 20Hz e 20KHz , ou seja, começa abaixo da faixa VLF e termina dentro desta faixa. Entre 20KHz e 3MHz está a faixa denominada de ultra-som , compreendendo parte da faixa VLF e totalmente as faixas LF e MF . As frequências denominadas microondas ocupam a faixa entre 3GHz e 300GHz , ou seja, SHF e EHF . Finalmente, acima de EHF , estão as frequências ópticas e os raios, na seguinte sequência: infravermelho, luz visível, ultra violeta, raios X e raios gama. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 57 FONTES DE ALIMENTAÇÃO Essencialmente todos os dispositivos eletrônicos requerem uma fonte de corrente contínua. Chamamos de FONTE DE ALIMENTAÇÃO ao circuito eletrônico que retifica, filtra e geralmente regula uma dada tensão alternada. O diagrama em bloco de uma fonte segue abaixo: 1) RETIFICADORES : a) Retificador de meia onda: a tensão de entrada varia de maneira senoidal . Como o diodo da figura 02 só conduz quando polarizado diretamente (anodo (+) , catodo (-) ) somente no semiciclo positivo haverá corrente circulando pela carga. No semiciclo negativo o diodo estará polarizado reversamente e portanto: i = 0. Diodo Ideal: Vm = V2p/ π Diodo com Vγ: V2p - Vγ/ π Im = Vm/ RL __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão60 Em relação às especificações dos diodos, tem-se uma grande vantagem neste circuito. Como cada diodo conduz corrente somente num semiciclo, a corrente que eles devem suportar corresponde à metade da corrente média na carga. Por outro lado, a tensão reversa que os diodos devem suportar é a tensão total de pico secundário já que suas duas metades somam- se sobre os diodos quando estes estão cortados. Assim: IDM ≥ Im/ 2 e VBr ≥ V2p Exemplo: A figura abaixo mostra um transformador com derivação central e tensão total no secundário de 4Vrms ligado a um retificador de onda completa (diodos de silício) com uma carga de 10Ω. Considerando o valor de Vγ do diodo (modelo 2), determinar: Retificador de Onda Completa com Derivação Central a) Tensão média na carga: A tensão de pico na saída do transformador vale: V2ms = V2p / 2 ⇒ V2p = 4* 2 ⇒ V2p = 5,66V Considerando Vγ, a tensão média na carga vale: Vm = V2p - 2Vγ / π ⇒ Vm = 5,66 – 1,4/ π ⇒ Vm = 1,36V b) Corrente média na carga: Im = Vm/ RL ⇒ Im = 1,36/ 10 ⇒ Im = 136mA c) Especificações do diodo: IDM ≥ 68mA e VBr ≥ 5,66V d) Formas de onda na carga e nos diodos: __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 61 c) Retificador de onda completa tipo ponte: Durante o semiciclo positivo de Vi, há um potencial positivo aplicado ao ânodo de D2 e ao catodo de D1 e um potencial negativo aplicado ao catodo de D4 e ao ânodo de D3. Desta forma, D2 e D4 estão polarizados diretamente e permitem circular uma corrente pelo resistor. Quando vi passar para o semiciclo negativo, a polarização dos diodos se inverte e passando agora a conduzir D1 e D3. Com isso vemos que há sempre uma corrente circulando pelo resistor com uma mesma polaridade. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão62 Diodo Ideal: 2*V2p/ π Diodo com Vγ: Vm = 2*(V2p - 2Vγ) / π Im = Vm/ RL Em relação às especificações dos diodos, como cada diodo conduz corrente somente num semiciclo, a corrente que eles devem suportar corresponde à metade da corrente média na carga. Quanto à tensão reversa, os diodos devem suportar a tensão de pico da tensão de entrada. Assim: IDM ≥ Im/ 2 e VBr ≥ V2p Exemplo: A figura abaixo mostra um transformador com tensão no secundário de 25rms ligado a um retificador de onda completa em ponte (diodos de silício) com uma carga de 10Ω. Determinar: Retificador de Onda Completa em Ponte ________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo - Durante o semiciclo positivo, o diodo D1 está cortado e D2 conduzindo. Desta maneira, a corrente i circula por C1 e D2 carregando C2. Como o capacitor C1 estava carregado com a tensão máxima de entrada, a sua polarização faz com que C2 seja carregado com du ezes a tensão máxima de entrada. Portanto, teremos sobre a carga uma tensão máxima de 2 . E .as v . 2√¯¯__________ 65 __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão66 b) Dobrador de tensão de onda completa: Este circuito, além de dobrar a tensão de entrada, faz uma retificação de onda completa, e por isso é conhecido como dobrador de onda completa. O seu funcionamento assemelha-se a uma onda. 3- FILTRO CAPACITIVO: Para que a fonte de alimentação fique completa, falta ainda fazer a filtragem do sinal retificado para que o mesmo se aproxime o máximo possível de uma tensão contínua constante. A utilização de um filtro capacitivo, com capacitor de filtro na saída em paralelo com a carga, é muito comum nas fontes de alimentação que não necessitam boa regulação, ou seja, que podem Ter pequenas oscilações na tensão de saída. Um exemplo é o eliminador de bateria, cujo circuito vem todo montado na caixinha que vai ligada à rede elétrica. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 67 O valor de pico a pico do ripple pode ser calculado pela equação abaixo: Vr = Vmf / f.RL.C Onde: Vmf = tensão média na carga após a filtragem f = frequência da ondulação ( depende do tipo de retificador ) RL = resistência da carga C = capacitor de filtro Assim, para o projeto de uma fonte de alimentação deve-se, antes, estipular a tensão média de saída e o ripple desejados para, em seguida, calcular o capacitor necessário para a filtragem, as especificaçòes dos diodos e as especificações do transformador. Exemplo de aplicação: Projeto de uma fonte de alimentação Projetar uma fonte com tensão de entrada de 110Vrms/60Hz e tensão média de saída de 5V com ripple de 0,1V , para alimentar um circuito que tem uma resistência de entrada equivalente a 1KΩ. Utilizar o retificador de onda completa em ponte. O valor do capacitor de filtro pode ser calculado pela equação: Vr = Vmf / f.RL.C ⇒ C = Vmf / f.RL.Vr ⇒ C = 5 / 120*1000*0,1 ⇒ C = 417µF Neste caso, será utilizado um capacitor eletrolítico comercial de 470µF, o que acarretará numa pequena redução do ripple, melhorando o desempenho da fonte. Para definir as especificações ( IDM e VBr ) dos diodos, é preciso calcular a corrente média na carga e a tensão de pico no secundário do transformador. Assim, a corrente média na carga vale: Imf = Vmf / RL ⇒ Imf = 5/1000 ⇒ Imf = 5mA O valor da tensão de pico na carga pode ser aproximado para: VRLp = Vmf + Vr/2 ⇒ VRLp = 5 + 0,1/2 ⇒ VRLp = 5,05V Como a tensão de pico na carga é relativamente baixa, deve-se considerar Vγ , e como a carga tem uma resistência muito maior que a resistência do diodo RD , esta pode ser desprezada. Assim, o modelo 2 para os diodos é perfeitamente adequado para os cálculos neste projeto. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão70 Funcionamento: O Zener é um diodo semicondutor, construído especialmente para trabalhar na região da ruptura, sem se danificar, o que não acontece com os diodos retificadores. Podemos observar pela figura 15, que o Zener deve ser polarizado reversamente, para que possa operar corretamente. Existe uma corrente mínima (Izmin), que deve ser mantida através do dispositivo, para que este permaneça na região de ruptura. Izmax é determinado em função da potência do diodo (P = Vz . Izmax ). Note que depois que a tensão no dispositivo atinge Vz, a corrente varia por uma extensa faixa de valores, limitada por Izmax , enquanto que a tensão é praticamente constante. Esta característica encontra uma enorme aplicação nos reguladores de tensão. Circuito regulador de tensão com carga As aplicações do circuito regulador de tensão são, principalmente: • Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada constante; • Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada constante; • Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada com ripple; • Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada com ripple. As duas primeiras aplicações visam, principalmente, a estabilização num valor menor de tensão de uma bateria ou de uma fonte de alimentação já estabilizada, e as duas últimas aplicações visam, principalmente, a estabilização de fontes de alimentação com ripple. Ainda, pelas características da última aplicação acima, pode-se afirmar que se trata do caso mais geral, pois tanto a tensão de entrada quanto a carga são variáveis. Fonte de Alimentação Estabilizada com Carga Variável __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 71 Assim, faz-se necessária uma análise mais detalhada do circuito regulador de tensão quando neste é ligada uma carga. Basicamente, o projeto de um regulador de tensão com carga consiste no cálculo da resistência limitadora de corrente RS , conhecendo-se as demais variáveis do circuito, a saber: características da tensão de entrada ( constante ou com ripple ), características da carga ( fixa ou variável ) , tensão de saída ( valor desejado ) e especificações do diodo zener. Este circuito possui três equações fundamentais: Equação da corrente de entrada: IS = IZ + IRL Equação da tensão de saída: VZ = VRL = RL.IRL Equação de regulação: VE = RS.IS + VZ Carga variável e tensão de entrada com ripple A figura abaixo mostra um circuito regulador de tensão com carga variável e tensão de entrada com ripple. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão72 O valor do resistor RS deve satisfazer as condições dadas pela variação existente na tensão de entrada ( ripple ), pela variação desejada para a carga e pelas especificações do diodo zener. • Corrente zener mínima Izm Como RL e VE são variáveis e VZ é constante, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor mínimo VEm e IRL seu valor máximo IRLM , ou seja, quando a corrente IS é mínima: ISm = IZm + IRLM Esta condição limita RS a um valor máximo RSM : VEm = RSM.( IZm + IRLM ) + VZ ⇒ RSM = ( VEm – VZ ) / ( IZm + IRLM ) • Corrente zener máxima IZM : Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor máximo VEM e IRL seu valor mínimo IRLm , ou seja, quando a corrente IS é máxima: ISM = IZM + IRLm Porém, esta condição limita RS a um valor mínimo RSm : VEM = RSm.( IZM + IRLm ) + VZ ⇒ RSm = ( VEM – VZ ) / ( IZM + IRLm ) Assim, tem-se que RS deve ser: RSm ≤ RS ≤ RSM Exemplo de aplicação: Eliminação do ripple de uma fonte de alimentação para uma carga variável Uma fonte de alimentação possui uma tensão média de saída de 30V com ripple de 3V. Determinar RS do regulador de tensão que elimina o ripple desta fonte e estabiliza sua tensão em 15V , sabendo-se que ela será utilizada para alimentar cargas de 50Ω até 100KΩ e que o diodo zener do circuito tem as especificações dadas abaixo : __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 75 Como sabemos, nosso elemento apresenta uma impedãncia de entrada infinita, logo a corrente I passará de Z1 para Z2, de onde podemos tirar a relação. Vi - Ve = - (Vs -Ve) Z1 Z2 -Z2 = Vs - Ve (1) Z1 V1 - Ve Como A.0 apresenta um ganho ∞, temos: Vs = A . Ve A = ∞ Ve = Vs Ve = 0 A Logo, a expressão (1) pode ser escrita como: Vs = - Z2 ( - ) devido ao circuito da figura 3 ser um inversor V1 Z1 OBS.: a) O nó B representado na figura 3, e denominado d ponto de terra virtual, pois para grandes valores de A, se potencial se aproxima de zero. b) Podemos aqui designar o ganho de malha aberta A = - Vs Ve c) Podemos aqui designar como ganho de malha fechada (Amf) a relação: Amf = - Z2 Z1 O AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Vamos aqui estabelecer em todos os itens um paralelo com o componente ideal, pois será a partir deste que chegaremos às correções a serem feitas no componente real visando aproximá-lo do ideal. a) Impedância de Entrada e Saída 0 A.0 real apresentará na entrada, uma impedância não infinita, e na saída uma impedãncia não nula. b) Resposta em Freqüência O A.0 real terá seu ganho reduzido em função do aumento da freqüência, como mostra a curva da figura 4, para um determinado A.0. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão76 c) Deriva da Tensão de Saída com a temperatura. (Drift) O ponto do quiescente do A.0 desloca-se em função da temperatura, e do tempo de funcionamento, sendo por conseguinte especificado em função dessas duas variáveis, tempo e temperatura. Devemos prover as entradas um e dois de nosso dispositivo, figura l, de uma necessária polarização, cuja finalidade é a obtenção de um ponto quiescente. Gostaríamos de salientar, que uma simetria em termos de polarização (caso ideal) não é alcançada, e as diferenças entre tensão e corrente nas respectivas entradas recebem a denominação de tensão e corrente de offset. No caso ideal, figura 1, para V1 = V2 tínhamos V0 = 0, o que já não acontece com o A.O. real, sendo o motivo a diferença de características apresentadas pelos transistores de Entrada, pelos quais circularão diferentes correntes. Para melhor entendimento, consideremos a figura 5. d1) Corrente de Entrada de Offset A corrente de entrada de offset (Iio) é a diferença entre as correntes aplicadas aos terminais de entrada para o balanceamento do amplificador. IB1 - IB2 => Vo = 0 d2) Tensão de Entrada de Offset Tensão de entrada offset(Vio) é a tensão que devemos aplicar entre os terminais de entrada para o balance mento do amplificador. d3) Corrente de Entrada de Deriva de Offset A corrente de entrada de deriva de offset é a relação entre a variação da corrente de entrada de offset..com a variação da temperatura, e expressa pela relação ∆Iio ∆T. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 77 d4) Tensão de Entrada de Deriva de Offset A tensão de entrada de deriva de offset 2 é a relação entre a variação da tensão de entrada de offset com a varia da temperatura, e expressa pela relação: ∆Vio ∆T d5) Tensão de Saída de Offset A tensão de saída de offset, é a diferença entre os níveis d.c. presentes aos terminais de saída quando as entra l e 2 estiverem aterradas. Obs.: d1) Input Offset Current d2) Inout Offset Voltage d3) Input Offset Current Drift d4) Input Offset Voltage Drift d5) Output Offset Voltage MÉTODOS PARA O BALANCEAMENTO DO OPERACIONAL De acordo com o já exposto a respeito do A.0, faz-se necessário seu balanceamento, para tanto, fornecemos a seguir um circuito capaz de tal tarefa, balanceando a tensão de offset. Na figura 6, podemos através de R4, R3 e R5 corrigir a tensão de offset do circuito aí representado. Daremos a seguir na figura 7, o mesmo tipo de correção apresentado, porém para um circuito não inversor. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão80 b) Circuito Somador Aplicando-se a Lei de Kircchoff ao nó A da figura 11, temos. i = i1 + i2 + .............................in (1) Podemos ainda reescrever a equação (1) de outra forma: I = V1 + V2 + ....................... Vn (2) R1 R2 Rn Para o caso particular R1 = R2 ............................ Rn = R, temos: I = 1 . (V1 + V2 + ........................+ Vn) R Como - V0 = + R0.i, temos: -V0 = + R0 , (V1 + V2 ................+ Vn) (3) R Como podemos observar pela expressão (3), a saída é proporcional à soma das entradas. Subtrator: __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 81 c) Diferenciador Podemos isolar o valor de V0 da expressão (1), e ficamos que - V0 = +RC dv1 / dt, que indica que o sinal de saída é proporcional à derivada do sinal de entrada (V1). C.1) Fazendo um dos conceitos dados acima, podemos obter um circuito que faça a soma e subtração de derivadas, como o da figura 13. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão82 OBS.: Apesar de não se acharem inclusos na figura 13, os capacitores (C1 e C2) devem ser introduzidos por questões de estabilidade, conforme já discutido anteriormente. d) Integrador i1 = i => V1 = - C dvo R dt t Dvo = - V1 dt -V0 = 1 vldt (1) RC RC 0 Para n entradas, figura 15, temos a expressão: t - V0 = + 1 (V1 + V2+ ....................+ Vin)dt RC 0 ∫ ∫ __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 85 Exemplo 3 : No circuito esquematizado a seguir pede-se: a) a corrente na carga (IL) em mA; b) o valor da carga (RL) em Ω; Dado: Vce = 0V Vbe = 0V O A. O. está sendo utilizado como um Buffer, ou seja, a tensão aplicada à sua entrada será transmitida à saída, sem sofrer qualquer alteração. O transistor no circuito tem a função de amplificar a corrente que sai do A.O. A tensão de entrada A.O., é a tensão que cabe sobre o diodo Zener logo: Vi = Vz Vi = 5V Mas: Vi = Vo, pois A.O. é um Buffer Portanto: Vo = 5V logo a tensão cobre RL = 5V, pois a saída do A.O., por conseguinte o transistor só amplifica a corrente, sem alterar o valor da tensão. a) Como a queda de tensão em Vce = 0. Então podemos dizer que: IC = IL Vc = 12 – Vz = 12 – 6 = 6V Logo: Ic = Vc / Rc Ic = 6 V / 500Ω Ic = 12 mA Portanto: IL = 12 mA b) RL = VL / IL RL = 6V / 12 mA RL = 500 Ω __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão86 TIRISTORES 1 - TIRISTORES O tiristor ë um dispositivo de quatro camadas e membro da família dos semi-condutores que tem dois estados estáveis de operação: um estado apresenta corrente aproximadamente igual a zero, e o outro tem uma corrente elevada; limitada apenas pela resistência do circuito externo. O tiristor pode ser considerado uma chave unidirecional que substitui, com vantagens, por exemplo, contatores e relés de grande capacidade. Tornou-se vantajoso no controle de grandes potências, devido a diversos fatores: é um dispositivo leve, pequeno, confiável, de ação rápida; pode ser ligado com correntes muito reduzidas e não apresenta problemas de desgaste mecânico porque não possui partes móveis. 1.1 - S.C.R. (Silicon Controled Rectifier) a) símbolo de circuito equivalente: b) Funcionamento 0 S.C.R. é um .dispositivo de 4 camadas (PNPN) e 3 terminais como podemos observar na figura 1. Para melhor entendermos o seu funcionamento, vamos utilizar o circuito equivalente com os 2 transistores. Aplicando-se uma tensão E [ (+) no anodo (A) e (-) no catodo (K)] veremos que o transistor PNP e o NPN não conduzem porque não circula a corrente i2 e a corrente i1. Aplicando agora um pulso positivo no gate (G) em relação ao catodo, (o pulso deve ter amplitude maior que 0,7 V, pois entre G e K existe uma junção PN formando um diodo), vamos fazer circular a corrente i1 que fará o transistor NPN entrar em condução. Com isso i2 também irá circular fazendo com que o transistor PNP conduza. Assim, sendo, o pulso no gate não é mais necessário pois o transistor PNP mantém o NPN conduzindo e vice-versa. Como podemos observar, esse estado de condução permanecerá indefinidamente. A única maneira de desligar o SCR é fazer a tensão E (entre anodo e catodo) igual a zero. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 87 OBSERVAÇÕES: 1) Não é possível simular um SCR com 2 transistores pois, a corrente i2 (da base do transistor PNP) será muito pequena. 2) Atenção, para sempre colocar uma carga em série com a alimentação quando for utilizar um SCR. c) Curva característica da tensão de bloqueio: Pela figura 2 observar que o SCR pode ser disparado também pela tensão VAK (VAK = E, enquanto o SCR não está conduzindo). Esta tensão ê chamada tensão de bloqueio, que ê a tensão máxima que o SCR admite ;entre anodo e catodo, sem romper a barreira de potencial da junção NP (no centro), e entrar em condução, Quanto maior a corrente Ig, menor será a tensão de bloqueio e consequentemente, o SCR irá entrar em condução com um tempo menor. VRM - Tensão de pico repetitiva p/ estado desligado. É a tensão de pico máxima que pode ser aplicada entre o anodo e o catodo para o SCR desligado. Se for aplicado tensão maior do que esta, pode ocorrer ruptura das junções (breakdowm). Relação critica de subida da tensão no estado desligado dv / dt - É o menor tempo que um pulso pode ter quando aplicado entre anodo e catodo. Caso contrário a junção NP (do meio) funcionando como um capacitor, fará com que o SCR entre em condução. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão90 Quando for usado um ângulo de condução menor que 90º (1/2 onda), e o menor que 180º (onda completa) deve-se determinar novo valor de IT (AV). Esse valor de IT (AV) será também menor que o anterior. O valor de IT(AV) para onda completa senoidal e diferente do valor de IT(AV) para meia onda 1/2. O valor precisa ser determinado no gráfico da figura 6 (a) e 7 (a). O ângulo de condução α é dado por: α = α1 + α2 (onda completa). - IT(RMS) - Valor da corente IT para corrente contínua. IT(RMS) = π/2 . IT(AV) VI - Corrente de pico de curto-circuito (surge on-state current) Valor máximo de corrente permitida que possa passar pelo SCR num período de 1 ciclo. É iguala aproximadamente 15 x IT(AV). VII - Queda de tensão estática direta (on state voltage) É a queda de tensão entre anodo e catoto quando SCR está em condução. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 91 Normalmente na ordem de 1,5V. VIII - Tempo de Desligamento (turn-off time) Após a tensão de alimentação atingir 0 volts, é necessário esperar um certo tempo para aplicar novamente alimentação sem que o SCR entre em condução. Isso ocorre porque, mesmo quando a alimentação atingir 0 volts, internamente o SCR não atingiu 0 volts, e, portanto, se for aplicado a alimentação logo depois ele irá conduzir. E) Circuito de Proteção: I - Circuito de Gate: a) Funções de R - Evitar gatilhamento por corrente de fuga devido a temperatura. - Ajudar a evitar gatilhamento por dv/dt. - Diminuir o tempo de turn-off time. - Valor típico: R = 1 kΩ. b) Função de C - Retirar ruído de alta freqüência. c) Função de D. - Evitar tensões negativas no Gate II - Circuito para compensação de tensão indutiva da carga: a) Função de C. - Compensar o efeito da indutância no circuito. b) Função de R. - Amortecer as oscilações (teóricas) devido à indutância e o capacitor C. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão92 F) Funções Básicas de um SCR: 1) Chave Estática. Vamos analisar o circuito da figura 10 quando a chave S esta fechada. A tensão no Gate (G) vai aumentando proporcionalmente ao aumento da tensão de alimetação. Quando atingir a tensão de disparo, o SCR entra em condução e circula a corrente pela carga. No smi-círculo negativo o SCR fica cortado só conduzindo quando for atingido o valor de disparo (que é positivo). O resistor R tem como finalidade limitar a corente de Gate. Valor máxima de r = valor máximo da tensão de alimentação Corrente permitida de Gate O valor prático de R é pouco maior do que o valor máximo por motivo de segurança. II) Controle do ângulo de condução: - Ângulo de condução de 180º a 90º. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 95 Quando a tensão sobre o capacitor atingir valor máximo, o diodo D2 não estará mais conduzindo. A partir deste instante o capacitor passa a se descarregar por R1 + R2. O diodo D1 continua polarizado reversamente pois a tensão do capacitor é negativa em relação a (d). Depois que a tensão do ponto C atingir o valor positivo, D1 irá conduzir disparando assim o SCR. Podemos perceber que variando o valor de R2 varia-se também o tempo de descarga do capacitor, mudando então o ângulo de condução do SCR. G) Circuitos de Disparo: I - Circuito oscilador UJT. (unijuction transistor) Transistor de Unijunção (UJT) O UJT é basicamente uma barra de sílicio, tipo N, onde é pressionado um emissor, tipo P, mais perto da base 2. Desta forma obtém-se uma junção PN. Na figura 14 (a) podemos notar que existe uma barreira de potencial devido a junção PN (região (#)). Para melhor compreendermos o funcionamento de UJT, vamos analisar a curva característica da tensão VE x IE, como mostrado na figura 15. Existem 3 regiões distintas na curva característica da figura 15, a primeira é a região de corte ( de VE = 0 até atingir VP), a segunda é a região de resistência negativa (de VP até Vv) e a terceira é a região de saturação. __________________________________________________________________________________________ CST Companhia Siderúrgica de Tubarão96 Quando a tensão de emissor se iguala a VP, a junção do emissor se torna polarizada diretamente deixando circular uma pequena corrente de emissor que injeta um número suficiente de portadores de corrente no material N, reduzindo RB1 a um valor muito baixo. A corrente de emissor cai do valor de pico (DP) para a tensão de vale (Vv) a medida que sobre o valor de IE. Circuito oscilador UJT Vamos supor a condição inicial em que o capacitor esteja de descarregado (Vc = 0). A partir do instante em que o circuito for ligado, o capacitor CE começa a se recarregar através do resistor RE, até atingir o valor de VP. A partir deste instante o UJT começa a conduzir (pois o ponto (a) tem potencial positivo em relação a base 1). Neste instante o valor da resistência RB1 cai muito e a corrente de descarga do capacitor será limitida praticamente por R1. O UJT continua conduzindo até que a tensão Ve caia abaixo do valor da tensão de vale, fazendo então com que UJT entre em corte novamente. A partir daí, o capacitor começa a se carregar novamente e o ciclo se repete e o circuito oscila. O valor de Vp é dado por: Vp = η . VEE + VD onde VD = 0,6 [V] da junção PN e VEE = tensão de alimentação O valor de η (relação intríseca de posição) é constante e varia normalmente de 0,5 a 0,8. O período de oscilação do circuito é dado por: T = RE . CE . ln (1/1-η) = 2,3 . RE .CE . log 1/1-η Se η for igual a 0,63 teremos que: T = RE .CE OBS.: 1 - Na forma de onda de VB1 da figura 16 (b), está presente uma componente contínua. __________________________________________________________________________________________ Senai Departamento Regional do Espírito Santo 97 Isso se deve ao fato de que a resistência entre B2 e B1 se finita, permitindo circular uma corrente que provoca uma queda de tensão sobre R1. 2 - O valor de R1 tem de ser pequeno ( R1 < 100Ω) para que quando ligado ao Gate de SCR, a queda de tensão sobre o mesmo, não venha a disparar o SCR. 3 - Devido ao pequeno valor de R1, o tempo de descarga do capacitor (Tempo de condução do UJT) é muito pequeno. 4 - Normalmente não é necessário utilizar o resistor R2, mas quando colocado no circuito, serve como segurança evitando que a corrente de fuga aumente muito com o aumento da temperatura. II - Circuito de Disparo para SCR sincronizado com a rede: Este circuito sincroniza o primeiro pulso para gatilhar o SCR na frequencia de alimentação alternada. Sem o mesmo, o SCR seria gatilhado, em cada ciclo em tempos diferentes. No circuito da figura 17 o diodo Zemer limita a tensão no semiciclo positivo em 12Volts. No ciclo negativo, D1 está polarizado reversamente. Portanto, a tensão Vab é praticamente zero e o oscilador não tem alimentação.