eletronica basica

5/16/2018 Eletronica Basica

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Ministerioda Educa;ao GOVERNO FEDERALGerencia de Apoio ao EnsinoCoordenadoria de Recursos Didaticos

A ,ELETRONICA BASICAE

TRANSISTORES

ELETROTECNlCA


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ELETRCNICA BAslCAE

TRANSISTORES

Vltorla - ES2005


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,IndiceI. RESISTORES

1.1. Resistencia E letrica 11.2. Potencia de dissipacao 2I. 3. Unidade de M edida de Resistencia E letrica 2I. 4 . Resistor 2I. 5. E specificacao de Resistores 3I.6. T ipos de Resistores 4I.7 . Identificacao de Resistores 51.8. Valores Norm alizados de Resistores 6I I. Capac itores

II.1. Capacitancia 7II.2. Capacitor 8II.3. Fatores que Determ inam a Capacitancia 8II.4. Tensao de Isolacao 8II.5 . Unidades 9II. 6. T ipos de Capacitores 9II. 7. Identificacao de Capacitores 10II. 8. Capacitores E letroliticos 11

III. C ircu ito s RCm .l. Cornportamento do Capacitor em Regim e DC 12m .2. C om po rtame nto Q uanto a Frequencia 14

IV . DIODOSN.l. Introducao 19N.2. Materiais Sem icondutores 19N.3. 0Diodo de Junc;ao 22N.4. E specificacoes do D iodo 23N.5. Capacitancia da Juncao 23N.6. Ou tro s Mo de lo s p ara 0Diodo 24N.7. Circuitos Ceifadores 25N.8. Circuitos G rarnpeadores 26N.9. Multiplicadores de Tensao 27N.10. Circuitos Retificadores Monofasicos 28N .11. F iltro com Capacitor 33N.12. Diodo Zener 36


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rUES - E l et ro n ic a Ba si ca Resistores

I. RESISTORES

1.1. Resistencia EletricaCencefterE a p ro prie dad e q ue ap resen tam to das o s co rp os d e o fe re cer d ific uld ad e a p as sa gem d e c orr en te e le tric a.

Detini~io:Quanto aos parametres do circuito:Um corpo submetido a uma diferenca d e p ote nc ia l e circulado por um a corrente eletrica de valord efin id o. E ss a c or re nte e lim itada pela resistencia eletrica do corpo e e definida de acordo com ae xp re ssa o a s eg uir :

VR=-IC onhecida com o a lei de Ohm, onde:V - diferenca d e p oten cia l ap lic ad a a o c orp o;I - corrente eletrica q ue c ir cu la p elo c orp o.Quanto a caracteristica do corpo:A re sisten cia e le trica de um corpo depende de suas dimensoes f is ic as ( Fig ur a 1.1) e de seu arranjoatomico (p - Reststividade). Qua nto m aio r 0 com prim ento do corpo m aior a resistencia d ess e c or po apassagem de corrente. Por outro lado, quanto m aior a area da se9ao transversal, m enor a resistencia,P ortanto , podem os concluir que a resistencia de um corpo e d efin id a d e a co rd o c om s ua s c ara cte ristic asf is ic a s, conforme e v isto n a equacao a s eg uir :

LR=p-Spnde:

R ~ resistencia eletrica do corpo;S ~ area da se9ao transversal;L ~ com prim ento do corpo que circula a corrente;p ~ re sistiv id ad e (d ep en de d o tip o d e m ate ria l).

LFigura 1.1

D evem os salientar ainda, que a resistencia varia com a tem peratura, podendo aum entar ou dim inuird ep en dend o d o ma te ri al.

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Resistores . E ' f n s - Eletrenica Basica1.2. Potencia de dissipa~ioT odo corpo sofre urn aquecim ento quando atravessado por urna corrente eletrica. E sse aquecim ento sedeve aos choques que ocorrem entre os eletrons livres, que sao acelerados pelo cam po eletrico aplicadoao corpo e a estrutura intem a. O s choques prom ovem urn aurnento da energia dos atom os, provocando 0aquecim ento do corpo e a transferencia de calor para 0me io ambie nte . A transferencia de calor que erea liz ada do c orp o p ara 0m eio a cada segundo, cham am os de Potencla de DissipafiJo.A tem peratura que 0co rp o a lca nc ara d ep end era d e su a c ap ac id ad e de tran sfe rir c alor p ara 0meioam biente, ou seja, de dissipar potencia, E ssa capacidade dependera das dim ensO es do corpo e datem peratura am biente. 0 corpo trocara calor com 0 am biente com m ais facilidade quanto m enor for atem peratura am biente e quanto m aior for a sua superficie extem a. P or esse m otivo com ponentes m aioresusualm ente sao capazes de suportar m aior dissipacao de potencia que os m enores, e tam bem por is sosa o u tiliz ad os o s d is sip ad ore s d e c alo r.

A u nid ad e d e p ote nc ia e le tric a e 0Watt cu ja ab rev ia cao e 0 w .

1.3. Unidade de Medida de Resistencia EletricaE m hom enagem ao fisico alem ao George Simon Ohm, foi escolhido seu sobrenom e para indicar au nid ad e d e resisten cia e le tric a. P ara sim bo liz ar e ssa u nid ad e fo i e sco lh id a a le tra g re ga omeg a (l1).

Por definicao, quando a urn corpo aplicam os urna diferenca de potencial de 1 (urn) V olt e, poresse corpo, circular urna corrente de 1 (urn) am pere, dizem os que esse corpo apresenta urna resistenciade 1 (urn) O hm .

Esse e 0enunciado da lei de O hm e e r ep re s en tado po r:VR=-I

A u nid ad e d e m ed id a d e re siste nc ia e letric a admite m ultip le s e su bm ultip le s, se nd o o s m ais c orn u-m en teusados os a seguir:ki loOHM (kQ) = M il O hm = 103 Qmeg aOHM (MQ) = U rn M ilhao de O hm = 106Qmil iOHM (ron) = M ilesim a parte de urn O hm = 10.3Q

1.4. ResistorE u rn d isp ositiv o c on stru id o c om a fin alid ad e d e a pro ve ita r a resisten cia e letric a d o c orp o.O s S im bolos desse dispositivo e urn exem plo de resistor sao apresentados na F igura 1.2:

Simbolos R es isto r d e c arv aoFiguraL2Pagina Z


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ffns -Eletronica Basica Resistores

Em e le tr ot ecn ic a , 0 resistor tern sua m aior utilizacao com o gerador de calor, ou seja, transform ae ne rg ia e le tric a em e ne rg ia c alo rific a. E x .: F er ro e le tric o, c hu ve ir o e le tric o, fe rr o d e so ld a e tc .Em e le tr on ic a, e usado para lim itar corrente ou tensao para que outros com ponentes nao sejamd an ific ad os, o u e stab ele ce r u rn a c orre nte o u ten sa o p ara urn va lo r d eterm in ad o, q ue o utro c om po ne nte,com o urn diodo ou transistor, necessite para funcionar. N esse caso os resistores sao utilizados na

polarizadio dess es component es .

1.5. Especiflcaeao de ResistoresCon ju nto d e c ara cte ristic as d o re sisto r q ue 0 define e m ostra suas Iim itacoes, A s caracteristicas m aisimpo rta nt es s ao :

Valor nominal de resistenciaValo r a pro xim ad o d a re siste ncia e le tric a re al d o re sisto r. V ern im presso no c orp o d o resisto r.

ToleranciaD evido ao processo industrial de fabricacao dos resistores, nao se consegue exatidao nos valores dere siste nc ia p rete nd id os. P or e sse m otiv e, o s fa bric an te s fo rn ecem 0 valor nom inal do resistor e quantopode variar este valor. E sta variacao m axim a e dada em percentagem em relacao a r es is te nc ia n om i na le e cham ada de toleriincia.E xem plo: R = I 0 0 0 10 %

N este caso, a tolerancia indica que 0 valor real do resistor de 100 0, que deve estaro brig ato riam en te e ntr e 9 0 0 e 110 0.

A ssim concluim os que quanto m enor a tolerancia m aior a precisao obtida, ou seja, m ais proxim od o v alo r re al e sta ra 0va lo r nomina l.

Potencia deDissipa~ioNominalE a p oten cia q ue 0 r es is to r c on se gu e tr an sf er ir p ar a 0m eio am biente sem que 0mesmo dani fi que .S abem os que quanto m aior 0 tam anho do resistor, para urn m esm o tipo de m aterial, m aior a sua

c ap ac id ad e d e d iss ip a~ ao d e p ote nc ia .Q uan to m aio r a temp era tu ra amb ie nte, m aio r a d ific uld ad e p ara 0 re sisto r d e tr an sfe rir c alo r p arao m eio amb ien te , p ro vo ca nd o u rn a urn en to n a tem pe ra tu ra d o re sisto r pa ra fo rc ar e ssa tra nsferen cia .o projetista deve escolher urn resistor que possa dissipar duas vezes a potencia calculada para 0

me smo , e vita nd o a ssim 0p erig o d e s up era qu ec im e nto e c on se qu en tem en te d estr uic ao d o me smo .N a substitu icao de urn resistor, se nao for encontrado urn com a m esm a potencia, devem os darp refe re nc ia a u rn c om m aio r p ote nc ia.

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Resistores E 'r n s - E le tro n ic a B as ic a

1.6. Tipos de ResistoresH a um a grande variedade de resistores, m uito deles com valores fixos e outros variaveis, Os r es is to re ssao feitos basicam ente, de fios m etalicos, grafite (resistores de ca rvao) e peliculas m eta licas. O sresistores de fio sao usados norm alm ente para controlar grandes correntes, enquanto que os de carvaoc on tr olam cor re nte s r el at iv amen te p eque na s.O u seja , tod os resisto res p ossuem 0 m esm o p rin cipio de fu nciona mento, porem, diferem q uan to a osa spe ctos cons tr ut ivo s.

Resistores FixosPossuem apenas dois term ina is, nao sendo possivel 0 ajuste de suares is tencia e le tr ica .

Sao usados onde nao se necessita de variacoes de resistencia.

E xem p lo : R esisto res d e fio (F ig ura 1.3), carvao e de film e metalico.

Resistores AjustaveisP ossu em tres term in ais, sen do p ossiv el a v aria ca o en tre d ois d e seu s term in ais.

S ao u sa do s o nd e se n ecessita d e a ju stes p eri6 dico s d e resisten cia ,

- t : 1 1k 10W '}FiguraL3

E xem plo: i) Trimpot (Figura 1.4) - usado , por exem plo, em ajuste de altura e linearidade vertica is,s in cro nismo v ertic al e h oriz on ta l em televisao,ii) R esistores de fio com d erivacao (T APS ) - u sado s gera lm ente com o divisores de ten sao.

SimboloFiguraL4

Resistores VariaveisP ossu em term in ais e sa o sem elh an tes, c on stru tiv am en te, a os trimpot.

Sao usados onde se necessita de constantes ajustes deresistencia.

Exemplo : Potenciometros (Fig ura 1.5) p rovido s de m eios m ecanicospara va riar sua resistencia sem abrir 0 circuito no qual esta ligado.Contem tres term inais, dois d os qu ais estao ligad os as extrem id ades doelem ento resistivo e 0 terceiro desliza , fomecendo os va loresint ermed ia ri es de r es is te nc ia ,O s p oten ciome tro s a in da sa o d iv id id os em 2 ca teg oria s:

Simbolos

FiguraL5

Pagina a


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fff!S -E let romca Ba si ca ResistoresPotencidmetros LinearesS eque um a relacao linear entre a resistencia e 0 angulo de giro do cursor. Sao usados em instrum entosd e med id a, amplific ad ore s, som , re ce pto re s, c on tro le d e to na lid ad e, b rilh o, c on tra ste , b ala nc e e tc .

Poteneidmetros LogaritmicosSeguem uma re la ya o lo ga ritm ic a e ntre a resistencia e 0 angulo de giro do cursor. Sao usados, quase queexclusivam ente, no controle de volum e de am plificadores de audio. Isto porque 0 o uv id o h uman ep erc eb e v aria co es lo ga ritm ic as d e v olume.

I.7. Identificaeao de ResistoresTrimpots e PotenciometrosNonn alm en te, sa o fabric ado s p ara tra balh arem c om b aixa s corren tes. P or esse m otiv o, nao se espec if icaa potencia de d is sipa~ao . E im p orta nte sa lie nta r q ue o s m esmo s su po rtam potencias da ordem de 'l 4 W aY z W . E xistem potenciom etros de fio para potencias m aiores (cerca de 2 W). Sen do e ss es d is po sitiv osajustaveis, nao ha sent ido defini r tolerancia. 0 valor que vern im presso no m esm o e 0 se u m axim o va lorde res is tencia.

Resistores Fixos de Alta Capacidade de Dissipa~ioGeralmente, sao feitos de fio e os valores de resistencia, tolerancia e potencia de dissipacao vernim presso s em su a c arcac a (F igu ra 1.3).

Resistores de Carvio ou FUmeMetalicoO s resistores com potencias ate 3W apresentam os valores de resistencia e tolerancia im pressos nocor po (Fig ur a 1 .7 ), s eg un do 0codigo de cores da tabela p.A po te ncia d e dissipa cao do s m esm os e id en tific ad a a tra ve s d o tama nh o d o re sisto r, c on fo nn e e v is to n aF ig ura 1 .6 .

1,.'11 --co-- I'll -cmo---1/4 'II --X}- CJ)}) ; . )'11'12 'II --)DC)-FiguraL6

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Resistores .nns-E l et ro n ic a Ba si ca

Figura 1.7

.---_.I C o r IPre to

II3 ~ 3 X 10 3ILaranja II

l Amare lo,

4 I 4I!IVerde 5 i 5 X 10 5I Azu l ,6 I 6 X 10 6LIVioleta 7 ! 78 89 9

I1% J2% I

- - f D J J I J -10algarism~_j~20algarismo_jmultiplicadortolerAncia

--~----~---F----+---~I I x 10 .1 I 5 % I,~~-. '----I. . . . _ : : : G ~ 2 I ~10~'1Tabelap

Obs.: A ausencia da faixa de tolerancia indica que esta e de 20 %.

1.8. Valores Normalizados de ResistoresOs resistores apresentam valores entre 1 e 22xl06n, que e uma faixa muito ampla. Assim somentecertos valores padronizados sao fabricados.Os valores dos dois primeiros algarismos para os resistores fabricados com tolerancia de 10 e 20%estdo apresentados abaixo:

10%: 10 15 22 33 47 68200/0:10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

Exemplo: Isso significa que nao e possivel encontrar resitores de 480 ohms 10%, mas sim resistorescom valor de 470 ohms 10%.

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rrns -Eletronica Basica Capacitores

II. Capacitores11.1. CapacitanciaQuando colocam os duas placas condutoras bastante proxim as urna da outra (acom panhe a sequencia daFigura II.l), sem se tocarem e aplicam os um a diferenca de potencial entre as placas atraves de um abateria e algum tempo depois retiramos os term inais da bateria , notaremos com 0 auxilio de urnvoltim etro que entre as duas placas havera um a diferenca de potencial de valor exatam ente igual a dabateria.

Figurall.l

A o ligarm os a bateria aos term inais das placas, observam os que os polos da bateria ficam m uitoprox im os, so fren do u rn a influ enc ia do o utro , o u se ja, 0 p olo n eg ativo empu rra os ele tro ns liv re s d a pla capara a superficie m ais proxim a da outra placa. A influencia desses eletrons na placa faz com que oseletrons da outra placa se dirijam ao polo positivo da bateria . Como 0 polo positivo tern falta deeletrons, este recolhe os eletrons que vern em sua dir~ao, deixando a placa com falta de eletrons,po rt an to , c a rr eg ada po si ti vamen te .

E ste processo ocorre ate 0 ponto em que a diferenca de potencial das placas, devido a quantidadede cargas acurnuladas, seja igual ao potencial da bateria. Q uando isso ocorre nao ha m ais m ovim ento decargas eletricas no circuito. Se retirarm os as ligacoes da bateria, 0 potencial entre as placas seram an tido ig ual a te nsao da b ate ria .

A essa capacidade de condutores proxim os acurnularem cargas quando subm etidos a urnad ife re nc a de p ote ncia l, c hamam os d e capacitdncla.S e repetirm os a experiencia anterior aum entando a tensao da bateria, apes algum tem po as placasconterao urna quantidade de cargas suflciente para produzir urna diferenca de potencial igual a tensaoda bateria . A quantidade de cargas acurnuladas nas placas sera proporcional a tensao aplicada nabateria obedecendo a relacao: Q = C V

onde: Q ~ quantidade de cargas acum uladas nas placas;C ~ c on sta nte de p ro po rc ion alida de (c apa cita ncia );V ~ diferenca de potencial aplicada as placas.

A g ra nd eza c ap ac itan cia (C) pode en130 ser deflnida como a relac;ao que existe entre a cargaarmazenada (Q) e a tensao em que ela se encontra (V).P od em os ree sc rev er a e qua ca o an terior como: _Qc--VCuja u nida de c hamam os de F arad ay (F).

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Capacitores ffFE S - E l etr on ic a B a sic a11.2. CapacitorE urn dispositivo construido de tal maneira a apresentar uma capacitancia definida. Sua funyao basica ede annazenar energia na forma de cargas eletricas.

Urn capacitor e formado de duas placas paralelas condutoras, como foiapresentado no exemplo anterior (Figura II.l), denominadas armaduras. Entreas placas e colocado urn material isolante denominado dieletrtco, que seradescrito adiante.

Alguns dos simbolos desse dispositivo sao apresentados na Figura II.2.o capacitor pode ser utilizado em circuitos eletronicos para fins como:bloqueio it corrente continua e passagem de corrente altemada, filtros de sinais,partida de motores, etc.

11.3. Fatores que Determinam a Capacitaneia

Figurall.2

Distancia entre as placaso acumulo de cargas nas placas do capacitor e feita por urn processo de influencia elestrotastica -atracao e repulsao entre as cargas eletricas. Sabemos que a forca que atua entre elas e diretamenteproporcional it distancia entre as mesmas. Portanto, quanto mais proximas estiverem as placas, maiorsera a quantidade de cargas acurnuladas para uma determinada tensao. Isto nos leva a concluir que acapacitancia aurnenta quando diminuimos a distancia entre as placas.

Area das placasQuanto maior a area das placas, mais cargas elas podem annazenar, quando submetidas a mesmadiferenca de potencial. Portanto, a capacitancia aurnenta quando aurnentamos a area das placas.

Tipo de DleletrieoChamamos de dieletrico 0 material isolante colocado entre placas. 0isolante do qual e constituido 0 dieletrico pode ser, por exemplo: mica,ceramica, poliestireno, etc.

Os materiais que sao utilizados em dieletricos, quando submetidos auma ddp, formam dipolos eletricos orientados com as cargas negativasvoltadas para 0 potencial positivo e as cargas positivas para 0 potencialnegativo (Figura 11.1).

A capacitancia e proporcional ao efeito eletrostatico do dieletrico. A presenca de dipolos que sepolarizam com facilidade contribui para 0 acumulo de cargas nas placas (Figura 11.4). Assim, quantomaior for essa capacidade de formacao de dipolos maior sera a capacitancia.

11.4. Tensio de IsolacaoE a maxima tensao que podemos aplicar entre as placas do capacitor semque 0 mesmo deixe passar corrente entre as mesmas, sob a pena dedanificar 0dieletrico,

r

FiguraIL3

1 -I~-~~~IA1~~~~~~~~~~11++++++++++ IB

1 +Figura 11.4

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frns -E l etr en ic a Ba sic a Capacitores11.5. UnidadesE m hom enagem ao ingles Michael Faraday, seu sobrenom e foi escolhido para indicar a unidade dem ed id a d a c ap ac itan cia ten do c om o sim bo lo a le tra F.o Faraday e uma unidade muito grande, por esse motivo e pouco usada, sendo utilizada seussu bm ultip le s, o nd e o s m ais u sa do s sao :m ic ro Fa ra da y (~ F)= 10 .6 Fn an oF ar ad ay ( nF )= 1 09 Fp ic oF a ra da y (PF )=1 0 1 2F

11.6. Tipos de CapacitoresComo o s re sisto re s, o s c ap ac ito re s sa o d iv id id os em tre s c lasse s:

Capacitores FixosSao os capacitores com uns. Sao usados onde nao se necessita ajuste da capacitancia, Sao no rma lment ec on he cid os p elo m a te ria l u sa do c omo d ie le tric o.O s sim bo lo s p ara o s ca pa cito res fix os e stso a prese ntad os n a F ig ura 11.2.Ex .: c ap ac ito re s d e m i ca , p olie st er , e po xi, c er am i co , e le tr olitic o.

Capacitores AjustaveisS ao usados onde se necessita fazer ajustes de capacitancias,Ex. : Trimmer (Figura 11.5): sao usados no ajuste fino de sintonia emreceptores de televisao, ajustes de cor, sistem as de com putadores,videogam es etc. O s trim mers podem possuir dieletricos de ar, m ica,ceram ica ou qualquer tipo de plastico. S ao feitos, norm alm ente, parap eq uena s te nsOes d e is ola ca o.

SimboloFigurall.5

Simbolo

Capacitores VariaveisSao usados onde se necessita fazer ajustes constantes decapacitancia.E x.: Variaveis de ar (F igura 11.6) usados na sintonia dere ce pto re s d e AM e FM, Ondas Curtas, etc. Sao ajustese xtemos , se nd o a ce ssiv eis a o u su ario . Figurall.6

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Capacitores 'fF ES - E l et ro n ic a Ba si ca

II. 7. Identificacao de CapacitoresNao ha uma padronizacao na identificacao dos capacitores. D arem os a seguir algum as indicacoesp ra tic as q ue sa o u sa da s p ara re so lv er e ste p ro blema .

Capacitores de PoHester MetalizadoO s capacitores de poliester (F igura 11.7) apresentam 0 mesmo codigo de cores u tilizado para osresistores, diferind o apen as n o q ue se refere a indicacao da tensao de isolacao que no caso do resistorn ao e xiste . V er codigo de cores da tabela i.

O bs.: 0 valo r d a c apacitancia e dad os em p icofara ds.

CeramicosPossuem elevada tensao de isolacao , podendo chegar ate a lgunsquilovolts.

Sua capacitancia, norm alm ente, vem impressa em seue nc ap su lam en to d a s eg uin te fo rm a :a) Se 0n ume ro fo r in te iro , 0v alo r e d ad o em p ic ofa ra d.b) Se 0numero v ie r a pe s u rn p on to , 0v alo r e d ad o em m ic ro fa ra d.A s letras q ue seg uem 0mimero r ep re sentam a to le ra nc ia :

J -?5 % K-?10% M -?20%

O bs.: Se ao inves da letra for outro num ero, este representa 0numerod e z er os .Ex.: 1 0 4 = =1 0 0 00 0 pF , 2 23 = =2 2 00 0 pF, 472 = =47 0 0 pF .

M5C10algarismo20 algarismol.multiplicadorICtolerancia

tensao nominal

Figuran7

Exemplo:n ~verme'holL_Vio,etaI amareloL-brancovermelhoC ==27 0nF 10 % 25 0 V

E x em plo c aso a ):

E xem plo caso b):

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ffFE S - Ele tronica Bas ica CapacitoresFUme P la stic oDie le tr ic o d e p la stic o, ta l c omo polie tile no , p olie ste r, p olis tir en o e tc .

S ua capacitancia vern im pressa no corpo segundo a m esm a regra dos capacitores ceram icos ou 0c od ig o d e c ore s d os c ap ac ito re s d e p olie ste r.

EletroliticosO s valores de tensao de isola~ao e capacitancia vern escrito no corpo dos m esm os.

II.S. Capacitores EletroliticosOs c ap ac ito re s e le tro litic os (F ig ura 1 1.8 ) c on sistem d e u rn a fo lh a d e a lu rn in io a no diz ad a c omo a rm a du rapo sitiva , o nd e, p or urn pro cesso eletro litico , form a-se um a camad a de o xido d e alurn inio qu e serv e c om od ie le tr ic o, e u rn f lu id o c on du to r, 0eletro lito , ba nh a a cam ad a de ox ide .

S e a p ola rid ad e e invertida, a cam ada de oxide se desfaz e existira um a alta corrente circulandoentre a s arm ad uras, p rod uz ind o u rn gra nd e a qu ecim ento e a destru icao do cap acito r

- - - - - . ~ ~ ~ : J ~ - - - -

Figurall.8

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Circuitos RC ,nns -E le tr on ic a B as ic aIII. Circuitos RC

111.1. Comportamento do Capacitor em Regime DCSeja 0c irc uito d a F ig ur a I II .I.

FiguraDLl

Carga do capacitorConsiderando 0 capacitor da F ig ura Ill.I i ni ci alment e de sca rr eg ado (Vc = 0), a chave e fechada n apo si~ ao "a" (F ig ura 111.2). N este in stante (t = 0) 0 cap acitor apresen ta ten sao nu la, logo , 0 mesmocom porta-se com o urn curto e toda a tensao da foote estara ap licada sobre 0 re sisto r. C irc ula ra n ocircu ito um a corrente de valo r m axim o e igual a I = V IR , o u seja:

V = V R ( t ) + V C ( t ) a .L, R

V=RxI V1(0)=1 =-max R jb

V T . _ _ _ _ -*- _ _;com o em t = 0, Vc(O) = 0:

FiguraDL2Inicia-se entao 0 processo de carga do capacitor com 0 aum ento grad ativ o da tensao V c. A forca derepulsao das cargas eletricas que vao sendo acum uladas no capacitor para com as cargas que chegamcom a corrente eletrica, tom a cada vez m ais dificil a en trada dessas cargas no capacitor. E ssad ificuldade crescen te faz com que a corren te eletrica dim inua segundo um a fun~ ao exponencial, ateatingir 0v alo r z ero , q ua nd o a te nsa o d o c ap ac ito r a tin ge 0 se u v alo r m ax im o V c = V.

1=V - VcR e se Vc=V ~ 1=0

tCorrente no capacitor: I(t) = Imaxe R C ou v _!_I(t)=-e R CRo nd e: I(t) = valor da corren te em fun~ao do tem po [A ];

I m a x = v alo r in ic ia l d a c orre nte n o c irc uito [A ];e = expo nencial - base do logaritm o neperiano (e ~ 2 .72);R = v a lo r d a r es is te nc ia [.0];C = v alo r d a c ap ac ita nc ia [F ].

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flFlS -E l et ro n ic a Ba si ca Circuitos RCComo a tensao no resistor e diretamente proporcional acorrente, temos:

T 3T 5T

v

T 3T 5T

Para 0capacitor:tVc(t) = V - V e RC

tVc(t)=V(l-e RC)O,3N

O , 0 1 0 \ ; P : : : . 5 V 4 - : ; . ; ; - - - - = - - - - ; . ._ - - - - ~ ' ===~=~-1---e q u a c s o de carga do capacitor

l m a xSegundo a equac ao de carga do capacitor temos:

apes urn tempo de RC:RC T 3T 5T

apos urn tempo de 3 RC:3RC

SRC

apes urn tempo de 5 RC: Vc(t) = V(l-e-Rc) =V(l-O.Ol) =0.99 Vo tempo de carga do capacitor depende dos valores de R e C do circuito, mais necessariamente doproduto R xC, ao qual chamamos de constante de tempo do circuito RC:

T=RC ~ constante de tempo

Decorrido urn tempo T, constante de tempo do circuito RC, 0 capacitor atinge 63% do valor de suatensao maxima,

Segundo a equa9ao de carga, 0 capacitor leva urn tempo infinito pare ficar completamentecarregado. 0 capacitor pode, entretanto, ser considerado completamente carregado apes urn tempo de 5vezes sua constante de tempo (RC), quando ele atinge 99% de sua tensfo maxima.

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Circuitos RC E 'f F E S - E l et ro n ic a Ba si ca

Descarga do CapacitorConsiderando que, com a chave na posiyao "a" durante urn certotempo, 0 capacitor tenha se carregado, apresentando uma tensaoVCmax , mudando a chave para a posiyao "b" (Figura 111.3), 0capacitor passa a funcionar como urna fonte de tensao para 0circuito fazendo circular uma corrente em sentido contrario aoanterior. Ao fomecer corrente para 0 circuito, a energiaarmazenada no capacitor vai sendo dissipada no resistor e astensoes no capacitor e no resistor vao decrescendoexponencialmente ate atingirem zero, quando 0 capacitor estaracompletamente descarregado.

tVc(t) = Vcmax e RCequayao de descarga do capacitor

FigurallL3

V O m

TCom a chave na posicao "b", 0 capacitor ficadiretamente ligado ao resistor, portanto apresentando amesma tensao e corrente no decorrer do tempo:

a , 3 7 V C m ll< ... .. . ~a , 0 5 V C mo x ......... ; ...... ~a,a lV CmIX

tVR(t) = Vc(t) = VCm"" e-RC

3T 5T

A corrente no circuito sent dada por:a , 3 7 V cmox ~

1= VR(t) = :>RV - _ ! _I=~e RCR

t= :> I Iax e RC

Segundo a equayao de descarga do capacitor temos apesRCRC: Vc(t) = VCrn ax e-RC :::: 0.37 V

3T 5T

I5T

3RCapes 3 RC: Vc(t) = VCrn"" e -Rc =0.05 V5RCe apes 5 RC: Vc(t) = VCmax e -Rc ::::.01 V

1 11 .2 . C ompor tamento Quan to a FrequenciaSeja 0circuito da Figura 111.4.Ao ser aplicada urna onda de tensaoquadrada (linha mais fina dos desenhos da Figura 111.5) na entradaVi do circuito: quando ocorrer 0nivel mais alto de Vi, 0 capacitorse carrega e sua tensao Vo2 (linha mais grossa tracejada dosdesenhos da Figura 111.5) varia segundo 0 comportamentoexponencial da equacao de carga ate atingir 0 nivel de tensao daentrada; quando ocorrer 0 nivel mais baixo 0 capacitor sedescarrega segundo a equacao de descarga ate atingir 0 nivel maisbaixo; isso ocorre ciclicamente com 0 capacitor se carregando edescarregando.

VOl~ 'VV'v( 1i T ~ V "Figuram.4

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ffFE S - E le tro n ic a B as ic a Circuitos RCCircuito Passa-BaixasSe a frequencia do sinal de entrada for da ordem de dez vezes menor do que a constante de tempo docircuito R C, ou seja, com periodo dez vezes maior do que a constante de tempo, ou seja, com meioperiodo na ordem de cinco vezes a constante de tempo, 0tempo em que a onda de entrada Vi ficar emnivel alto ou baixo sent suficiente para a carga ou descarga completa do capacitor, ja que 0mesmo levapara sua carga ou descarga completa urn tempo de 5 R C. Isso pode ser visto na Figura III.5(letras a,b), onde a linha tina e a tensao de entrada Vi e a mais grossa tracejada e a tensao no capacitor V e z -

Lembrando que 0 tempo de carga ou descarga do capacitor e fixo e dependente de R e C, se afrequencia do sinal de entrada e bastante aurnentada (Figura III.5, letra e, f), 0 semiciclo da ondaquadrada passa a nao ser mais suficiente para a carga ou descarga completa do capacitor. Antes datensao no capacitor atingir urn valor proximo ao da tensao de entrada Vi , a tensao de entrada einvertida.

Os desenhos do lado direito da Figura III.5 representam as figuras do lado esquerdo em umamesma proporcao, A partir dai, pode ser observado que a tensao do capacitor e mais semelhante emrelayao a onda quadrada quanto menor for sua frequencia, A tensao no capacitor, quando se trata defrequencies mais altas, e atenuada em relayao a onda quadrada. Dai, circuitos R C que apresentam asaida como sendo a tensao no capacitor Vuzsao denominados circuitos passa-baixas, por apresentaremuma saida semelhante a entrada para as baixas frequencias, ou seja, 0 circuito deixa passar da entradapara a saida, as baixas frequencias, atenuando as altas.

t

) /f / t \ I 1 / k\~a) b)ft ftc) (/ 1 / 1 \ . 1 \ .\ . [/ 1 \ . [/d)

fz ( fz > ft) fz

,."..,- ~ : : : ..................... . . . . . . . . ". .. . . . . ", . . . . . . . . . . . . . ., . . . . . . . . . . . . . ., . . . . . . . . . . . . . .e) f)

f3(f3> fz ) f3Figuram.5

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Circuitos RC .n ns -E l et ro n ic a Ba si caCircuit o Pa ss a -A1 ta sConfonne ja foi dito, com uma frequencia do sinal de entrada da ordem de dez vezes menor do que aconstante de tempo do circuito R C, havera tempo suficiente para a carga ou descarga completa docapacitor, ja que 0mesmo leva para sua carga ou descarga completa urn tempo de 5 R C. Tambemhavera tempo suficiente entao, para a corrente e a tensao no resistor decrescerem de seus valoresmaximos ate valores bern proximos de zero, na carga do capacitor, ou para a corrente e a tensao noresistor atingirem valores bern proximos do nivel alto de Vi , na descarga. 0 comportamento da tenssona entrada Vi e da tensao no resistor Vol pode ser vista na Figura III.6, com linha fina e linha grossatracejada, respectivamente.

Lembrando que 0 tempo de carga ou descarga do capacitor e fixo e dependente de R e C, se afrequencia do sinal de entrada e bastante aurnentada (Figura III.6, letra e, f), 0 semiciclo da ondaquadrada passa a nao ser mais suficiente para a carga ou descarga completa do capacitor econsequentemente da varia~ao completa da tensao no resistor. Antes da tensao no resistor atingir urnvalor proximo de zero, na carga, ou proximo do nivel alto da tensao de entrada Vi , na descarga, atensao de entrada e invertida.

Os desenhos do lado direito da Figura III.6 representam as figuras do lado esquerdo em umamesma proporcao. A partir dai, pode ser observado que a tensao do resistor e mais semelhante emrela~ao it onda quadrada quanto maior for sua freqiiencia. A tensao no resistor, quando se trata defrequencias mais baixas, e atenuada em rela~ao it onda quadrada. Dai, circuitos R C que apresentam asaida como sendo a tensao no resistor (Vol) sao denominados circuitos passa-altas, por apresentaremurna saida semelhante it entrada para as altas frequencias, ou seja, 0 circuito deixa passar da entradapara a saida, as altas freqiiencias, atenuando as baixas.

l ----, . . . - ~ t - - - - - l . - - - - f - - - - - l . - - - -) t - - - - - - - -c) r - - - - - 1 = - - - - - f - - - - - - - l / - - - d) t - - - - - - - l / - - r - - - - - - l / - -

Figuram.6

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rrns -Eletronica Basica Circuitos RCEXERCICIOS - RESISTORES, CAPACITORES ECIRCUITOS RC1 . Conce itu e r es is ten ci a e le tr ic a .2 . D e fin a re siste nc ia e le tric a q ua nto a os p arame tre s d o c irc uito .3 . D e fin a re sis te nc ia e le tric a q ua nta a s c ara cte ristic as d o c orp o.4. C alcule a resistencia eletrica de urn fio condutor de 1m de com prim ento, I0-6m 2 de secao transversal er es is ti vi dade de 0 ,05n.m .

5. Quanto deve valer a resistividade de urn condutor para que ele tenha urna resistencia de loon ?D ado s: comp rim en to d e 80 cm , a rea transversal d e 2.1O "6m2.6. E xplique a dissipacao de calor devido a passagem de corrente eletrica em urn m aterial condutor.7. Q uais sao as cara cteristicas nec essa rias para se esp ecifica r urn resisto r?8 . Exp li que t ol er an c ia .9. E xplique para que serve cada urna das quatro faixas coloridas dos resistores. E se forem tres? E sef or em c in co ?10 . De te rmine 0v alor d os resisto res qu e p ossuirem os se gu in tes c6 dig os de co res:a)I2 azul, 22 cinza, 32laranjab) 12branco, 22 m a rrom , 32 v erm e lh o, 42 prata

11 . Conce it ue capaci tan ci a.12 . D efina c ap acitan cia qu an to ao s p aram etres d o circ uito.1 3. E x pliq ue d eta lh ad amen te a fu nC ao d o d ie le tric o n o c ap ac ito r.14 . Q ua is sa o as cara cteristicas ne cessarias pa ra de e spe cificar u rn c ap acitor?1 5. E x pliq ue te nsa o d e iso la ca o.16 . Iden ti fi qu e o s capac it or es :a ) c er ami co : 1 1 O Jb ) po liester: 12v erm elho , 22 cin za, 32 v erm e lh o, 42 b ra nc o, 5 2 amar elo .17. E xplique as form as de onda da saida do filtro passa-baixa para frequencias bem m enores e bernm aiores que T(R C). E as form as de onda do filtro passa-alta?18 . Q ual e a capacitancia de urn condutor que adquire carga de 24~C quando subm etido a um a tensaod e 24 0V ?1 9. Qua l e 0potencial de urn condutor de capacitancia de 120~F ao receber um a carga de Im C?20. D eterm ine no circuito 1: a)constante de tem po; b)as expressO es de carga e descarga; c)graficos decarga e descarga do capacitor. A ssum ir V c inicial zero. D ados: V = IOOV, R = 10k, C =.l~ F.

circu ito 1 c irc uito 2 circuito 3

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Circuitos RC E'fns -E l et ro n ic a Ba si ca21. No circuito 2, sabendo que 0 capacitor esta carregado com Q= 800J.1C. A chave s e fechada.Determine: a) a constante de tempo do circuito; b) ddp inicial do capacitor; c) expressao de descargado capacitor. Dados: C=100J.1F;R=2k.

22. Preencha a tabela abaixo para 0circuito 1. Dados: V= 40V, R=lkO e C=10J.1F.

23. Desenhe a forma de onda de Vs no circuito 3 apes 0 fechamento de s, indicando 0 valor de Vs paraa constante de tempo do circuito. Assuma 0 capacitor inicialmente descarregado. Dados: R= lk;V=8V; C=IJ.1F.

24. No circuito 3, determine 0 tempo necessario para a tensao em urn dos resistores atingir IV apes 0fechamento da chave s. Considere 0 capacitor inicialmente descarregado. V= 40V, R = 10k, C =50J.1F.

25. No circuito 3, calcule a tensao na fonte, considerando que em 1 segundo 0 capacitor atinge umatensao de 6V. Considere 0capacitor inicialmente descarregado. Dados: R = 10k, C = 50J.1F.

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E 'rn s - Eletronica Basica Diodos

IV. DIODOSIV.I. IntrodueaoDiodo e 0mais sim ples d ispo sitiv o na o line ar. E sse d ispo sitiv o ap resen ta um a relay ao na o line ar en tre ve i. Sua aplicacao mais comum e a de retificadores de tensao, assunto que sera visto em detalhesadiante.o diodo e urn dispositivo de dois term inais com 0 sim bolo apresentado na Figura IV .l.a. 0modelo 0 mais sim ples p ara de screv er 0 c ompor tamen to d es se d is po sitiv o e 0 m odelo de diodo ideal(F ig ura IV .l.b ). S egu nd o e sse m od elo, se u rna ten sa o neg ativa for ap lic ada ao dio do (sen tido con trario Iiseta do diodo - Figura IV .I.c) , nenhum a corrente passa e 0d io do se com porta com o urn c irc uito a berto .N es te c aso 0diodo e d ito po la rizado rev ersamen te e se enc ontra em estad o cortado.

Se urna corrente positiva (sentido da seta do diodo - Figura IV .I.a) for aplicada ao diodo ideal,um a queda de zero volt aparece nos term inais do diodo e 0m esm o funciona com o urn curto circuito . 0diodo e d it o e st ar conduzindo diretamente.

(a) a n o d o I c a t o d o. ~""~""". .~ v (b)

(c) - ...l>'..-~V

----+---vCORRENTEREVERSAZERO

TENSAODIRETAZERO

Figura IV.I

IV.2. Materiais SemicondutoresMateriais sem icon du to res sao su bstan cias cu ja co ndu tivida de esta n urn valo r interm ediario en tre ad osbons condutores com o os m etais (ouro, prata , cobre, etc) e os isolantes (vidro, borracha, m ica, etc.). A spropriedades eletricas desses materiais sao bem diferentes dos metais, por exemplo, enquanto aresisten cia de urn fio au rnen ta com a tem peratu ra , a de u rn m aterial sem ic on du to r d im inu i.

A s caracteristicas eletricas desses m ateriais variam enorm em ente quando im puros. Sao essasva ria coe s q ue tom am po ssive is a criac ao do s d ispo sitiv os b asead os no s m esm os.

Estrutura dos Semicondutoreso s ilic io e 0 g erm a nic , m ate ria is sem ic on du to re s m a is u tiliz ad os em d isp ositiv os e le trOn ic os, p os su ematom os com quatro eletrons em sua cam ada de valencia, cam ada em que ocorrem ligacoes com outrosa tomos, d enominada s l igafiJes c ovalentes . O s elem entos quim icos apresentam tendencia em ficar como ito e le tro ns n a ultima cam ada, situ aca o em qu e sao m ais estav eis, A trav es da s lig ayO es co vale ntes ca daatom o com pleta a sua cam ada de valencia com partilhando eletrons com os atom os vizinhos, obtendoassim os oito eletrons necessaries ao seu equilibrio . Cada eletron com partilhado passa a pertencer aosdo is ato mos q ue 0c ompar tilh a (Fig ur a IV .2 ).

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Diodos E 'f F E S - E le tr on ic a B as ic a

Quando urna liga~ao covalente e romp ida, fato que podeacontecer, por exemplo, devido ao aurnento da energia termica,fomecida por meio de luz ou outra forma - urn eletron e libertado e ficaurn saldo de carga positiva (devido ao proton sem par) no local (0semicondutor como urn todo permanece neutro), urna vez que 0 atomoera neutro. A ausencia de urn eletron em urna liga~ao covalente edenominada de buraco ou lacuna.

o movimento de cargas eletricas em urn material semicondutorpode ocorrer de duas maneiras: atraves do movimento de eletrons deatomo em atomo nas liga~s covalentes, de uma lacuna para outra, aque chamamos de movimento de lacunas, ja que quando urn eletron semove as lacunas desocupadas pelos mesmos movem-se em sentidocontrario (Figura IV.3); a segunda maneira e 0movimento de eletronsentre os atomos na carnada de conducao, em que 0 eletron passa entreos atomos sem realizar ligacoes covalentes, sem 0 preenchimento delacunas (Figura IV.4).

No movimento de lacunas, devido ao saldo de carga positiveocorrido pela ausencia de urn eletron, a lacuna comporta-se como urnaparticula de carga eletrica positiva de mesmo valor que a carga doeletron. Portanto no movimento de lacunas temos 0 movimento decargas positivas e no de eletrons, 0de cargas negativas.

Os materiais semicondutores apresentam menor condutividade doque os condutores por apresentarem liga~s covalentes que precisamser rompidas para que hajam cargas eletricas que permitam a existenciade corrente eletrica. Materiais isolantes apresentam energia de liga~aocovalente muito alta e as liga~Oes sao dificilmente rompidas.

o semicondutor puro e denominado lntrlnseco. Nele 0 mimerode eletrons e igual ao numero de lacunas.

o rompimento de uma liga~ao covalente provoca 0 surgimentosimultaneo de urn eletron e urna lacuna. No encontro de urn eletron livrecom urna lacuna ocorre a recomblnadio, formando urna nova liga~aocovalente e eliminando-se assim simultaneamente urn eletron livre eurna lacuna.

Figura IV.2

FiguraIV.3

Figura IV.4DopagemConsiste em introduzir atomos de impurezas em urn cristal, de modo a aurnentar 0numero de eletronslivres ou 0mimero de lacunas, alterando assim as suas caracteristicas eletricas. Quando urn cristal edopado, ele passa a se chamar semicondutor extrinseco. A s impurezas adicionadas apresentam umaconcentracao da ordem de urn para urn milhao de atomos do material semicondutor.

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ffFE S - Eletronica Basica DiodosSemicondutor Tipo NApresentamaior numero de eletrons livres do que de lacunas. 0 maiormimero de eletrons e obtido acrescentando-se impurezas pentavalentes(com cinco eletrons na camada de valencia - Figura IV.5) a urnsemicondutorpuro.

Na ligayao da impureza pentavalente com semicondutorestetravalentes, sobra urn eletron da impureza e 0mesmo fica livre. Oseletrons livres, que sao em maior quantidade no material tipo N, saochamados deportadores majoriuirios e as lacunas, que sao em menorquantidade, deportadores minorltdrlos.o "N', vern de negativo, devido a maior presenca de eletrons,Deve-se lembrar porem, que a carga total do semicondutor tipo N enula. Apesar de apresentar mais eletrons do que lacunas, para cadaeletron, livre ou nao, do material, ha urn proton correspondente nomicleodo atomo de onde0mesmofoi liberado, totalizando carga nula.Os atomos pentavalentes utilizados na dopagem do semicondutortipo N, pelo excesso de urn eletron na ligayao covalente, sao chamadosde impurezas doadoras. Sao exemplos de impurezas doadoras:arsenico, antimonic e f6sforo.

Semicondutor Tipo PApresentamaior numero de lacunas do que de eletrons livres. 0 maiornumero de lacunas e obtido acrescentando-se impurezas trivalentes(com tres eletrons na camada de valencia - Figura IV.6) a urnsemicondutorpuro.

Na ligayao da impureza trivalente com semicondutorestetravalentes, falta urn eletron da impureza para completar as ligayOescovalentes, sobrando nesse lugar uma lacuna. Estas lacunas, que saoemmaior quantidade no material tipo P, sao chamados de portadoresmajoritdrlos e os eletrons livres, que sao em menor quantidade, deportadores minorltdrlos:

De forma analoga ao material tipo N, 0 "P', vern de positivo,devido a maior presenca de lacunas. Deve-se lembrar porem que acarga total do semicondutortipo P tambem e nula.Os atomos trivalentes utilizados na dopagem do semicondutortipo N, pelo excesso de urn eletron na ligayao covalente, sao chamadosde impurezas aceitadoras. Sao exemplos de impurezas aceitadoras:aluminio, boro e galio.

Figura IV.S

Figura 1V.6

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Diodos E 'rn s - Ele tronica Bas icaIV.3. 0 Diodode Jun~aoUrn material semicondutor (silicio ou germanic) com dopagens diferentes em duas regioes do mesmo,metade do tipo P e metade do tipo N, e conhecido como diodo (Figura N.7).

RegiAode Deple~ioDevido a repulsao mutua e por energia termica, os eletrons livres dolade N espalham-se em todas as direcoes. Alguns difundem-se atravesda juncao formando ions nessa regiao. 0 lade N, de onde saem oseletrons livres, fica com ions positivos e sem eletrons livres e lacunas.No lado P, para onde vio os eletrons livres e que acabam por ocuparprimeiramente as lacunas da regiao da juncao, fica com ions negativose sem eletrons livres e lacunas. A regiao da juncao, devido a ausenciade eletrons livres e lacunas e denominada de regiao de deplefao (FiguraN.8).

Barreira de PotencialApes urn certo ponto, os ions da regiao de deplecao estabelecem umabarreira que impede a passagem de outros eletrons livres atraves dajuncao. A diferenca de potencial atraves da regiao de deplecao echamada de barrelra de potencial. Para os diodos de silicio a barreirade potencial e de aproximadamente 0,7V e para os diodos de germanic,de 0,3V(VD da Figura N.ll).

Polariza~AoDiretaNa polarizafao direta 0 terminal positive da fonte esta ligado aoterminal ao material tipo P e 0 material negativo ao material tipo N(Figura N.9).

Os eletrons do lado N sao repelidos pelo terminal negativo etendem a penetrar na juncao. De maneira similar, as lacunas repelidaspelo terminal positive encaminham-se em direcao a juncao. Ocorreenmo urn fluxo de eletrons em direcao ao terminal positivo da fonte.Para que os portadores de carga (eletrons e lacunas) atravessem ajuncao e necessario que a tensao da fonte seja superior a barreira depotencial (0,7V para 0 silicio e 0,3V para 0 germanic).

Polariza~AoReversaNa polarizafao reversa 0 terminal positivo da bateria esta ligado aolade N e 0terminal negativo ao lado P (Figura N.l 0).

Os eletrons livres sao atraidos para 0terminal positive da fonte eas lacunas do lado P sao atraidas pelo terminal negativo, aurnentandodesta forma a regiao de deplecao e a barreira de potencial e tomandopraticamente impossivel 0deslocamento de portadores.

Uma corrente muito pequena (da ordem de micro-amperes),denominada corrente de fuga, circula ainda assim, devido a formacaode portadores minoritarios por energia termica.

A corrente de fuga nos diodos de silicio e bem menor que nosdiodos de germanic, urna das razoes pelo qual 0 silicio domina 0campodos dispositivos semicondutores.

p n++++----+ + + +++++----

Figura IV.7

CAMADAD E D E PL ECAOp ,_...__ n+++80---+++80---+++80---

FiguraIV.8

p n+ + +0 0:- ---+ + +:0 0:- - - f-+ + +:(30:- - -

v+1 -,IFiguraIV.9

p_ n

+ ++ +

r-- + +

V- 1 1+~ - - -- - - ~ I ~ , - - - - - - ~Figura IV.10

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rrns - E l et ro n ic a Ba si ca DiodosCurva Caracteristicao comportamento do diodo pode ser descrito atraves de sua curvacaracteristica que apresenta 0 comportamento da corrente emfun~ao da tensao aplicada (Figura IV.ll):

Tensao de RupturaSe na polarizacao reversa do diodo for aurnentada indefinidamente,sera atingido urn ponto de ruptura, denominado tensiio reversa deruptura (V B K - Figura IV.ll), em que 0 diodo passa a conduzirreversamente e com grande intensidade.

IV.4. Especitlcacnes do DiodoPeteacia Maxima

,condu~aodireta

vruptura --'I

Figura IV.ll

o diodo deve ser especificado de maneira a evitar a sua destruicao por excesso de potencia dissipada,deixando-o em curto ou aberto. 0diodo devera entao apresentar uma potencia de especificacao maiordo que 0mesmo ira dissipar.

Freqiientemente os diodos sao especificados em fun~ao da corrente maxima de trabalho ao invesda potencia, 0 que e equivalente, assumindo que os mesmos estejam trabalhando em sua tensao deconducao direta. Por exemplo, urn diodo de silicio de lW e capaz de suportar ate 1,4 A (= lW/0,7V).Ex.: IN914 (diodo para pequenos sinais): PMi\x= 0,25 W

IN4003 (diodo retificador): PMi\x= 1,0 W

E de surna importancia nos projetos 0 uso de urn resistor limitador decorrente (Figura IV.12) para evitar a queima do diodo. 0 valor doresistor e escolhido de maneira que a corrente fique abaixo da correntem a x i m a do diodo. Figura IV.12Tensao Reversao diodo devera apresentar urna tensao de ruptura superior a maior tensao reversa aplicada.

IV.5. Capacitancia da Jun~aoA capacitancia de urn diodo quando sua jun~o PN esta polarizada reversamente varia inversamentecom a tensdo reversa aplicada.

o dispositivo varicap (varactor, varactron) e baseado na capacitancia de jun~ao. Tal dispositivo ebastante utilizado em circuitos osciladores para sintonia de frequencias em receptores de TV, VHF eUHF.

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Diodos F fF ES - Ele tron ica Bas ica

IV.6. Outros Modelos para 0Diodoo primeiro modele e mais simples (se~o IV.l) e 0 de diodo ideal, em que 0 diodo, quando polarizadodiretamente, funciona como urn condutor perfeito e quando polarizado reversamente funciona como urnisolante perfeito.

o segundo e mais utilizado modele para a analise do diodo em circuitos (Figura IV.B),representa 0diodo, quando polarizado diretamente, como uma fonte de tensao com urna queda de 0,7 Vpara diodos de silicio, ou 0,3 V quando se tratando de diodos de germanic. Quando polarizadoreversamente, 0modele representa 0diodo da mesma maneira que 0modele ideal (cortado).

o terceiro modele inclui uma resistencia denominada reststencia de corpo (rB), que indica quequando a tensao ultrapassa a barreira de potencial, a corrente passa a aurnentar proporcionalmente atensao (Figura IV. 14).

----------~~_.v0,7 - - - - - - ~ - - ~ ~ - - - - vFigura IV.ll Figura IV.14

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r uts -E le tr en ic a B a si ca DiodosIV.7. Circuitos Ceifadoressao circuitos capazes de ceifar (cottar) um a detenninada parte de urn sinal aplicadoa sua entrada, istoe, cottar parte do sinal de abaixo ou acim a de urn detenninado nivel de tensao. 0 exem plo m ais cornurne o retific ad or de rn eia o nd a, q ue "ce ifa " u rn sem i-c iclo do sin al d e e ntrad a.

Ceifador Simples

ej

R - Limitadores de corrente

Ceifador Simples com Tensae de Referencia

R

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Diodos nns -Eletrenica BasicaCeifador Duplo com Tensio de Referenda

IV.S. Circuitos Grampeadores

~ o _ T + ~ 1 ~ - - - - - - - - r - - - - - - - - - - - - ~; ; ) 1Introduzem urn nivel ao sinal de entrada.

No semiciclo positivo do sinal de entrada 0diodo conduz, carregando 0capacitor com a tensao depico do sinal de entrada. Quando a tensao de entradacomeca a decrescer, 0 diodo bloqueia, ja que 0 anodofica negativo em rela~ao ao catodo e 0 capacitor naose descarrega, permanecendo com a tensao de pico deentrada.

A tensao de saida e a soma algebrica do valorda tensao de entrada com a tensao armazenada nocapacitor (eo= ej - eo).

A posiceo do diodo no circuito indica apolaridade do nivel medic introduzido no sinal(positivo ou negativo), que corresponde ao sentido decarga do capacitor.

e'I

-Ej ---

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nns -E le tr on ic a B as ic a DiodosIV.9. Multiplicadores de TensaoUr n mu ltip lic ad or d e te nsd o e form ado por dois ou m ais retificadores produzem um a tensfo C C igual aurn m ultip le da tensao de pico de entrada (2V p, 3V p, 4V p, ... ) estas fo ntes de alim entacao sao u sadas emdispo sitivos de alta tensao/baixa corrente com o nos tubos de raios catodicos de T V, os oscilosc6pios ea s te la s d e c ompu ta do re s.

Dobrador de Meia OndaE 1- - - - ~ - - - - - - - - - - - -Il

INo sem iciclo negativo de ej, 0 diodo 01 conduzc arreg an do C1 com a tensao de pico de ei (E ;).

N o sem iciclo positivo de ei, 01 bloqueia e O 2conduz, transferindo a soma de ei + eel para 0capacitor C2, ficando 0 m esm o carregado com um atensao igual a duas vezes a tensao de pico do sinal deentrada.Dobrador de Onda Completae'

ejI

e o11- - - - - - - - ~ - - ~ ~ I ~ ~ ~ - - - - - - - - - - - - -I 1I I-----f-47'f---I

~CI ~ ) E i~ C 2 ~ ) ID2

No sem iciclo positivo do sinal de entrada 01c on du z, c arre ga nd o C1 com a tensao de pica dee ntr ad a (E i) .N o sem iciclo negativo de ei, O 2 conduz,ca rreg an do C 2 com a tensao de pico de entrada(E;).

ec2E I

o sin al d e sa id a (eo )e a som a das tensO esem C I e em C 2, portanto , igual a duas vezes atensao de pica de entrada (2E ;).- - ~ - r ~ ~ - - - - - - - - - - - - - - ~ tI ,

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Diodos r f F .E S - E le tr on ic a B as ic a

IV . 1 0. Circuitos Retificadores MonofasicosTais circuitos sao as aplicacoes m ais comuns dos diodos. Servem para a conversao de correntealtem acla em co rren te co ntin ua e sa o u tiliza do s p rin cip alm en te em fo nte s de alim entac ao p ara c ircuito seletronicos q ue fu nc io nam em c orre nte c on tin ua .

Circuito Retificador de Meia OndaN a F igura N.15 e ap re sent ado 0 retificadorde meia onda.

N o sem iciclo positive de V s, 0 diodoestara polarizado diretam ente, conduzira e acorrente circulara pela carga'. A tensao V Lc ia carga neste sem iciclo pode serconsideracla aproxim aclam ente igual a V s , am enos da queda VD que geralm ente pode serdesprezacla.

N o sem iciclo negativo de V s, 0 diodo estara polarizado reversam ente, nao conduzira e assim naohavera corrente circulando pela carga. A tensao na carga sera nula.A F ig ura N.16 apresenta as form as de onda de tensao e corrente para 0re tific ad or d e me ia o nc la .

P ara e sse c irc uito temo s:T en sao m edia na carg a:

VVL = ~ = 0,318 Vmax1t

Corre nte m ed ia no d iod o:IIde = ~ = 0,318 Imax1t

T en sao e ficaz n a carg a:VVef = ~ = 0,5 Vmax2

C orrente eficaz na carga e no diodo:ITf=~=05VJ .e 2 ' max

T ensao reversa m axim a no diodo:VR =Vmax

o diodo a ser utilizado devera ter asseguintes caracteris t icas :

Lt">0,318Imax e VR>Vmax

Figura IV.15

l ~~2V~b 3'Ir _ v t eV~m a ) (r

Figura IV.16

IE nten de-s e a qu i p or ca rg a um elemen to q ue co nsome potencia, P ara uma t en sil o de 5 V aplicada a um a carga,a s m en cees : uma c arg a de 25 rnA OU, um a carga de 200 n, fazem 0 me smo s en ti do . Carg a maxima s ig ni fic ac on sum indo a maxima pote nc ia OU, e qu iv ale ntemen te , c om a maxima c orr en te e c on se qu en temen te , m in imaresistencia,

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flns -Ele tronica Bas ica DiodosCircuito Retificador de Onda Completa (Center Tape)Na Figura N.18 e apresentado 0 retificador de onda comp/eta, ou retificador center tape.

, I: ~VFigura IV.18

Quando ocorrer potencial positivo em Vol, ocorrepotencial negativo em VS2, e vice-versa, ou seja asondas de tensao VS1 e VS2 sao invertidas,defasadas de 1800 (Figura N.17).

No semiciclo positivo de VSl, 0 diodo 01 estarapolarizado diretamente e conduzira conformemostra a Figura N.19. Ao mesmo tempo, Vsz enegativo e O2 estara cortado.

No semiciclo negativo de VS1, 0 diodo 01 estarapolarizado reversamente e estara cortado. Aomesmo tempo, VS2 e positivo e D, estaraconduzindo como mostra a Figura N.20.

% ,I~ tI

FiVS 20 2'rr t

Figura IV.17

Figura IV.19

Figura IV.20Pode-se notar que:

* cada diodo conduz somente meio ciclo de onda, exatamente como 0retificador de meia onda;* a corrente circula na carga sempre no mesmo sentido, produzindo uma onda de tensao continuapulsante;

* a tensao reversa em cada diodo e 0dobro da tensao de pico que aparece na metade do secundariodotrafo.As formas de onda das tensOes e correntes no retificador center tape sao apresentadas na Figura N.21

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Diodos Frns ~Ele tron ica Bas ica

b C V Y i~ f ~ m.I D b ~ Ii--, ~ : ~ e.2 " 1 1 " 3 1 T 4 ' I T eI D 2 1 t - - - - . . . L . - - ~\----~ jrmaxC\ 2 ' T r 3 " 1 1 " 4 " iT e

Figura IV.21

P ara e sse c irc uito temo s:T en sao m edia na c arg a:

VL = 2 Vmax = 0,636 Vmax1tCorrente m ed ia n o d iod o:

IIde = ~ = 0,318 Imax1tT en sao e ficaz n a ca rga:

_ Vrnax _V ef - ..fi - 0,707 VmaxC orrente eficaz na carga e no diodo:

Ilef = ~ = 0,5 Imax2T ensa o rev ersa m axim a no d iod o:

VR=2Vma x

O s diodos utilizados deverao ter as seguintescaracteristicas:Ide> 0,318 Im ax e VR> 2 v:....

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nns-Ele tron ica Bas ica DiodosCircuito Retiticador em PonteNa Figura IV.22 e apresentado 0retificador emponte, ou retificador de onda completa em ponte.

No semiciclo POSItiVOde Vs,somente os diodos O2 e 04 saopolarizados diretamente econduzem. Circula umacorrente no circuito conformemostra a Figura IV.23.

Quando Vs inverte depolaridade, somente os diodos01 e 03 conduzem, fazendocircular uma corrente nocircuito como mostra a FiguraIV.24.

0 , ~ rL~ - - - - - - - - - - - - - - - - ~

Figura IV.22

1- - - - - - -- - - - - - - -; t v . 0I S . +~ - - - - - - - - - - - - - - ~~--....,..__..:----- ,I ,I .._. 1Figura IV.23

II I II 1II _ . . L _ II t :

1- ---------'

Figura IV.24

Po d e - se notar que* cada diodo conduz somente meio cicIo de onda;* a corrente circula na carga sempre no mesmo sentido, produzindo uma onda de tensao continuapulsante;

* a tensao reversa nos diodos e a maxima tensao fomecida no secundario do transformador.As formas de onda das tensOes e correntes no retificador em ponte sao apresentadas na Figura IV .25.

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Diodos t'fns -E le tr en ic a Basi ca

Figura IV.25

P ara esse circu ito tem os:T ensao m edia na carga:

VL = 2 Vrnax = 0,636 Vmax1t

Corren te m ed ia n o d io do :IL t c = ~ = 0,318 Im ax1t

T en sa o eficaz n a ca rg a:Vv: = J i = 0,707 Vma x

C orrente eficaz na carga e no diodo:IIf=~=05Ie 2 ' max

T ensao reversa m axim a no diodo:

eOs d io do s u tiliz ad os d ev era o te r a s s eg uin te s c ara cte ris tic as :

Compara~aoP or ra zo es como a m aio r ten sa o n a carg a o btid a a o ser u tiliza do um mesm o tra nsfo rm ad or, m en ores co rren tesm ed ia s p or d io do e m aio r freq nen cia d a ten sa o d e sa id a (fp on te= fonda_completa) ,retifica do r em p on te e 0 maisu ti li za do na pratica.

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r ln s -Eletrcnica Basica DiodosIV.tt. Filtro com CapacitorA saida de um retificador e uma onda de tensao continua pulsante. Esta saida e util para motores ecarga de baterias e algumas outras aplicacoes. Em circuitos eletronicos geralmente 0que e necessario euma tensao continua constante como a de uma bateria, 0 que e possivel de ser obtido atraves de umfiltro com capacitor.

o filtro com capacitor consiste de um capacitor colocado em paralelo com a carga no circuitoretificador (Figura IV.26).

Figura IV.26

,II

II II III: III

As formas de onda da tensao na carga ecorrente na carga e no diodo para 0 caso de um Illiodoretificador de meia onda estao apresentadas naFigura IV.27.

, I

Figura IV.27

t,~ no inicio do intervalo, a tensao do capacitor se encontra ligeiramente inferior it tensao retificada. 0diodo fica polarizado diretamente e conduz, carregando 0capacitor e fomecendo carga ao resistor.t .t ~ a tensao do capacitor fica superior it tensao retificada, polarizando reversamente 0diodo. 0 diodofica cortado e 0capacitor descarrega-se fomecendo carga ao resistor.

Ondula~ioou RippleA forma de onda obtida na carga R L devido it carga e descarga do capacitor permanece com ondulacoes(ripple) que podem nao toleradas por certos circuitos eletronicos alimentados com uma tensao destetipo. Tais ondulacoes podem provocar ruidos no circuito alimentado ou 0mesmo pode simplesmentenao funcionar. 0 ideal e ter a menor ondulacao possivel. A forma de reduzir a ondulacao e aumentar aconstante tempo de descarga que e R r . C. Ondulacoes muito pequenas podem levar a valores decapacitancias extremamente altos, nao praticaveis, devido ao valor da capacitancia e ao tamanho docapacitor.

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Diodos nns -E le tre ni ca B a sic aA m aneira para 0 calculo do capacitor a fun de se obter u rn valor especifico de ondulacao ea pre se nta do a se gu ir .A curva da Figura IV .27 pode ser ap rox im ada por retas (F igura IV .28)

T t1

Figura 1V.28

D a form ula de capacitancia: C = ~ -;,E V QI V Q2m th 1 = C e em t2, 2 = C'Sub tra in do V 1 por V2:

D iv idin do os do is lados da eq ua~ ao anterio r p elo p erio do da ond ulacao T :VI - V2 = QI - Q2T TC

D a form ula de corrente eletrica: I = ~Q -;,~tI=-C

Substituindo V 1 - V 2po r Vand: Y o n d = _ ! _T CS aben do qu e a freqiiencia da on dulacao f e 0 in ve rso d o p erio do T d a o nd ula ca o: IV =-on d fCPara 0capacitor: IC=--rv,

P ode-se calcular entao, tanto a am plitude da ondulacao para urn capacitor no circu ito , quan to 0c ap ac ito r n ec es sa rio p ar a o bte r u rn a c erta o nd ula ca o.P ara retificadores de o nda com pleta (center tape e po nte), a freq uencia da ond a retificad a, q ue e am esm a freqiiencia da ondulacao , eo dobro da frequencia da onda de entrada do circuito . Para essesretificadores a ded ucao d as equacoes apresen tadas e a m esm a das d o retificador de m eia on da. D eve-setomar 0 cu idad o de utilizar a frequ encia correta n as form ulas. P or ex em plo, se a freq uencia de en tradado retificad or for 60 Hz a freq iiencia da ondu lacao para retificadores de m eia onda sera tam bem de 60

Hz e para retificadores d e ond a co mp leta sera d e 120 Hz.A Figura IV .29 apresen ta a curva de tensao na carga aproxim ada por retas para 0 caso dos

r etif ic ad o re s d e o n da c omp le ta .

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nns -E le tro n ic a B as ic a Diodos

\ i / '. /VT

Figura 1V.29Exemplo:

C alcula r a on du lacao do c irc uito retificad or d e o nd a comp le ta com filtro :Dados: corrente media na carga: I = lOrnA

frequencia da onda de entrada do retificador: f = 60 Hzcapacitancia: C = 470 J.1F

Von d

= lOrnA = 0,177 V1 20Hz 4 70 J.1 F

Tensao Media no FiltroA tensao m edia no filtro, que e a tensao m edia que ira alim entar a carga, e d ad a p or:

V o n dVcc=V ---ma x 2

Corrente de Surto ou Corrente de Pico TransitoriaAn te s d o c irc uito re tific ad or c om filtro se r lig ad o, 0c apa cito r do filtro se e nco ntra d esc arrega do . A o serenergizado, com o a tensao do capacitor e nula, 0m esm o se com porta com o urn curto , ficando toda atensao do retificador fica aplicada sobre o(os) diodos do retificador, O corre um a grande corrente paracarregar 0c ap ac ito r, q ue e cham ada de corrente de surto ou corrente de pico transltdrla:

A co rrente de su rto ap rox im ada po de ser calcu lada utilizan do a form ula ab aixo :I - V r n a xsurtc ?" RD

N a form ula, V ma x e 0valor de pica da tensao do retificador e Ro e a som a das resistencias dos diedosq ue estiv erem no caminh o da corren te na c arga do c apa citor.o valor da resistencia de urn diodo e um a consideracao de projeto e sera as sum ida aqui com o

sendo 5 n. Entao R n , para urn retificador de m eia onda tera urn valor de 5 n, para urn retificador deonda com pleta 5 ne p ara 0 retific ado r em p on te 10 n(2 d io do s n o cam in ho da c orren te).

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Diodos E'fns -E l etr en ic a B a sic a

IV. 12. Diodo Zenero diodo zener e urn tipo de diodo especialrnente construido para trabalhar na tensiio de rupturareversa, tensao reversa em que 0 diodo passa a conduzir com consideravel corrente e e dito estar naruptura.o diodo zener funciona da mesma maneira que 0

diodo comum, ou seja: quando polarizado diretamentecom tensao superior it tensao da barreira de potencial, 0diodo zener conduzindo apresenta uma ddp deaproximadamente 0,7V se for de silicio ou, 0,3V se forde germanic; ao ser polarizado diretamente com tensaoinferior it da barreira ou reversamente com urna tensaoinferior a sua tensao de ruptura, ele fica cortado; e aoser polarizado reversamente com uma tensao superior asua tensao de ruptura 0 mesmo mantem uma tensaopraticamente constante bern proxima da sua tensao deruptura. A curva caracteristica do diodo zener estaapresentada na Figura IV.30.

A diferenca entre 0 diodo convencional e 0 diodozener e que este apresenta uma tensao de ruptura berndefinida, chamada tensiio zener (Vz), cuja principalfinalidade em circuitos eletronicos e a de servir dereferencia de tensao. 0 simbolo desse dispositivo estaapresentado na Figura IV.31.

Na Figura podem ser observados IZmine Izmax.Uma corrente reversa inferior a IZminfaz com que 0zener fique cortado e, uma corrente superior it correntelZmax pode provocar sua queima.

No circuito da Figura IV.32, suponha que 0zener esteja trabalhando na tensao de ruptura. A tensaoVo na saida sera entao de 5V e a corrente no zener seradada por (10 - 5)/R.

Se a resistencia R for diminuida, a correnteaumentara, mas a tensao permanecera em valor muitoproximo da tensao de ruptura. Portanto Vo = 5V . Umagrande diminuicao da resistencia pOe 0 zener em riscode se danificar, devido ao aurnento da corrente e aconsequente dissipayao excessiva de potencia(P = v.Iz).

Se a resistencia R for muito aurnentada, acorrente que circulara pelo zener podera ser insuficientepara manter 0 zener na ruptura e entao 0 zener naopodera garantir na saida a tensao Vz.

c o n d u y a od i re ta

v

Figura IV.30

~ .anodo catodoFigura IV.31

Figura IV.32

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.E " fn s - E l et re n ic a Ba si ca DiodosExemplo :

C alcu le a resistencia lim itado ra de co rrente R d o circuito d a F igu ra, para q ue 0 z en er tra ba lh e n aruptura e sem 0 r is co de dan if ic a cao .D ados: V i = 15 V

Z en er: V z = 10 V , Iz m a x = 20 rnA , IZ roin 5 r n A .o m enor valor de resistencia que pode ser utilizado no circuito e aquele que perm ite nom axim o a corrente IZm......para q ue 0 z en er n ao s e d an ifiq ue .

Rmin = Vi - V z = 15-103 = 250 nI Zmax 20 x 10-

o m aior valor de resistencia que poder ser utilizado e aquele que perm ite no m inim a acorren te IZmin. Q ualquer resistencia com valor superior fara com que 0 zener passe para 0corte.R = v . - Vz = 15-10 = 1 kn

ma x I Z m i n 5 x 10-3

Ass im, 0v alo r d a re siste nc ia lim ita do ra d ev e e sta r e ntre 2 50 n e lk n.

Regulador de Tensio com ZenerC ircuitos regulad ores d e tensao sao cap azes de m an ter urn a ten sao estavel m esm o havend o variaco es nacorrente.

Seja 0 circu ito com zener da F igura IV .33 . 0p rojeto de urn circuito reg ulad or de tensao co m zenercomo 0 que e v isto na fig ura, co nsiste em escolher 0d io do z en er a de qu ad o p ara 0 r eg ula do r e 0 resistor Rsq u e man te nh a 0z en er n a ru ptu ra sem se d an ific ar.Figura IV.33

Escolha do zener:O s itens de especificacao de urn d iodo zener para uso em urn regulador de tensao sao : a tensao zener ea p ote nc ia d o z en er.

A tensao zen er (Vz) deve ter urn valor proxim o ao requ erid o pela carg a o u urn pouco superior.o z en er d ev e te r u rn a p ote nc ia d e d issip ac do m ax im a su pe rio r a p ore nc ia m a xim a c on sum id a p elacarga. Com o cargas podem consum ir potencias variaveis ou que podem ser desligadas, com o porexem plo urn radio. A co rrente q ue passa no resistor Rs, c o ns id er an do q u e 0 z en er se e nc on tra n a ru ptu rae a tensao de entrada e constante, e dada por (Vi - V z)1Rs ,que e u rn v alo r c on sta nte in de pe nd en te d acarga estar consum indo corrente ou nao. Portanto se a carga for desligada, com o a corrente I R econstante, toda a corrente que da carga passa a ir para 0 zener, que deve suportar entao, no m inim o,

toda a potencia d a carga.

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Diodos r r F E S - E le tr on ic a B a sic aExemplo:

P rojete u rn reg ula do r com zen er (F ig ura IV .3 3)Dados: tensao de entrada: V i = 10 10% V

tensao desejada na carga: VL = 5 Vcorrente m axim a na carga: km ax= 50 rnA

E sco lh a d o zen er:o valor de tensso zener m ais proxim o ao valor de tensao re qu erid o p ela c arg a e :

Vz=5,1 Vo zener devera s up orta r u rn a potencia superior a d is sip ad a p ela ca rg a:PL =ILmaxVz =50xlO-3x 5,1 = 0,255 W

Utilizando esses dados em consulta a tabelas de fabricantes, 0 z en er e sc ol hid o e 0BZ -7 95Vl. E ss e z en er a pre sen ta a s s eg uin te s c ara cteristic as :Vz = 5,1 V , IZm in2= 5 rnA, Pz = 0,4 W

Escolha de Rs:A e sp ec if ic ac ao d e R, envolve 0 seu va lo r e p oten cia d e dissip aca o.o v alo r d a re sis te nc ia R s do regulador deve ser calculado de m odo a satisfazer as condicoes jam en cio nad as, d e m an ter 0 zener na ruptura e evitar a sua queim a. Deve ser previsto que a carga docircuito pode se encontrar em qualquer valor entre seus valores maxim o ou m inima e que a tensao dee ntra da p od e v aria r.

N o calculo do m inim a valor adm issivel para a resistencia R s , v alo r p ara 0 qual ocorre a m axim ac orre nte n o z en er, 0 pior caso ocorre quando a tensao de entrada V i apresenta 0m aior valor possivel e acarga e nula (desligada). Com a tensao V i em seu valor maximo a queda de tensao V i - Vz em axim izada e por conseqiiencia tam bem a corrente IR que e proporcional. Se nao houver carga, todae ssa c orre nte , c irc ula ra p elo z en er.

R. = Vimax-VZmm I

Zmax

Para 0exemp lo an te ri or :v-V 101 -llV I - ~- 0,4 -78 A- . + /0- e Zmax - - mu n a x 1 V 51Z ' R = 11-5,1 = 770.:. m in 78x10-3o valor m axim o de R s para que 0 zener nao saia da ruptura , ocorre quando se tern a m inim a corrente

no zener. E sta e dada por Iz = IR - IL. A nalisando esta equa~ao pode-se observar que Iz se ra m in imoquanto m enor for IR e quanto maior for IL . Com a tensao V i em seu valor m inim o a queda de tensao V i -V z e m inim izada e por conseqiiencia tam bem a corrente IR que e proporcional a e ss a que da .

V. -VzR = ___, tnnn=:: . ._-=-ma x Imin +Ima x

2 Se 0 v alo r d e IZmin nao fo r fo rn ecid o p od e-se u tiliza r como re gra IZmin = I Z m a x / I O .Pagina 38


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rrns -E let re n ic a Ba s ic a DiodosPara 0 exemp lo an te ri or :

V i m a x = V i - 10% = 9V :. R = 9 - 5,1 = 73 0max 5x 10-3 + 50x 10F oi o btid o p ar a 0e xem plo da do : Rm""< R . r u n .

Nao e possivel s atis fa ze r a s d ua s condicoes (R, > R . r u n e Rs < R . m a J s imu lta ne amente . Ne ste c as o,s e f or e sc olh id o urn valor de Rs maio r q ue R . r u n 0 zener saira da ruptura e, se for escolhido urn valor deRs men or q ue R m " " 0zener queimara se a carga for retirada do circuito .Escolhendo-se urn zener que suporte urna corrente m aior, pode-se aurnentar a faixa entre R . r u n eR m a x .

Pz. 1I zmax= -= -=157mAVz 5,1o v alo r d e R m a x permanece 0mesmo.

ComPz = 1 W, :. R . = 11-5,1 = 380nu n 157xl0-3

T erem os enm o que 38 < Rs < 73 nUm a boa escolha para 0valor de Rs e:

a, = ~Rm in Rm axPara 0exemplo:

R, = ~38 x 73 = 52 0 .Como 0v alo r p ra tic o d e r es iste nc ia m a is p ro ximo e 560 este valor e 0e sco lh ido pa ra 0 regulador.N a especificacao d o re sistor d ev em os in dica r a potencia de dissipacao PR.

VR = Vimax- Vz = 11 - 5,1 V = 5,9 VV 2 59 2PR= _R_=_,_ :.PR=062WR 56 's

o valor para a potencia do resistor proxim o de 2PR (pa ra e vita r 0 seu superaquec imen to ), e lW .T e remo s e nmo , p or ta nto :

Resistor 560/1 W e Zener 5,lV / lW

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Diodos . E ' f n s - Ele tren ica Bas icaEXERCiCIOS - DIODOS

1 . Exp li que 0q ue sa o la cu na s.2. M ostre (por desenho) a estrutura de um cristal de silicio contendo um a im pureza doadora. M ostreta mbem a e stru tura co nte ndo uma im pu rez a rec ep to ra.3 . D e fin ir im p ure za d oa do ra e a ce ita do ra .4 .0 q ue se en ten de po r semic ond uto r in trin sic o?5. C ite c om o se p od e aumen tar a co nd utiv id ad e d e um sem ic on du tor in trin sico .6.0 q ue sa o p orta do re s m ajo ritario s? e m in orita rio s?7. C om o e form ada a barreira de potencial em um a junyao PN ? E la e m aior nos diodos de silicio ou deg erm anic ? P or q ue?8. 0 que e recombinacao?9. 0 que ocorre num a junyao P N com polarizacao direta? E com polarizacao reversa?10. 0 que acontece com a barreira de potencial quando a voltagem reversa e variada?11. R ela cio ne os p ortad ores m ajo rita rio s e m in oritario s a os c rista is tip o P e tip o N .12 . Cons iderando V D c u n d u y i o = 0 , 7 V , calcule I e V o pa ra o s circ uitos a seg uir:

(a)

(d)1kO 1kO

(g)

(b)6kO

(e)

(h)

1+10V - -1

f 5 k e Vo

+5V

(c)

2kO

10V

(f)6kQ

1 2 V f T 1 .1 4VI.)(i)

1kQ

12V

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rUE S - E l et ro n ic a Ba si ca Diodos(j) (I) (m)

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

I. A postila de E letronica Basica - E TF ES - M arcelo e S idney2 . E letronica - v ol. 1 - M alvino3 . T eo ria e D ese nv olv im en to d e C irc uito s E le trc nic os - C ip elli / S an drin i4. E letronica Basica - Schaum - M cG raw Hill5 . E letronica - vol. 1 - M illm an / H alkias


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M in is te rio d a E d uca ca oS e cre ta r ia d e E d u ca ca o M ed ia e Te cn o lo qica

CEFETES C e n tro F ed era l d e E d u ca ca o Te cn olo qica d o E sp fr ito S a n to

TRANSISTORES

Viloria - ES2003


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,Indice

V. TRANSISTORES 42V. IINTRODUCAO . .. .. . .. . .. .. .. . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 4 2V.2 TRANSISTORESIPOLARESDEJUNCAOBJT) 42Estmtura Interna e Distribui~io dos Portadores de Carga de um BJT 44Polariza~io Direta-Reversa das Jun~Oes do Transistor NPN 44Ganbo de Corrente e Equa~Oes do Transistor NPN 45Ganbo Corrente e Equa~Oesdo Transistor PNP 47

Sfmbolos do BJT: 48Curvas Caracteristicas dos BJT's 48Limita~iJes do BJT 49Area Util de Trabalbo do BJT 50Ponto de Opera~ao do Transistor 51V.3 CIRCUITOSDEPoLARIZACAODETRANSISTORES 52Polariza~io com Corrente de Base Constante 52Polariza~io com Tensio de Base Constante ou Corrente de Emissor Constante 56V.4 0BJT COMOAMPLIFICADORECORRENTE 59


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Transistores E 'ffES - Eletronica Basica

v. TransistoresV.I Introducaoo transistor de juncao, urn dispositivo de tres tenninais, foi inventado e construido em 1951 porSchockley. Este foi urn daqueles acontecimentos do seculo que, alem de provocar urna imediatarevolucao, acelerou todo 0desenvolvimento tecnologico mundial.o transistor bipolar de jun9ao, logo apos sua descoberta, teve aplicacao imediata ao substituir, comurna serie de vantagens, as valvulas eletronicas como dispositivo de ampli f icacao,Hoje 0 transistor, seja na sua forma discreta ou constituindo 0 dispositivo basico de urn circuitointegrado, desempenha as mais diversas funes e esta presente em praticamente todos os equipamentoseletr6nicos atuais.Entretanto, pode-se garantir que daqueles equipamentos, 0computador em especial, que cada vez maistorna-se imprescindivel para a vida modema, teve sua criayao e toda sua historia evolutiva centrada nadescoberta do transistor.

V.2 Transistores BipoJares de Junt;:ao (BJT)Sao dispositivos de tres tenninais que, dependendo da potencia exigida, da forma do encapsulamento, datensao m a x i m a suportada e da aplicacao a que se destinam, apresentam-se das mais diversas formas etamanhos, como mostradas na Figura V.I.

4 : . . .~r .!!I IS O T - 5 4 TO-39 S O T - 3 2 TO-220 TO-3

Figura V.I

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E 'rn s - Eletronica Basica TransistoresEles sao construidos com a juncao de tres cristais semicondutores, sendo dois deles dopados comimpurezas do tipo P e urn, de espessura mais fina e que fica na parte central, com impurezas do tipo N,ou vice-versa. Desta forma, dependendo de como os tres cristais sao arranjados, constitui-se urntransistor PNP ou NPN, comomostra a Figura V.2.

p~

Transistor PNP Transistor NPNFigura V.2

Os dois semicondutores das extremidades sao chamados de emissor (cristal que emite as cargaseletricas) e coletor (cristal que recebe as cargas que atravessam a regiao central) respectivamente, eosemicondutorcentral, e chamado de base (cristal central permite 0controle da corrente entre0emissoreo coletor).As tecnicas de construcao desses dispositivos evoluiram passando pelas de contato por pontos, porliga e mesa, ate chegar as duas mais ernpregadashoje em dia, que sao a planar e a planar epitaxial. AFigura V.3 a seguir mostra, em forma de corte as tres regioes com seus respectivos terminais, de urntransistor construido segundoa tecnica planar.

ITIOOP. Regilo d o l BaseII

Conlaloda BaseC_ do Emissar

TiPONIRegilodoEm; . . .. .TlpoNcorpo do eoletor

Figura V.3

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Transistores rrn s -E l et ro n ic a Ba si caEstrutura Interna e Distribulcao dosPortadores de Carga de urn BJT.Como foi visto no estudo dos diodos sem icondutores, ao se formarem as juncoes entre ossemic on du to re s e a nte s d e se e sta be le ce r 0 e qu ilib rio , h a u rn m ov im en to d e e le tro ns (d ifu sa o d e c arg as)das regioes N para a regiao P , 0 que p rovoca 0 a pa re cim en to d e io ns re sp on sa ve is p elo su rg im en to d asdua s cam ada s d e dep le~ iio e sua respectiva s tensoes de b arreira.A Figura V .4 mostra urn esquem a da distribu icao dos ions e dos portadores de carga em cadase micond uto r, bern com o, em tom e d e cada u rn a d as juncoes,N este caso po dem os ob serva r q ue 0 emissor e d ensam ente do pad o, a base e Ie veme nte d op ad a e m uitof in a, e nq ua nto q ue c ole to r a pr es en ta 0m aior tam anh o d as tres regioes e n iv el d e d op ag em in te rm e dia rioe ntre a qu ele d as o utra s d ua s.

N p N

- -r--C

o nd e temo s q ue :- + ~ e le tr on s li vr es e l acun a se e ~io n s po si tiv o s e n eg at iv o sEB B ~ portadores m inoritarios

-E

[ sFigura V.4

Polariraeao Dlreta-Reversa das Juncoes do Transistor NPN.A o polarizarm os d iretam ente, com o m ostra a F igu ra V .S , a jun yao b ase-em issor (Jl) e re versam ente ajunyao co le to r -base (J2), espera-se que circule uma grande corren te do em issor para a base, e urnapeq uen a corrente da base p ara 0 co le to r, e n tr eta nt o, e st a co rr en te e p ra tic am ente ig ua l a p rim e ira .Obs.: N a Figura V .5 e mostrado 0 sentido de circulacao dos eletrons, que e 0 oposto do sentidoconven c io n al d a cor rente e le tr ic a.

N P '1 N~'E I r c:::::::--'2 ~

SV1 V2I i Ii- 1 1 + - 1 1 +

Figura V.S

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F fF S - E le tr on ic a B as ic a Transistoreso fato descrito acima ocorre porque os eletrons que saem da fonte VI sao forcados a penetrarem noemissor, ao fazerem isto, a polarizacao direta provocada pela tensao VBE forca-os a entrarem na regiaoda base.Como a base, no caso urn cristal P, e bastante estreita e bern menos dopada que as outras regioes, oseletrons, portadores majoritarios do emissor, passarao em sua maioria diretamente para 0 segundocristal N que constitui 0coletor e atingem 0polo positivo da fonte V2.A fraca dopagem da base faz com que uma pequena parcela dos eletrons injetados soframrecombinacoes sucessivas com as lacunas ali existentes, ate atingirem 0polo positivo da fonte VI.Assim, internamente ao transistor, teremos uma corrente devido a polarizayao direta de 11 e reversa deJ2. Outra corrente intema e aquela formada devido ao fenomeno da recombinacao. Ja extemamente,teremos a circulacdo de tres correntes: uma do terminal positivo de V2 para 0 coletor (lC), uma doterminal positivo de VI para a base (lB) e outra do emissor para 0 terminal negativo de VI (IE).Outro fato importante a ser observado e que, para pequenas variacoes da tensao VBE ocorre umagrande variayao na corrente de emissor (IE), pois a junyao base-emissor esta polarizada diretamente.Isto, por outro lado, faz com que aumente proporcionalmente as correntes do coletor (lC) e da base(IB).

GanhodeCorrente eEquacees doTransistor NPNDevemos lembrar que numa junyao PN polarizada reversamente existe uma corrente reversa que efunyao da temperatura. E a corrente de portadores minoritarios gerados termicamente, por rompimentode ligay5es covalentes.

Considere 0sentido convencional das correntes internas e extemas da Figura V.6 abaixo:

N P IC E N~E I -~C:::::::-- -= CIBE - - .: :~\JVCB

BV1 iB V2I I I I- I I + - I I +

Figura V.6

Da figura anterior temosIE = ICE + IBE (1)I e = ICE + ICB (2)IB = IBE - ICB (3)

onde:I c E ~ corrente entre coletor e emissorIss ~ corrente entre base e emissorI C B ~ corrente entre coletor e baseIE ~ corrente de emissorIc ~ corrente de coletorI B ~ corrente de base

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Transistores ffFE S - Eletronica BasicaAMm c ia d ep en de nc ia c la s c orr en te s em re la ca o a te ns ao b ase -em iss or, c omo mo stra do a nte rio rm e nte , hatam bem um a relacao bern definicla entre a corrente de recom binacao (IB E) e a corrente que atravessa are gia o c en tra l (ic E ). E s sa re la ya o e d ef in id a c omo 0 ganho de corrente do transistor e e representadopor 1 3 (b eta ). Is to e :

ICE= 1 3 IB E

S ubstitu in do IcE n a e qu ac ao (2 ), te mo s:Ic = 1 3 IB E+ ICB (4)

D a eq ua ca o (3 ), o btemos:IB E= IB+ ICB (5)

S ubstitu indo a equacao (5) na equacao (4), terem os que:Ic = 1 3 (IB + ICB)+ IcBIc = 1 3 IB + ( 1 3 + 1 ) ICB

D e onde podem os concluir que a corrente de coletor e proporcional it som a clas correntes de base e ac orre nte d e p orta do re s m in orita rio s, q ue sa o ge ra do s term icame nte . S end o a ssim , o bse rv am os q ue, alemdo e fe it o c ia p rop orc io nalida de e ntre a s c orre nte s d e co le to r e b ase , 0 tra nsis to r a in cla a pr es en ta u rn c ertog ra u d e s en sib ilid ad e it va ri acoes de t empe ra tu r a.C onsiderando que na m aioria clas aplicay5es a corrente devido a variacao c ia temperatura pode serc on si de ra cla d es pr ez iv el, p od emo s a in cla e sc re ve r q ue :

Ilc= J3IB I

P or outro lado, considerando as correntes indicadas na F igura V .6, tem os que a corrente de em issor e:hE = Ic + IB I

Ou tr o c la do irn po rta nte , a go ra r ela cio na do c om a s te ns oe s a plic ad as, e que:IVCE= VCB+ VBE I

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FIF tS - Eletronica Basica TransistoresGanbo Corrente e Equacoes do Transistor PNPo transistor PNP, a nivel de estrutura e funcionamento interno, exceto pelo fato da base ser urn cristaldo tipo N, tern seu funcionamento semelhante ao do NPN.Considere 0esquema da Figura V.7 abaixo:

P N P onde:lEe ~ corrente entre coletor e emissorchB ~ corrente entre base e emissorl E i B ~ ' e~ ' 8 IBe ~ corrente entre coletor e baseV1 V2 IE ~ corrente de emissor

+ - + - Ie ~ corrente de coletorIB ~ corrente de base

Figura V.7

Da figura anterior temosI E = I E C + I E B (1)I c = I E C + I B c (2)I B = I E B - I B c (3)

De maneira analoga ao transistor NPN, temos que:Ic = 1 3 I B + ( 1 3 + 1) I B c

se desprezannos IB c , teremos:I l c = 1 3 I B

ja a corrente I E sera dada por:l I E = I c + I B I

enquanto que as tensOes estarao relacionadas atraves de:Iv E C = V B C + V C E I

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Transistores rrns - E le tr on ic a B as ic aSimbolos do BJT:

Transistor NPN Transistor PNPFigura V.S

Na Figura V.8, 0 terminal com a seta e 0 emissor do transistor e indica 0 sentido d a correnteconvencional no emissor.

Curvas Caraeteristicas dos BJT'sCurva caracteristica entre base e emissor (Figura V.9):

onde:I B ~ corrente de base;VBE ~ tensao entre base e emissor;VK ~ tensao de joelho (0,3 V - germanic e 0,7 V - silicio)

Figura V.9

A curva da Figura V.9 e analoga a curva que descreve 0 comportamento do diodo pois, d a mesmaforma, refere-se a polarizacao direta de uma juncao PN.Curva caracteristica entre coletor e emissor (Figura V.IO)

onde:Ic ~ corrente de coletor;VCE ~ tensao entre coletor e emissor;I B ~ corrente de baseVCESAT ~ tensao entre coletor e emissor a partir d a qual a

relacao entre a corrente de coletor e a de base ficapraticamente constante.

_-----183_------182

~------- 181

Figura V.lO

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fffES - E le tro nic a B as ic a TransistoresN a regiao inicial das curvas - ate V C E SA T0 tra nsisto r se e nc on tra c om amba s a s ju nc oe s - b ase -emisso re b as e- co le to r - p ola riz ad as d ir etam en te , 0 que faz com que pequenas variacoes de tensao provoquemg ra nd es v aria co es n a c orre nte d e c ole to r (regiiio de saturafiio).A pos V CE SA T,0 transistor apresen ta a jun~ao base-em isso r polarizada diretam ente e a juncao base-c ole to r p ol ar iz ad a r ev er samente (regiiio ativa). Nessa condicao, com o ja visto , 0 tr an sis to r f un cio n acom o am plificador. A corrente de coletor e m uito m aior que a corrente de base por um a razao de 1 3 .A ssim , para cada valo r de IB ha um a curva relacionando Ic com Is. A pequena variacao de Ic com V CEapes V C ES ATecorre do aum ento da corrente reversa na juncao base coletor quando esta e po larizadareversamente.

Llmltacoes do BJTL im ita co es a qu i c orre sp on dem a c on dic oe s a cim a d as q ua is 0 dispositivo esta su je ito a se r d an ific ad o o uinutilizado.A s p rin cip ais lim ita co es d o tra nsis to r s ao :* BVCBOB re ak down Vo lta ge ) - te nsa o d e ru ptu ra e ntre c ole to r e b ase q ua nd o 0 em is so r e sta a be rt o;* BVC EO tensao de ruptu ra en tre coleto r e em isso r q uando a b ase esta aberta;* BVC ER- tensao de rup tura en tre coletor e em issor quan do existe u ma resisten cia co locada en tre a b asee o e nn sso r;* l e M - ma xim o v alo r d e c orre nte c on tin ua n o c ole to r;* PCMAx- m axim a poten cia qu e 0c ole to r p o de d is sip a r;* Ieee - co rrente en tre co letor e base quan do 0 em is so r e sta a be rto . E a co rrente d e saturacao dev ido itp ola riz ac ao re ve rsa e ntre b ase e c ole to r

obs.i: A p ote nc ia d issip ad a p elo c ole to r d o tra nsisto r e d ad a p or:Pc = VCEIc

onde:V CE - - + te nsa o e ntre c ole to r e em is so r;Ic - - + corrente de coletor.

obs.s; 0 valo r de ICBo,para 0 silicio , dobra para cada lOoe de aumento na temperatu ra e para 0germ anic d obra a cada 6 e d e a ume nto d e tempe ra tu ra .

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Transistores 'rns -Eletrenica BasicaArea i T til de Trabalho do BJTAs Iimitacoes expostas anterionnente estabelecem valores que certas variaveis do transistor nao devemtranspor. Tais limites definem uma area util de trabalho do transistor, em que 0mesmo pode trabalharsem se danificar. Tais limites podem ser observados na Figura V.II.

onde:Regiiio de corte:Com corrente de base igual a zeroIc = 1 3 0 + ( 1 3 + 1) I C B O = Ice, que nao pode sercontrolada externamente. Como nao hi! corrente debase negativa, esta regiao deve ser evitada pois,

H I P E R B O L E embora a mesma pennanece pequena, nao hi!_----~fft' + :D E P O T E N C I A controle sobre a corrente de coletor.Regiiio de saturafiio: A corrente de coletor naoapresenta uma rela9ao definida com a corrente debase. As duas juncoes se encontram polarizadasdiretamente e pequenas vanacoes em VC Eprovocam grandes variacoes em Ic.

R E G IA o D EC O R T E

Figura v.u

Regiiio ativa:0transistor funciona como amplificador, valendo a relaceo I c = 1 3 I B + ( 1 3 + 1) I C B O .Hiperbole de podncia: E a hiperbole definida pelos pontos V C E , I c , em que 0 produto V C E I c e igual aPCMAX. Qualquer ponto a esquerda da hiperbole apresenta urn produto VCE I c inferior a PCMAX e a direitasuperior a PCMAX.Portanto a area util do transistor e definida pelos limites das regioes de saturacao, corte, hiperbole depotencia, I c M A X e BVCEO. Nessa regiao, e possivel controlar a corrente de emissor (coletor e base) dotransistor atraves da tensao entre base e emissor, VBE, sem 0 perigo de danificar 0 transistor por excessode corrente, tensao ou potencia, Neste caso, a corrente Ie mantem uma proporcionalidade com acorrente I B ' dada pela rela~o Ie = 1 3 I B .

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rrns -Eletronica Basica TransistoresPonto de Operacao do TransistorPara funcionar como amplificador 0 transistor deve apresentar tensOes e correntes que 0 deixem naregiiio ativa.Ao se encontrar na regiao ativa, se nenhurn parametro for variado, 0 transistor apresentara valores fixosde tensOes (VBE , VeE e VCB) e correntes (lB, Ic e IE). A estes valores damos 0 nome de valoresquiescentes (repouso) e ao ponto da curva caracteristica onde se encontram estes valores, de pontoquiescente. Ao processo utilizado para se colocar 0 transistor em urn determinado ponto quiescente,chamamos de metoda de polarizacdo.

Seja a Figura V.12:

... _ - - - - .veEFigura V.12

onde:PQE ~ ponto quiescente de entrada, dado por VBEQ e IBQ .PQS ~ ponto quiescente de saida, dado por V CEQe IcQ.

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eletronica basica

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