GRECO-CIN-UFPE Prof. Manoel Eusebio de Limaes238/arquivos/aulas/aula_01.pdf · Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad, Loius Nashelsky, 8a edição,

Introdução (Eletrônica 1)

GRECO-CIN-UFPE

Prof. Manoel Eusebio de Lima

Programa do curso

Introdução (conceitos)

– Fonte de tensão

– Fonte de Corrente

– Resistores/capacitores (revisão)

Diodos

– Diodo de retificação

– Diodo Zener

– Aplicações

Transistor bipolar

– Polarização, amplificadores, seguidor de emissor, ...

Famílias lógicas:

– DL, DTL, TTL, CMOS

Amplificadores Operacionais e aplicações

Conversões AD e DA

Instrumentação/ferramentas

– Osciloscópio Digital

– Fontes de alimentação

– Gerador de funções

– Multímetro Digital

Ferramenta de CAD (Multsim)

Laboratórios

Projetos do curso

Dois Exercícios escolares

Programa do curso Aplicações/projetos

– 1a unidade

• Fontes de alimentação

• amplificador

– 2a Unidade

• Conversores A/D e D/A

• Interfaces

Projeto da disciplina – Casa Inteligente/granja

Referências

1. Eletrônica, Malvino, Vol I e Vol II, 4a Edição, Pearson Education –

Makron Books, 2004.

2. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos, Robert L. Boylestad,

Loius Nashelsky, 8a edição, Pearson Education – Prentice Hall, 2004.

3. Microeletrônica, Kenneth C Smith, Adel S. Sedra, 4ª edição.

Avaliação

– 2 Unidades

– Cada unidade:

• 1 exercício teórico

• 1 exercício prático

• 1 Projeto

• Laboratórios (listas)

Fontes de alimentação

Fonte de alimentação

– Para que qualquer circuito funcione adequadamente é necessário

uma fonte de energia:

• Fonte de tensão

– Fornece uma tensão constante ao circuito conectado a

ela.

• Fonte de corrente

– Fornece uma corrente constante ao circuito conectado a

ela.

Fonte de tensão Fonte de tensão é um equipamento que fornece uma tensão

constante a circuito conectado a ele, “independente” de sua

carga elétrica.

– Dizemos que uma fonte de tensão é ideal quando ela apresenta

uma resistência interna igual a “zero”. Ou seja, apenas a corrente

muda no circuito em função da carga RL.

0

?

Não existe fonte de tensão capaz de fornecer

uma corrente de valor infinito desde que toda

fonte de tensão possui uma resistência interna

RS

– Uma fonte de tensão Real, no entanto, não pode fornecer uma

corrente infinita quando sua carga vai para zero, uma vez que a

mesma sempre possui uma pequena resistência interna.

VL < V

+

V

RL

I = V/RL

-

Fonte de tensão Real

Características

– Deve possuir sempre uma resistência interna bem menor que a

resistência de carga.

– Para fins de cálculo podemos desprezar está resistência interna da

fonte quando a mesma é da ordem de 100 vezes menor que a

resistência equivalente da carga do circuito.

V=12V RL 6

I = V/RL

+

RS = 0,06

Exemplo:

VL < V

VL = 12 - IRS

RL >> RS

Fonte de corrente Fonte de corrente é um equipamento que fornece uma

corrente constante ao circuito conectado a ela, “independente”

de sua carga elétrica.

– Dizemos que uma fonte de corrente é ideal quando ela apresenta

uma resistência interna muito alta. Ou seja, apenas a tensão muda

no circuito em função da carga RL

– Uma fonte de corrente Real fornece uma corrente quase

constante quando o valor da resistência de sua carga é bem

inferior a sua resistência interna. +

V

RL

I = V/(RS+RL) Constante

RS

Como RL é bem menor que a resistência

interna da fonte, a corrente quase não se altera

no circuito (I constante)

<< RS

Fonte de corrente

Características

– Deve possuir sempre uma resistência interna bem maior (ideal

seria RS -> ) que a resistência de carga.

– Para fins de cálculo podemos desprezar o valor da resistência de

carga do circuito quando esta é da ordem de 100 vezes menor que

a resistência interna da fonte.

+

V=12V RL = 10K

RS = 10 M

I = 12

(10x106+RL)

Exemplo: Fonte de corrente Real

(simbologia)

RS

Fonte de corrente

RS (10M )

RL

I RL (K) I(A)

0 1,200

1 1,199

10 1,198

100 1,188

1000 1,090

I = 12 A

(10x106+RL)

RL (K)

I(A)

100

Ponto de 99%

Região quase ideal

V=12V

Como obter fontes de alimentação DC?

Bateria

Fonte AC/DC

220V Vac +

- /

Circuito retificador

Vdc

AC DC

+

-

Fontes de alimentação AC-DC

Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no

Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz

(senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes

valores (220V, 110V, 12V, etc), dependendo do fator de

redução aplicado.

Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa

tensão, o que implica na necessidade de um transformador

para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a

retificação.

220V Vac +

- /

Circuito retificador

Vdc

Transmissão de energia elétrica

A energia elétrica produzida

nas usinas hidrelétricas é

levada, mediante condutores

de eletricidade, aos lugares

mais adequados para o seu

aproveitamento. Para o

transporte da energia até os

pontos de utilização, não

bastam fios e postes. Toda a

rede de distribuição depende

estreitamente dos

transformadores, que ora

elevam a tensão, ora a

reduzem.

http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm

Transformador

(eleva a tensão)

Transformador

(baixa a tensão)

Linhas de transmissão

de alta tensão

O transformador

Onde:

N2 = Número de espiras do secundário do transformador

N1 = Número de espiras do primário do transformador

Considere que não há perda no circuito magnético do transformador

(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída

(P1=P2).

Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ;

Relação tensão/número de espiras em um transformador:

como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja,

I1 = (N2 /N1). I2 e I2 = (N1 /N2). I1

Voltagem

secundária

espiras N2

espiras N1

Voltagem

primária

V1

N1 : N2

V2

primário secundário

I1 I2

carga

Transformador Transformador isolador

– Este transformador se chama isolador porque separa galvanicamente a tensão de entrada da tensão de saída, através de dois enrolamentos totalmente separados, colocados em volta de um núcleo magnético que realiza a transferência de energia. O enrolamento da tensão de entrada é chamado de primário e o da tensão de saída, secundário.

Auto-Transformador

– O transformador que só apresenta um

enrolamento, onde o primário e o

secundário são eletricamente

conectados, é chamado de

autotransformador.

Tensão/Corrente Alternada (AC)

Tensão/corrente alternada

Corrente: i = Ip sen(wt)

Tensão: v = Vp sen(wt + ø)

Legenda:

v - tensão instantânea

i - corrente instantânea

Vp - tensão de pico

Ip - corrente de pico

f - freqüência

w - freqüência angular

t - tempo

ø - ângulo de fase

T - período (1 / f)

Valores de tensão/corrente gerados Valor Eficaz ou valor RMS de uma corrente alternada é o valor

equivalente a de uma corrente contínua que produz a mesma dissipação de calor em um resistor.

A razão média de calor produzido por uma corrente alternada durante um ciclo é dada por

A razão média de calor produzido por uma corrente contínua na mesma resistência é dada por:

P= (1/T) R.i(t)2. dt 2

0

P= R.I2.

+

V

R

I = Constante

P= R.I2

V

R

i(t) = alternada

P= (1/T) R.i(t)2. dt 2

0

≡

-

Assim:

A corrente I define a corrente alternada em função da razão

média de calor que ela produz em uma resistência e é chamado

de “valor médio quadrado (vmq ou rms)” , Irms.

R.I2 = (1/T) R.i(t)2. dt => I = (1/T) i(t)2. dt = i(t)2médio

2

0

Valores de tensão/corrente gerados

Irms = i(t)2médio

i(t)2médio = Irms

i(t)2médio

i(t)2

i(t)

RI2 = (1/T) R.i(t)2. dt,

Irms2 = (1/T) ip

2sen2(t) dt => Irms2 = (1/T) ip

2 sen2(t) dt =>

Irms2 = (1/T) ip

2 ((1/2-1/2.cos(2t)) dt =>

Irms2 = (1/T) ip

2 [ ((1/2.T-1/4.sen2(2/T)) ] => Irms2 = ip(t)

2/2

Irms = ip(t)/ 2 Valor Eficaz ou valor RMS

Se i = i(t) = ipsen(t), em termos de potência:

ip(t)

Valores de tensão gerados

Corrente e tensão eficazes:

Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%.

Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, faz-se referência ao seu valor eficaz.

– A corrente e tensão alternadas medidas por um amperímetro representam seus valores eficazes.

– Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS).

Irms= ip(t)/2 Vrms = Vp(t)/2

o Tensão e corrente eficazes ainda são alternadas. Como então podemos gerar tensão e corrente contínuas para alimentar nossos circuitos eletrônicos?

220V Vac +

- /

Circuito retificador

Vdc

AC DC

Retificação de tensão

Existem várias formas de retificação de onda alternada para

contínua, dentre elas a retificação utilizando diodos, dispositivos

semicondutores que permitem a pssagem da corrente elétrica

por seu corpo em uma só direção.

Dentre as formas de retificação podemos destacar:

– Retificação de meia onda

– Retificação de completa com tap central

– Retificação de onda completa em ponte

Retificação de meia onda Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo

valor médio é zero) em uma forma de onda unidirecional, com

uma componente não zero, é chamado retificador.

RL V2(rms) V1(rms)

N1 : N2

5 : 1

Vdc = ?

0

V(volts)

=t 2

Vp

=t 2

Retificação de meia onda

Tensão de pico no primário:

Vp1 = Vrms.2 => (120.1,414) V = 170 V

Tensão de pico no secundário:

Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 34V

A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha:

f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms

Considere que o diodo é um diodo ideal

RL

1N4001

V2 = 24 V V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1

Vdc = ?

rms rms

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

V1

170

- 170

V(volts)

t(ms)

= 16.7

1N4001

V2 = 24 V

N1 : N2

5: 1

RL V1 = 120V

Vdc =10,8 V

O valor médio de uma função periódica é dado por

Vdc= (1/T).V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área

da meia onda) dividido pela base (T= 2 )

Vdc = (1/T)V(t)dt , T=2 .

para meia onda (onda retificada):

Vdc=(1/T) Vp sen(wt). dt = Vp/ = 0,318 Vp .

Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V

Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz

T/2

0

rms rms

V(volts)

t(ms)

T = 16.7 V2

34

- 34

Fator de ondulação

Vdc = Vp/ = 0,318 Vp = 10,8 V

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

Fator de Ondulação(F.O) é dado por:

tensão de pico/ valor médio da tensão retificada= Vp/(Vp /) =

170

- 170

V(volts)

t(ms)

= 16.7

RL

1N4001

V2 = 24 V V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1

rms rms

Retificação de onda completa Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é

equivalente a dois retificadores de meia onda.

O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.

RL Vdc V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1 1N4001

1N4001 24 V

+

-

+

-

=12V

=12V

As duas tensões V1 e v2 são idênticas

RL Vdc=10,4V

1N4001

17V

- Tensão de pico no primário:

Vp1 = (120.1,414) V = 170 V

- Tensão de pico no secundário:

Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 34V (total)

- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário

tem uma tensão senoidal de pico com um valor de 17V.

- O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é

dado por:

Vdc = 2.(Vp/) = 0,636 Vp = 10,8V

A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:

f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms

Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/) = /2

V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1 1N4001

(f1 = 60Hz)

(f2 = 120Hz)

diodo

Retificação de onda completa em ponte

Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada).

A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central.

D1

D2

D3

D4

V

V1 = 120V (6OhZ)

24 V

-

+

-

34 V 170V

-170V

Tensão reversa

Tensão reversa

+

-

D1

D2

D3

D4

V

Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por:

Vp = 24/0.707 = 34 V

Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga

é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V

Vantagens deste modelo:

1. saída em onda completa

2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário

3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário.

- O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga) é dado por:

Vdc = 2.(Vp/) = 0,636 Vp .Observe que a tensão de pico aqui é duas

vezes a tensão de pico na retificação com tap central.

Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora

é dada por:

f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms

Fator de ondulação Vp/(2.Vp/) = /2

34V

Comparação dos métodos de retificação

Obs: Vp na retificação em ponte é igual ao dobro do valor

de Vp para as retificação meia onda e onda completa

com tap central.

(Tap central)

Tensão de

ondulação

Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)

Tp = tempo entre picos na tensão de saída Funcionamento:

1. Inicialmente o capacitor está descarregado.

2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário o diodo está conduzindo

permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico.

3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave

aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente

o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl).

4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do

capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o

período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco

até o próximo ciclo.

Reduzindo Fator de ondulação - filtro

Redução do F.O através da

introdução de um capacitor em

paralelo com a carga do circuito

Capacitor – curva de carga Equação de carga do capacitor

V

V0

0,63 V0

Em t = RC V0 V0 V0

Em t = 2RC 0,86V0

Equação de descarga do capacitor

V

Vo

Vo

A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta

como na descarga do capacitor, dada por:

Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial

como Assim,

Desde que T2-T1 T/2, onde T é o período da onda senoidal, então

a tensão de ondulação na retificação de onde completa é dada por:

Vmax Vmin

A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:

T1-T2

Fator de ondulação

Para um circuito com retificação de meia onda

Vr(pp) = Vmax/fRC

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

Vmax Vmin

Circuito retificador em ponte

A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte

retificadora:

– Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda

de tensão.

Vdc = Vp – 1.4V

– Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos

estimar que:

Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2

Este é um valor médio utilizada na prática.

O valor de pico a pico do valor da tensão de ondulação é menor

que 10% do valor de pico.

Circuito retificador em ponte

Corrente cc média no diodo em uma ponte retificadora é dada por:

– ID= 0,5.IL

– Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo.

– Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de 2 A.

Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.

– PIV = Vp2

Corrente de surto

– Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o capacitor está descarregado.

– O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo determinado.

• Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 F, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.

• Se o capacitor for superior a 1.000 F, necessitando de vários ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.

Tutorial

Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:

– Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V)

– Corrente máxima = 100mA (carga)

Retificação:

– Retificadora de onda completa com tap central

• Sem filtro capacitivo

• Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax)

Obs:

– Utilizar a retificação onda completa

– Especificar todos os componentes

– Demonstrar projeto no Multsim

Fazer o tutorial acima para uma fonte retificadora em ponte

Conversão AC - DC

Inversão de fase

Conversão AC - DC Vr(pp)

Revisão

http://wiki.cecm.usp.br/wiki/Integral_do_quadrado_de_seno