Apostila Eletrônica Básica PET

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA – CEEI UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA ELÉTRICA – UAEE PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL – PET TUTOR: EDMAR CANDEIRA GURJÃO

ELETRÔNICA BÁSICA 2ª EDIÇÃO

AUTOR: FELIPE VIGOLVINO LOPES CO-AUTORES: ELÍBIA TERESA MOREIRA COLAÇO ROBERTO DA SILVA MACENA

MAIO DE 2008

SUMÁRIO INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO........................................................................3 AULA 1...........................................................................................................4 EQUIPAMENTOS ALGUNS COMPONENTES ELETRÔNICOS...............................................................4 RESISTOR....................................................................................................4 CÓDIGO DE CORES PARA RESISTORES.............................................4 LEI DE OHM....................................................................................6 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES..........................................................7 POTÊNCIA........................................................................................7 DIVISOR DE TENSÃO........................................................................8 DIVISOR DE CORRENTE...................................................................9 SENSOR....................................................................................................10 SENSORES MODELADOS POR RESISTORES......................................10 SENSOR DE TOQUE........................................................................11 FOTOSENSOR.................................................................................11 CAPACITOR...............................................................................................12 INDUTOR...................................................................................................13 BATERIA E FONTE DE ALIMENTAÇÃO........................................................14 ALGUNS INSTRUMENTOS: DE MEDIÇÃO E DE MONTAGEM................................16 PROTOBOARD...........................................................................................16 MULTÍMETRO DIGITAL.............................................................................17 MEDIÇÃO DE TENSÕES – VOLTÍMETRO.........................................18 MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIAS – OHMÍMETRO..................................19 MEDIÇÃO DE CORRENTES – AMPERÍMETRO..................................20 MONTAGENS........................................................................................................21

AULA 2.........................................................................................................22 CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES................................................22 A ESTRUTURA DA MATÉRIA......................................................................22 SEMICONDUTORES....................................................................................23 IMPUREZAS...............................................................................................24 DISPOSITIVOS ELETRÔNICO...............................................................................24 DIODO.......................................................................................................24 LED.........................................................................................................27 SENSOR INFRAVERMELHO.........................................................................28 TRANSISTORES..........................................................................................28 TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO.........................................29 TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO...........................................30 JFET............................................................................................31 MOSFET.....................................................................................31 MONTAGENS........................................................................................................32 MONTAGENS.............................................................................................32 AULA PRÁTICA E SIMULAÇÃO...................................................................33

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AULA 3.........................................................................................................35 OPERADORES LÓGICOS.......................................................................................35 OPERADOR NOT.......................................................................................35 OPERADOR AND......................................................................................36 OPERADOR OR..........................................................................................36 CIRCUITOS LÓGICOS...........................................................................................37 NOT.........................................................................................................37 NAND......................................................................................................37 NOR.........................................................................................................38 MONTAGENS........................................................................................................38

AULA 4.........................................................................................................42 MOTIVAÇÃO........................................................................................................42 CIRCUIT MAKER STUDENT VERSION.................................................................42 INSERINDO COMPONENTES........................................................................42 LIGANDO OS COMPONENTES.....................................................................43 SIMULAÇÃO..............................................................................................44

REFERÊNCIAS..............................................................................................46

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INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO Segundo o Dicionário Aurélio, eletrônica é a “Parte da física dedicada ao estudo do comportamento de circuitos elétricos que contenham válvulas, semicondutores, transdutores, etc., ou à fabricação de tais circuitos”. Outra definição similar, mas de um ponto de vista diferente, é a de que a eletrônica é a ciência que tem por objetivo estudar as diferentes formas de controlar a energia elétrica por meios elétricos, nos quais os elétrons assumem um papel fundamental. Na realidade, todos os dispositivos e circuitos em que os fenômenos relacionados envolvam o movimento de elétrons (condução) se enquadram nos estudos realizados pela eletrônica. E é devido a essa grande abrangência que a eletrônica foi dividida em Analógica e Digital, de acordo com a forma de representação dos sinais elétricos. Mesmo assim, o objetivo principal desta ciência, nas duas divisões, é o de representar, armazenar, transmitir ou processar informações. Desta forma, a eletrônica está presente em:

Computadores: armazenam e processam informações;

Nos sistemas de telecomunicações: trasmitem informações;

Nos sensores e transdutores: considerando as grandezas físicas diferentes formas de sinais elétricos;

Nas usinas hidrelétricas, termoelétricas e eólicas: na transmissão da energia gerada são necessários transformadores, retificadores e inversores (processamento da energia/informação) e as baterias (armazenamento da energia/informação).

sob as

Neste material será realizada uma pequena introdução a respeito deste ramo da Engenharia Elétrica. A partir do estudo de um pouco da teoria sobre os dispositivos mais utilizados nos circuitos eletrônicos, será evidenciado as características que os fazem ser de suma importância em tantas aplicações. Mas será que o conhecimento adquirido neste minicurso será suficiente para implementar alguma coisa útil? A resposta é SIM. Poderemos, ao final do curso, implementar alguns circuitos de lógica muito utilizados no sensoriamento dentro do controle de casas, de níveis de tanques, dentre outros. Implementaremos também circuitos retificadores, os quais são de suma importância para transmissão de energia, e construiremos circuitos com leds como sinalizadores (similar aos leds utilizados atualmente nos sinais de trânsito). Veremos tudo isso ao longo do curso. Então BOA SORTE e aproveitem!

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AULA 1

- EQUIPAMENTOS ALGUNS COMPONENTES ELETRÔNICOS Resistor O resistor é considerado o mais básico dos componentes. É muito comum o erro de chamá-lo de resistência, por exemplo, quando ouvimos alguém dizer “a resistência do chuveiro queimou” ou até “a resistência do ferro de passar está queimada”. Neste caso, a resistência é a sua característica elétrica, e o seu nome correto é resistor. A unidade utilizada pelo SI para medir resistência é o ohm, cujo símbolo é Ω.

Os resistores são constituídos por fios metálicos com baixa resistência que, ao se aplicar uma tensão sobre seus terminais, acabam por ser atravessados por uma corrente elétrica. Neste caso, verifica-se a ocorrência do efeito Joule, que consiste na transformação de energia elétrica em calor. É por este motivo que o resistor é bastante utilizado em aplicações em que se deseja realizar o aquecimento de algo (por exemplo: o aquecimento da água no chuveiro elétrico).

Em circuitos eletrônicos o resistor tem outras finalidades e assim, devem funcionar com a menor geração de calor possível. Mais abaixo, na figura 1.1, a foto de resistores com o seu respectivo símbolo.

Figura 1.1 – Resistores e seu símbolo

Existem resistores de diversos tipos e tamanhos. Dependendo da aplicação, utiliza-se resistores maiores ou não (em termos de potência). Da mesma forma, escolhese o valor da resistência de acordo com a necessidade da aplicação.

CÓDIGO DE CORES PARA RESISTORES O valor da resistência do resistor pode ser marcado diretamente no corpo do mesmo, quer por meio de uma geração direta do número correspondente ou quer pelo uso de códigos. O código de cores é a convenção utilizada para a identificação de resistores de uso geral.

No corpo do componente existem anéis coloridos inscritos e a cada cor dos anéis é associado um algarismo, conforme a tabela 1. Para realizarmos a leitura da resistência devemos seguir os seguintes passos:

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1. Identificar a cor do primeiro anel e o seu valor correspondente. Este algarismo será o primeiro dígito do valor da resistência; 2. Identificar a cor do segundo anel e o seu valor correspondente. Este algarismo será o segundo dígito do número; 3. Identificar a cor do terceiro anel e o algarismo correspondente. Este valor corresponde a potência de 10 que deverá ser multiplicada com o número obtido nos itens 1 e 2. Depois de efetuar a operação nós obtemos o valor da resistência.

4. Identificar a cor do quarto anel e verificar a porcentagem de tolerância do valor nominal da resistência do resistor.

Tabela 1 – Código de Cores.

Cores

1º Anel 1º Dígito

2º Anel 2º Dígito

3º Anel Multiplicador

4º Anel Tolerância

Prata

-

-

0,01

±10%

Ouro

-

-

0,1

±5%

Preto

0

0

1

1

Marrom

1

1

10

±1%

Vermelho

2

2

102

±2%

3

Laranja

3

3

10

-

Amarelo

4

4

104

-

5

Verde

5

5

10

-

Azul

6

6

106

-

7

7

-

8

-

9

Violeta Cinza

7 8

8

10 10

Branco

9

9

10

-

Incolor

-

-

-

±20%

O primeiro anel é sempre um dos que estiver mais próximo dos terminais e mais próximo dos demais. O quarto anel é a faixa mais isolada. Para facilitar o entendimento, a figura 1.2 esquematiza o código de cores em um resistor.

Figura 1.2 – Código de Cores

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Exemplo: Qual a resistência nominal de um resistor com os anéis de cores Marrom, Preto, Vermelho e Ouro, nesta ordem?

Resposta Através do uso do código de cores nós identificamos que: o primeiro dígito é o 1, o segundo é o 0, o fator de multiplicação é 2 e a tolerância é de 5%. Assim, a resistência deste resistor é: 1KΩ±5%.

LEI DE OHM Uma das Leis mostradas durante o curso de Eletricidade Básica do Ensino Médio é a LEI DE OHM. Através desta lei é possível obter uma relação direta entre a tensão aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor da sua resistência. Sendo assim, se aplicarmos diferentes tensões sobre uma mesma resistência, obteríamos a seguinte curva:

Deste modo, temos que: V R V = R ⋅i i=

Os resistores que obedecem a LEI de OHM são ditos resistores ôhmicos ou seja, possuem resistência constante.

Exemplo: Na figura 1.3 temos um resistor de 6Ω em série com uma bateria de 12V. É possível determinar a corrente que atravessa o resistor? Se possível, qual o valor da corrente?

Figura 1.3 – Relação entre corrente, tensão e resistência.

Resposta Através da LEI DE OHM é possível determinarmos o valor da corrente que atravessa o resistor. Muitas vezes os dispositivos eletrônicos não suportam correntes 6

elevadas e torna-se necessário um cálculo prévio para evitar danos ao equipamento. A resposta é obtida da seguinte forma: V 12V i= o = = 2A R 6Ω ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES É muito comum encontrar resistores conectados uns aos outros em circuitos eletrônicos. Existem duas diferentes formas de associações entre resistores e estas são do tipo série e paralela. Veja na figura 1.4 como estão conectados os resistores em ambos os casos:

Figura 1.4 – Associação de resistores.

Dependendo da associação entre os resistores, a resistência equivalente será obtida a partir das seguintes fórmulas: - Em paralelo: O inverso da resistência equivalente é dada pela soma dos inversos das resistências individuais: 1 1 1 1 1 = + + +L+ REQ R1 R2 R3 RN

- Em série: A resistência equivalente é dada pela soma das resistências individuais: R EQ = R1 + R2 + R3 + L + R N

A associação de resistores é de suma importância, pois, como os valores nominais de resistência são padronizados, esta é a maneira mais prática de se obter resistências maiores ou menores do que as encontradas no mercado.

POTÊNCIA Além da corrente e tensão já conhecidas, outra grandeza elétrica importante relacionada com os resistores é a Potência, sendo esta medida em watts, cujo símbolo é 7

W. Potência é a energia fornecida, recebida ou gasta por unidade de tempo. Como já foi mencionado, quando uma corrente elétrica atravessa um resistor, ocorre um aquecimento do mesmo, ou seja, existe uma dissipação de energia na forma de calor.

Em outras palavras, o resistor está consumindo energia elétrica.

Se existe uma tensão V sobre um resistor R pelo qual percorre uma corrente i, podemos obter as seguintes expressões para a Potência: (1) ⇒ P = V ⋅ i Sendo : V = R ⋅ i ( 2) ⇒ P = R ⋅ i 2 Sendo : i = V (3) ⇒ P = V

R 2

R

Exemplo: Considerando o mesmo circuito da figura 1.3, qual a potência dissipada pelo resistor de 6Ω?

Resposta Será dissipada uma potência de:

P = 122 / 6 = 144/6 = 24 watts

DIVISOR DE TENSÃO Considere o circuito representado na figura 1.5, constituído por uma cadeia de resistores ligados em série com uma fonte de tensão.

Figura 1.5 Divisores de tensão

A determinação da queda de tensão referente aos terminais de cada uma das resistências é dada pela expressão: com j=1,2, . . . k.

(1.1)

A corrente i que circula pelas resistências é dada por:

(1.2)

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Sendo assim, substituindo a equação (1.1) na equação (1.2), obtém-se a seguinte expressão:

(1.3) Veja que através desta expressão é possível determinar a tensão sobre os terminais de cada um dos resistores. Chamamos esta expressão por regra do divisor de tensão.

Por exemplo, em um circuito com apenas dois resistores em série com uma fonte de tensão, para calcular a tensão sobre o resistor R1 utiliza-se a expressão abaixo:

Já para calcular a tensão sobre o resistor R2 utiliza-se a expressão:

DIVISOR DE CORRENTE Considere o circuito representado na figura 1.6, formado por um conjunto de resistores ligados em paralelo com uma fonte de corrente.

Figura 1.6 Divisores de corrente.

Considerando G como sendo a condutância, ou seja, o inverso da resistência, pode-se afirmar que a corrente que trafega por cada resistor é dada Pela expressão abaixo: com j=1,2, . . . k.

(1.4)

Sabendo que v é a tensão sobre cada um dos resistores, temos que:

(1.5)

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Portanto, substituindo (1.4) em (1.5), obtém-se a expressão da corrente em cada um dos componentes. Veja:

(1.6) A expressão acima é conhecida como regra do divisor de corrente.

Como exemplo vamos estudar um circuito com apenas duas resistências e uma fonte de corrente ligados em paralelo. Observe que se desejarmos obter a corrente que passa pelo resistor R1 utiliza-se a expressão:

Ou, não mais considerando as condutâncias, mas sim, as próprias resistências, temos:

Desta forma, através das regras do divisor de tensão e do divisor de corrente, os cálculos de correntes e tensões em circuitos das mais diversas naturezas são bastante facilitados.

Sensor Um sensor é definido como um dispositivo tecnológico capaz de detectar, medir ou gravar fenômenos físicos, e de transmitir esta informação. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que transforma uma forma de energia em outra.

Um sensor elétrico pode ser apenas um transdutor, que transforma diretamente uma outra forma de energia em um sinal elétrico, ou então um transdutor mais uma parte que converta a energia resultante em sinla elétrico.

O uso de sensores é fundamental quando se deseja medir e processar uma informação (uma grandeza). Além de outras aplicações, estes dispositivos são vastamente aplicados na área de Controle e Automação, como por exemplo: na robótica; na automação residencial; entre outros.

SENSORES MODELADOS POR RESISTORES A modelagem de alguns sensores pode ser feita com o uso de resistores variáveis para quantificarmos a energia convertida em energia elétrica, ou para obtermos respostas em circuitos auxiliares. Esta modelagem dependerá da característica que os sensores possuem e de qual tipo de energia é convertida.

O circuito usado para analisar estes sensores é o circuito divisor de tensão pois, dependendo da intensidade da grandeza associada ao transdutor, a resistência nos 10

terminais do sensor (RS) torna-se baixa ou alta. Desta forma, de acordo com a regra do divisor de tensão, a tensão sobre o terminal do resistor R, ligado à fonte de tensão, será próxima ao valor nominal da fonte (V) ou inferior a este valor, respectivamente. A figura 1.7 mostra o circuito que modela estes sensores:

Figura 1.7 – Circuito utilizado para modelar sensores.

SENSOR DE TOQUE Este tipo de sensor muda suas características segundo a presença ou não de um material que permita a condução de corrente elétrica, no caso mais comum, nossos dedos. O circuito de um sensor de toque pode ser modelado pelo circuito dado anteriormente. Mas pensemos agora: como construir um sensor de toque?

Este sensor pode ser construído usando-se dois condutores separados, por exemplo, dois percevejos. Quando encostamos nosso dedo, fazendo com que ele fique em contato com os dois percevejos simultaneamente, nós fechamos o circuito, pois o dedo possui resistência finita.

Analisando o sensor como um resistor variável, pode-se concluir que: quando não tocamos o percevejo, o sensor é como um resistor de resistência infinita (circuito aberto); e quando colocamos o dedo, o sensor é modelado como um resistor com resistência de valor K. No estudo anterior sobre os resistores, já foi descrito o funcionamento do circuito divisor de tensão, agora, basta fazer a análise para os dois casos.

FOTOSENSOR O LDR (do inglês Light Dependent Resistor) é, como o nome já diz, um resistor que varia o valor de sua resistência de acordo com a luz incidente sobre ele. A relação intensidade luminosa e a corrente que passa por este resistor é caracterizada segundo o seguinte gráfico:

Figura 1.8 – Gráfico Corrente X Iluminação em um LDR.

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Pelo gráfico, nós podemos perceber que quando a intensidade luminosa aumenta sobre o LDR, a corrente sobre ele também aumenta. Isto indica, pela Lei de Ohm, que a resistência do LDR diminuiu.

Nós podemos perceber também que existe um valor limite mínimo para a resistência do LDR. Este é o ponto de saturação, ou seja, mesmo que a intensidade luminosa aumente, o valor da resistência do LDR terá esse valor.

Para verificar o funcionamento de um LDR, usa-se o circuito divisor de tensão mostrado no inicio da seção. Essa análise nos permite concluir que este sensor pode ser utilizado em várias aplicações reais. Uma destas aplicações é a da iluminação pública.

Usa-se fotosensores para saber se a luminosidade no ambiente ainda é o suficiente, caso contrário, um circuito acionador liga as lâmpadas dos postes, garantindo que a cidade não fique às escuras.

Capacitor Formado por duas placas paralelas e separadas por um material isolante, conhecido como dielétrico, o capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. A teoria que envolve o carregamento do capacitor é um pouco extensa, sendo mais detalhadamente tratada na disciplina Materiais Elétricos.

Neste minicurso, nos limitaremos a saber que quando é ligada uma fonte de tensão constante aos terminais do capacitor é verificada a passagem de uma pequena corrente pelo componente, de forma que esta circula até que o capacitor se carregue completamente. Em um circuito simples com uma bateria e um capacitor, o componente é carregado com o mesmo valor da fonte.

Se fizermos a análise da malha, verificaremos que ao atingir este valor de tensão “armazenada”, a corrente será nula. Neste momento, uma das placas fica com cargas negativas (elétrons) e a outra com cargas positivas (lacunas=falta de elétrons).

Mais abaixo, na figura 1.9, são mostrados alguns tipos de capacitores.

Figura 1.9 - Capacitores e seu símbolo

Dentre as principais diferenças entre os capacitores, podemos citar os valores das tensões elétricas suportadas, ou seja, se desejarmos impor uma tensão de 50 volts sobre um capacitor, este terá um maior tamanho do que o que estiver sendo submetido a uma tensão de 10 volts. Caso a tensão sobre o capacitor exceda o valor que o mesmo suporta,

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dizemos que o componente sofreu ruptura do dielétrico. Neste caso, o material isolante entre as placas passa a conduzir devido à alta polarização causada pela elevada tensão e então, em outras palavras, o capacitor explode!

Assim como com os resistores, muitas vezes as pessoas confundem os termos capacitor e capacitância. O valor de um capacitor é chamado de capacitância sendo esta medida em faraday cujo símbolo é F. Na prática, encontramos valores baixos de capacitância, pois um capacitor de 1F seria enorme. Sendo assim, é muito comum a utilização capacitâncias da ordem de milésimos ou milionésimos do faraday.

Dentre as várias aplicações dos capacitores nos circuitos eletrônicos, podemos destacar uma das principais, a filtragem. Sabe-se que o capacitor permite a passagem de corrente alternada. Assim, o capacitor ora se carrega positivamente ora negativamente.

Neste mesmo raciocínio, quanto maior a freqüência da corrente alternada, maior é a facilidade com que ela circula pelo capacitor, de forma que este barra as componentes de baixas freqüências de um sinal e permite a passagem das de freqüências altas, ou seja, funciona como um filtro.

Outra aplicação se baseia no fato de que estes componentes podem armazenar uma boa quantidade de cargas quando submetidos a uma tensão. Por exemplo, em um circuito ao retirarmos a fonte de alimentação o capacitor continuará fornecendo ao restante do circuito a tensão armazenada, apenas durante um pequeno intervalo de tempo. Desta forma, os capacitores podem funcionar como uma bateria temporária.

Em geral, quando são necessárias capacitâncias elevadas, são utilizados capacitores eletrolíticos de alumínio ou tântalo. Os capacitores eletrolíticos de alumínio são muito usados em fontes de alimentação, em circuitos de som, rádio e TV, e até em placas de computador. Entretanto, para as placas de computador é mais recomendável o uso dos capacitores de tântalo. Eles são mais caros, porém são mais duráveis e de menor tamanho.

Indutor O indutor é um componente elétrico constituído por um fio enrolado em várias voltas. O valor do indutor é conhecido como indutância e tem como unidade de medida o henry, cujo símbolo é H. Assim como os capacitores, na prática é mais comum encontrar indutâncias de valores baixos, sendo mais utilizados o milihenry (mH) e o microhenry (µH). Na figura 1.10 é mostrada uma foto de indutores com o seu respectivo símbolo.

Figura 1.10 – Indutores e seus símbolos.

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Ao contrário do capacitor, considerando uma corrente alternada atravessando o indutor, verificamos que quanto maior a freqüência, maior é a dificuldade da passagem da corrente. Sendo assim, o indutor é atravessado facilmente pela corrente contínua e correntes de baixa freqüência.

Por conta destas características do capacitor e do indutor, estes componentes são bastante utilizados na implementação de filtros, como por exemplo, os sintonizadores.

Quando giramos o botão sintonizador de estações de um rádio (DIAL) estamos na verdade atuando sobre um capacitor variável, associado a uma bobina, e assim, selecionando a freqüência desejada.

Bateria e fonte de alimentação Para que os circuitos elétricos e eletrônicos funcionem adequadamente, é necessária a utilização de um gerador de corrente elétrica. Estes geradores são baterias, pilhas ou fontes de alimentação. Estes possuem dois terminais, sendo um positivo (por onde “sai” a corrente) e o outro negativo (por onde “entra” a corrente). Mais abaixo, na figura 1.11, são mostradas fotos de baterias e seu respectivo símbolo.

Figura 1.11 - Baterias e o seu símbolo.

Se tomarmos como exemplo o circuito de uma lanterna, podemos verificar a existência de uma bateria que tem seus terminais ligados aos da lanterna. Desta forma, a corrente elétrica sai da bateria e segue através do fio até chegar na lâmpada, onde a energia elétrica é convertida em energia luminosa e em calor. Em seguida, a corrente segue o caminho até chegar ao terminal negativo da bateria. Neste caso dizemos que o circuito está fechado.

Podemos perceber então que a bateria é um dispositivo que “empurra” a corrente através dos fios que estão conectados aos seus terminais. Veja o esquema do circuito mencionado na figura 1.12.

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Figura 1.12 - Esquema elétrico de uma lanterna. A letra “i” é usada para designar a corrente elétrica.

Se não existisse corrente atravessando a lâmpada ela não acenderia, mesmo existindo uma tensão sobre os seus terminais. Neste caso, dizemos que o circuito está em aberto.

Outra possível situação, que é considerada anormal, é o chamado curto-circuito.

Neste caso existe apenas um fio interligando os terminais positivo e negativo da bateria.

Como não existe um circuito para ser alimentado, a corrente tem enorme facilidade de circular, podendo então atingir valores muito altos, gerando muito aquecimento. Em alguns casos os fios derretem ou até pegam fogo, e a bateria pode esquentar até ser danificada.

No intuito de proteger os equipamentos da ocorrência de curto-circuitos são comumente utilizados fusíveis.

Figura 1.13 - Circuito aberto e curto circuito.

Analisando os circuitos da figura acima, concluímos que: no caso do circuito aberto a corrente que circula é nula, mas a tensão entre os terminais é a mesma tensão da bateria; já no caso do curto-circuito, a corrente se torna muito alta, porém, a tensão entre os terminais da bateria é nula. É muito comum a utilização de pilhas em vários equipamentos como sons, controles remotos, brinquedos, entre outros. As voltagens de uma pilha (bateria) são especificadas. As pilhas, por exemplo, têm 1,5 volts. Também são bastante populares as baterias de 9 volts. Hoje em dia encontramos vários tipos de bateria com diversas voltagens, inclusive recarregáveis. É o caso das baterias de telefones celulares.

No caso da fonte de alimentação, podemos verificar a existência de um circuito que recebe a tensão da rede elétrica e realiza várias operações como redução, retificação, filtragem e regulação. Na saída deste circuito é obtida uma tensão contínua semelhante à fornecida por baterias. Na próxima aula mostraremos uma das formas de retificação existentes.

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- EQUIPAMENTOS ALGUNS INSTRUMENTOS: DE MEDIÇÃO E DE MONTAGEM Protoboard Protoboard é um termo vindo do inglês muito utilizado na nomeação de uma Matriz de Contatos, o que nada mais é do que uma placa com milhares de furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. Nestes furos são encaixados os componentes de forma que, torna-se possível montar o circuito desejado, pois as conexões internas do protoboard realiza a interligação elétrica dos componentes inseridos na placa.

Uma das principais vantagens do protoboard durante a montagem de circuitos eletrônicos é a facilidade de introdução de componentes, sem que haja a necessidade de soldagem.

O tamanho das placas variam de 1600 furos até 6000 furos, as conexões são verticais e horizontais. Na figura 1.14 segue o formato do protoboard que usaremos durante o mini-curso.

Figura 1.14 – Esquema das ligações internas de um protoboard.

Considerando as colunas enumeradas de 1 a 8, podemos afirmar que as seqüências de cinco furos verticais das colunas 1, 4, 5 e 8 formam grupos que representam um só nó. Da mesma forma, as colunas 2, 3, 6 e 7, formadas por seqüências de furos horizontais, também têm cada grupo de cinco furos como sendo um único nó. Na figura 1.15, alguns circuitos montados em protoboard.

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Figura 1.15 Exemplos de montagens de circuitos em um protoboard (à esquerda); Foto de um protoboard (à direita).

Multímetro digital A realização de medições de correntes, tensões ou resistências, é de suma importância em atividades realizadas em laboratório ou em atividades envolvendo hardware, quando se deseja medir a variação de alguma corrente, tensão ou resistência.

Geralmente, para possibilitar essas medições através de apenas um aparelho, recorre-se à utilização do multímetro digital.

O uso deste aparelho nos permite: checar tensões das fontes de alimentação e da rede elétrica; verificar se as correntes que circulam pelo circuito estudado estão de acordo com o esperado; realizar medição de resistências; entre outros.

O multímetro digital, mesmo com tantos recursos a oferecer, é de fácil acesso, de tal forma que é possível realizar a compra de um modelo simples com aproximadamente 25 reais. A partir de 100 reais já é possível obter um multímetro mais sofisticado. Mais abaixo, segue a foto de um multímetro digital bastante conhecido e que possivelmente nós utilizaremos durante alguma das montagens.

Figura 1.16 - Multímetro digital.

Duas pontas de prova são normalmente encontradas com o multímetro: uma de cor vermelha e outra de cor preta. A de cor vermelha deve ser ligada às entradas, ou seja, na parte positiva do ramo que possui a grandeza a ser medida. Logo, apesar de

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poder ser conectada em outras entradas, na maioria das medidas realizadas a ponta vermelha é conectada no ponto indicado por V-Ω-mA. Já a ponta de prova preta serve como “terra” e deve ser posta no local de referência desejado do circuito em estudo.

Sendo assim, a ponta preta é conectada no multímetro no ponto onde se encontra a especificação GND ou COM. MEDIÇÃO DE TENSÕES – VOLTÍMETRO É de suma importância a análise do circuito no qual se está medindo alguma grandeza, pois, é necessário ter noção do tipo de medida elétrica, bem como da sua ordem de grandeza. Por isto, existe no multímetro uma chave rotativa que é responsável pela seleção da medida elétrica a ser feita, bem como da sua ordem de grandeza aproximada (necessária para a obtenção de uma maior precisão).

Através da chave rotativa é possível selecionar durante a medição, dentre outras, as seguintes opções: Relativa às grandezas elétricas: V para voltagem: AC(corrente alternada); DC(corrente contínua). Ω para resistência; mA para corrente.

Relativa à ordem de grandeza: Para tensões: 200 mV; 2 V; 20 V; 200 V; 2000 V. Para ilustrar a importância da seleção de escala no multímetro, utilizaremos como exemplo a medição da tensão da bateria da placa de CPU. Espera-se medir valores em torno de 3 volts, logo não devemos usar a escala de 2V, pois tensões acima deste valor serão indicadas como 1,9999V. Sendo assim, o correto seria utilizar a escala de 20V para que tenhamos acesso ao valor mais aproximado do real.

Este raciocínio serve para qualquer caso em que o multímetro esteja sendo utilizado. Nos casos em que não se tem idéia do valor esperado da grandeza elétrica, devemos iniciar as medições utilizando a maior escala possível, assim não corremos o risco de medir tensões altas com uma escala baixa, o que poderia danificar o aparelho.

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Figura 1.17 - Medição de tensão.

Portanto, para medir tensão entre dois pontos, deve-se selecionar a escala apropriada e em seguida encostar as pontas de provas nos terminais nos quais a tensão será medida. Caso se deseje medir a tensão em relação ao terra, basta fixar a ponta de prova preta em algum nó que esteja conectado ao terra, usando a ponta de prova vermelha para medir a tensão no ponto desejado.

MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIAS – OHMÍMETRO Da mesma forma, a medição de resistência também possui escalas.

Analogamente aos casos anteriores, deve-se escolher uma escala que comporte o valor esperado na medição. Assim como com tensões, caso não se tenha idéia da escala a ser utilizada, o correto é escolher a maior escala.

Na medição de resistências a escolha de escalas é importante para se obter mais precisão nos valores fornecidos pelo multímetro. Podemos usar o multímetro como ohmímetro (medição de resistências) para verificar se um cabo está partido ou se um fusível está queimado. Se o fio ou fusível estão em boas condições a resistência medida é baixa, sendo este valor em geral inferior a 1 ohm. Já se o cabo estiver partido ou o fusível queimado, teremos um circuito em aberto e, consequentemente, a resistência medida será bem alta. É importante lembrar que estas verificações devem ser feitas com o circuito desligado. Vale salientar também que se medirmos a resistência de um resistor inserido em um circuito o valor medido será influenciado pelos outros componentes, mascarando assim o valor real do resistor em questão. Portanto, a forma correta de se medir resistências é com o resistor desacoplado do circuito, conforme indicado na figura 1.18.

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Figura 1.18 - Medindo o valor de um resistor.

OBS: No caso de medições de resistências acima de 10k ohms, é recomendável não tocar as mãos nas pontas de prova do multímetro, pois a resistência do corpo humano provocará erro na medida.

MEDIÇÃO DE CORRENTES – AMPERÍMETRO As medições de corrente são realizadas de uma forma um pouco diferente dos casos anteriormente mostrados. Como já se foi mencionado, para verificarmos tensões, devemos introduzir o voltímetro em paralelo com o ramo em questão, pois estando o voltímetro em paralelo com o ramo se terá acesso à tensão desejada. Já para se medir corrente, é necessário que a corrente a ser medida seja a mesma que passa pelo amperímetro e por isso o mesmo deve estar em série com o ramo por onde circula a corrente especificada.

Figura 1.19 - Os multímetros possuem entradas adicionais para medir altas tensões e altas correntes.

A figura 1.19 ilustra um multímetro que possui uma entrada para medir volts, ohms e Hertz (este mede também freqüência), uma outra entrada para medir miliampères e outra para correntes de até 10 ampères. Alguns multímetros podem ainda medir transistores para verificar se estão bons ou queimados. É sempre importante que se tome cuidado em relação à ponta de prova vermelha, pois pode ser necessário que esta seja conectada em outras entradas, dependendo da grandeza a ser medida. Em geral os multímetros possuem entradas adicionais para medir altas voltagens e altas correntes.

20

- MONTAGENS - ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES (Em paralelo e em série) 10.00k OHMS

2.000k OHMS R1 10k

R2 R3 10k 10k

R4 10k

R5 R6 10k 10k

9.983k OHMS

R2 3k

R1 1k

R3 6k A

- DIVISOR DE TENSÃO 9.000 V DC V

2.000 V DC V

R1 4k

R5 1k

A + V1 10V

5.000 V DC V

R2 1k

R4 4k

+ V3 10V

+ V2 10V

R6 9k

R3 4k

R4 1k

Is3 1A

R5 1k

R6 1Meg DC A 999.0uA

R3 1k

DC A 999.0mA

Is2 1A

DC A 500.0mA

R2 9k

DC A 500.0mA

R1 1k

DC A 100.00m

Is1 1A

DC A 900.0mA

- DIVISOR DE CORRENTE

21

AULA 2

- CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES A ESTRUTURA DA MARÉRIA Toda matéria é constituída por átomos, os quais possuem nêutrons, elétrons e prótons. Essas partículas possuem uma carga, ou seja, os elétrons possuem carga negativa, os prótons cargas positivas enquanto os nêutrons não possuem carga. A figura 2.1 mostra o modelo do átomo:

Figura 2.1 – Modelo Atômico.

A passagem desses elétrons por um corpo qualquer, como demonstrado na figura 2.2, é denominada de corrente elétrica.

Figura 2.2 – Corrente Elétrica.

OBS: Diante das grandezas elétricas, é preciso saber diferenciar de forma clara corrente de tensão. Muitos pensam que, por exemplo, um choque de altas tensões é mortal, porém, ele não seria se não existisse a corrente elétrica. A corrente é como se fosse a medida da quantidade de elétrons passando. Grotescamente, nós poderíamos afirmar que tensão é a pressão que esses elétrons fazem. Você leva choques de altas tensões toda vez que tira o casaco de lã num dia frio, porém a corrente existente nesse caso é fraquíssima. É muito comum a utilização dos termos: condutor e não condutor. Embora consideremos em geral os casos ideais, não existem elementos que conduzem e elementos que isolam perfeitamente. Sendo assim, todo corpo possui uma resistência intrínseca. Não existe separação muito definida entre elementos que conduzem e isolam.

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Já alguns outros materiais, nem são bons condutores e nem são bons isolantes sendo então denominados de semicondutores. Estes sim, podem tanto conduzir quanto isolar, dependendo do jeito que são tratados. Na tabela abaixo seguem as resistividades de alguns materiais: Tabela 2. Resistividade dos materiais.

SUBSTÂNCIA Prata Cobre Ouro Alumínio Germânio Silício Vidro Âmbar Mica

RESISTIVIDADE (Ohms/cm) 0,000016 0,000017 0,000023 0,000028 47 214000 1000000000000 50000000000000000 90000000000000000

SEMICONDUTORES Os átomos possuem camadas externas pelas quais os elétrons circulam.

Denominadas KLMNOPQ, cada uma possui um número máximo de elétrons permitidos.

Separando a "eletrosfera" de um átomo em camadas, podemos chamar a camada mais externa de camada de Valência. Esta camada é que determina as características físicas de um elemento.

Separando as camadas do silício temos: K=2, L=8, M=4.

Figura 2.3 – Camadas do silício.

Assim, a camada de valência do silício possui 4 elétrons bem como a do germânio, que também é considerado semicondutor. Como essa camada suporta até 8 elétrons, o silício faz 4 ligações e é isso que determina suas características de resistência e de cristalinidade.

Essas ligações ente os elétrons são chamadas de ligações covalentes. A -273 °C, ou a 0 grau absoluto, o silício seria um isolante de eletricidade, porém, quando em temperatura ambiente (25 °C), algumas ligações se desfazem deixando a ligação livre.

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Esse elétron que se soltou deixa então um espaço vazio com carga positiva, chamado de LACUNA. Essa lacuna pode se deslocar tanto quanto o elétron sobre o material. Veja:

Figura 2.4 – Movimento de elétrons e lacunas.

IMPUREZAS Para que o nosso dispositivo semicondutor seja útil precisamos que ele não seja puro. Desta forma, precisamos tratá-lo conforme nossa necessidade. Tal técnica de adicionar impurezas se chama Doping.

Se adicionarmos impurezas com um elétron a mais na camada de valência (fósforo, antimônio, arsênico) teremos uma substância com elétrons extras. Porém se adicionarmos ao silício elementos com um elétron a menos na camada de valência (alumínio, boro) temos uma substância com lacunas extras.

Figura 2.4 – Dopagem tipo N (à esquerda) e tipo P (à direita).

Impurezas com elétrons extras são chamadas de doadoras, ou TIPO N, e com lacunas são aceitadoras, ou TIPO P. Essas notações serão necessárias para entender o funcionamento de transistores e diodos.

- DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Diodo Dentre os componentes semicondutores mais conhecidos podemos citar o diodo.

Em geral, o diodo é feito do mesmo material que os transistores e chips, a partir do silício (também podendo ser encontrado a partir do germânio). Existe um processo em que são adicionadas impurezas ao silício no intuito de se formar trechos do tipo N (elétrons em excesso) e do tipo P (lacunas em excesso). O intuito deste mini-curso é clarear a idéia de que: quando é formada uma junção PN a corrente trafega com 24

facilidade do trecho P para o trecho N, mas não consegue no sentido contrário. A figura 2.5 mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Figura 2.5. Estrutura básica de um diodo semicondutor.

Quando uma tensão é aplicada entre as regiões P e N, a diferença de potencial é verificada na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido à concentração de portadores).

Apesar da resistência mencionada, a corrente ainda consegue passar através desta região. Durante esta condução, se o campo elétrico na região de transição for muito intenso, os portadores de carga que estão trafegando por esta região sofrerão uma aceleração, chegando a obter grandes velocidades. O aumento da velocidade dos portadores causam choques com os átomos da estrutura semicondutora, produzindo novos portadores que também serão acelerados, produzindo então um efeito de avalanche. Este fato explica o aumento na corrente, sem redução significativa na tensão na junção.

Já quando se polariza reversamente um diodo (se aplica uma tensão negativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N)), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da região de transição aumenta, elevando a barreira de potencial e, conseqüentemente, a resistência torna-se alta suficiente para bloquear a passagem de corrente.

No caso da polarização direta, é possível verificar o estreitamento da região de transição, que acaba causando a redução da barreira de potencial e da resistência neste trecho. Desta forma, quando a tensão aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N serão atraídos pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando o componente à condução. Diz-se então, que quando em condução, existe uma queda de tensão de aproximadamente 0,7V no diodo.

Portanto, o diodo possui dois terminais ligados às partes da junção PN. Denomina-se o terminal referente à parte P como sendo o anodo e o referente à parte P como sendo o catodo. Portanto, dizemos que a corrente trafega no sentido do anodo para o catodo, mas não no sentido catodo-anodo. Veja:

25

Figura 2.6 Condução de corrente no diodo.

Mais abaixo, temos a figura ilustrativa dos diodos junto ao seu símbolo.

Figura 2.7 - Diodos e seu símbolo.

No diodo utilizado em laboratório, podemos verificar uma barra pintada em uma das extremidades. O terminal conectado a esta extremidade é o catodo. Por conseqüência o outro terminal é o anodo. Veja:

Figura 2.8 -Diodo utilizado na montagem.

Por conta da característica de conduzir a corrente num sentido e bloquear no sentido inverso, o diodo é largamente utilizado em várias aplicações. Dentre elas, em circuitos retificadores. Eles atuam no processo de transformação de corrente alternada em corrente contínua, como será mostrado na parte experimental.

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LED O LED (Light Emitting Diode) é um tipo especial de diodo que tem a capacidade de emitir luz quando é atravessado por uma corrente elétrica. Este dispositivo tem o mesmo comportamento do diodo simples, permitindo a passagem de corrente no sentido direto anodo-catodo (neste caso o LED acende) e bloqueando a passagem de corrente no sentido inverso catodo-anodo (neste caso o LED não acende).

Mais abaixo, segue a foto dos LEDs junto com o seu símbolo.

Figura 2.9 - LEDs e seu símbolo.

Existem LEDs que emitem luz vermelha, verde, amarela e azul. Existem LEDs que emitem luz infravermelha, muito usados em sistemas de alarmes. Existem ainda os que emitem luz vermelha ou verde, dependendo do sentido da corrente. Estes são na verdade dois LEDs, um vermelho e um verde, ambos montados sobre a mesma base, e ligados em paralelo, um no sentido direto e outro no inverso. Este tipo de LED é usado, por exemplo, em gravadores de CD-ROM. Quando estão lendo, emitem luz verde ou amarela, e quando estão gravando, emitem luz vermelha.

Neste laboratório, utilizaremos LEDs como o modelo mostrado a seguir. Como podemos observar, o terminal de maior tamanho é o anodo e o de menor tamanho catodo. Veja na figura abaixo:

Figura 2.10 – Esquema elétrico do LED usado no experimento.

Em geral, quando conectamos um LED em um determinado circuito é necessário associar um resistor em série, com o intuito de limitar a corrente para que o LED não queime. Mostraremos esta ligação mais adiante na parte experimental.

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Sensores Infravermelho Depois de estudarmos os diodos e os LEDs, vamos agora saber um pouco mais sobre os semicondutores. Assim como os LEDs, os sensores infravermelho têm funcionamento semelhante ao de um diodo. Um sensor infravermelho é composto por um emissor e um receptor. O seguinte circuito pode ser montado para a análise desses sensores:

Figura 2.11 – Circuito utilizado para fazer a análise dos sensores infravermelho.

O emissor é o responsável por enviar os raios infravermelhos, que serão captados pelo receptor, para que o circuito funcione como desejamos. O receptor é um diodo que entra em estado de condução quando é polarizado diretamente e recebe uma quantidade de raios infravermelhos suficiente.

Pelo circuito podemos ver que, utilizando o modelo do diodo ideal, se as condições de condução do receptor forem satisfeitas, a tensão sobre os terminais do resistor será igual ao da fonte. Caso contrátio, não passará corrente no circuito e por conseqüência a tensão sobre o resistor será nula. Logo podemos concluir que esse circuito pode ser usado para obtermos informações.

Como exemplo de aplicação desse circuito, utilizaremos um sistema de segurança. Se os raios infravermelhos forem bloqueados, no caminho entre o emissor e o receptor, haverá uma queda de tensão no resistor, e portanto, essa queda pode ser usada para acionar um circuito de alarme utilizado na segurança de lojas.

Transistores Após o estudo sobre o diodo, que é o principal dispositivo semicondutor de dois terminas, iniciaremos agora o estudo sobre os dispositivos semicondutores de três terminais. Estes dispositivos são muito mais usados do que os de dois terminais devido a sua vasta aplicação, que parte desde a amplificação de sinais até o projeto de circuitos digitais e de memória.

O principal dispositivo semicondutor de três terminais é o transistor. Inventado em 1947 nos Laboratórios da Bell Telephone, este dispositivo é um substituto das válvulas eletrônicas com grandes vantagens: tamanho minúsculo, menor custo e pequeno consumo de energia.

O termo transistor vem de transfer resistor (resistor de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. Em circuitos analógicos, o processo de transferência de resistência significa que a impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da polarização pré-estabelecida. A partir desta característica, nós podemos definir o seu princípio básico de operação: uso de uma tensão entre dois terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal.

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Desse modo, um transistor pode ser utilizado como uma fonte controlada, a qual é a base para o projeto de amplificadores. No caso extremo, a tensão de controle pode ser usada para fazer com que a corrente no terceiro terminal varie de zero até um valor significativo, fazendo com que este dispositvo implemente uma chave analógica, que é o elemento básico dos circuitos digitais.

Por estas aplicações nós podemos concluir que o transistor é o mais importante componente eletrônico já criado, tendo tornado possível a revolução dos computadores e equipamentos eletrônicos.

Figura 2.12 – Transistores e seus símbolos.

Existem dois tipos principais de dispositivos de três terminais: o transistor bipolar de junção (TBJ), geralmente chamado apenas de “transistor”; e o transistor de efeito de campo (FET). Os dois tipos são igualmente importantes, tendo cada um vantagens e aplicações distintas. Neste material, nos dedicaremos ao estudo dos dois tipos.

Na figura 2.12 temos a foto de transistores e a simbologia dos transistores TBJ npn e pnp.

TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO O transistor bipolar de junção consiste em duas junções pn construídas de um modo especial e conectadas em série e em oposição. A condução de corrente se dá por elétrons e lacunas, daí o termo bipolar.

O TBJ possui três regiões semicondutoras: o emissor (E), a base (B) e o coletor (C); e duas junções pn, denominadas: junção emissor-base (JEB) e junção coletor-base (JCB). Dependendo da condição de polarização destas junções, são obtidos três modos de operação, como especificado na tabela abaixo.

Tabela 3 – Modos de Operação do TBJ.

Modo

JEB

JCB

Corte

Reversa

Reversa

Ativo

Direta

Reversa

Saturação

Direta

Direta

29

Para o TBJ ser utilizado como amplificador é preciso que ele opere no modo ativo. Já para utilizá-lo como chave, é preciso que ele opere nos modos corte e saturação.

No transistor npn a base é do tipo p e as outras regiões são do tipo n. De formar análoga, no transistor pnp a base é do tipo n e as outras regiões do tipo p. A estrutura simplificada dos transistores npn e pnp são mostradas nas figuras 2.13 e 2.14, respectivamente.

Figura 2.13 – Estrutura simplificada do transistor npn.

Figura 2.14 – Estrutura simplificada do transistor pnp.

TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO Embora o conceito básico do FET tenha sido conhecido desde 1930, antes mesmo da inveção do TBJ, o dispositivo apenas se tornou uma realidade prática na década de 60.

O nome de transistor de efeito de campo origina-se de seu princípio físico de operação, pois o mecanismo de controle é baseado no estabelecimento de um campo elétrico pela tensão aplicada no terminal de controle. Outra característica interessante é que o FET é unipolar, ou seja, a condução de corrente acontece apenas por um tipo de portador (elétrons ou lacunas), de acordo com o tipo de FET (canal n ou canal p).

Basicamente, existem dois tipos: o transistor de efeito de campo de junção (JFET – Junction Field Effect Transistor) e o transistor de efeito de campo de porta isolada (MOSFET – Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Os transistores de efeito de campo operam em três regiões: de corte; de triodo; e de saturação. A região de saturação é usada se o FET for operar como amplificador.

Para operar como chave, são usadas as regiões de corte e de triodo.

As regiões de operação são determinadas pelas tensões porta-fonte e drenofonte.

30

JFET O transistor JFET consiste em uma fina camada de mateiral tipo n ou tipo p, dependendo do canal, com dois contatos ôhmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores, denominados portas (G).

A condução de corrente em um JFET se dá pela passagem de portadores de carga da fonte (S-Source) para o dreno (D-drain), através do canal entre os elementos da porta (G-Gate).

A polarização de um JEFT cana n é feita da seguinte forma: uma tensão positiva é aplicada entre os terminais do dreno e da fonte, estabelecendo uma corrente; e um tensão negativa é aplicada entre os terminais da porta e da fonte.

O aumento da tensão porta-fonte cria uma camada de depleção em volta das regiões p, estreitando o canal condutor. Se tentarmos aplicar uma tensão porta-fonte positiva a junção porta-canal torna-se diretamente polarizada e a porta deixa de controlar o canal.

A análise de um transistor JFET canal p é feita de forma análoga.

Figura 2.15 – Transistor JFET canal n e símbolo.

MOSFET Há dois tipos de MOSFET: tipo enriquecimento (ou acumulação); e tipo depleção. O MOSFET tipo enriquecimento é o tipo de transistor mais usado. Sua estrutura básica simplificada é mostrada na figura abaixo.

Figura 2.16 – MOSFET canal n tipo enriquecimento.

A operação deste transistor consiste na aplicação de uma tensão positiva portafonte, que faz com que as lacunas livres sejam repelidas da região do substrato sob a porta e que elétrons das regiões n da fonte e do dreno sejam atraídos para esta mesma região. Quando for acumulado um número suficiente de elétrons uma região n é criada, conectando as regiões da fonte e do dreno.

A partir deste ponto, se uma tensão for aplicada entre os terminais do dreno e da fonte, um corrente circulará por essa região induzida (canal). A tensão necessária para formar um canal de condução é denominada tensão de limiar.

A análise para o MOSFET canal p tipo enriquecimento é análoga.

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A diferença básica entre os MOSFETs tipo acumulação e depleção está no canal, pois no modo depleção o canal já está fisicamente implementado, e a tensão porta-fonte apenas controla a largura do mesmo.

Entre o MOSFET e o JFET a diferença é a porta isolada eletricamente do canal.

E é por este fato que a corrente da porta do MOSFET é extremamente pequena, independendo da tensão na porta (positiva ou negativa).

- MONTAGENS – - REGIÕES DE FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR(CHAVE ANALÓGICA) V1 5V +V R2 1k

V1 5V +V

-4.588pA DC A

229.5nA DC A

R2 1k

Q1 NPN

+ V2 0.3V

Q1 NPN DC A 23.18uA

DC A 16.01pA

+ V2 0.7V

R1 1k

R1 1k

V1 5V +V 11.97uA DC A

R2 1k

Q1 NPN

+ V2 2V

41.07uA DC A A

Q1 NPN

DC A 1.209mA

+ V2 5V DC A 4.148mA

A

1

R1 1k

R1 1k

V1 5V +V R2 1k

4.189mA DC A A

Q1 NPN

+ V2 10V DC A 4.980mA

R2 1k

V1 5V +V

R1 1k

32

- MONTAGENS – AULA PRÁTICA E SIMULAÇÕES

- RETIFICADOR DE MEIA ONDA SEM CAPACITOR V1 -1/1V

D1 DIODE B

A

1kHz R1 1k

Xa: 5.000m Yc: 1.200

A B

Xb: 0.000 Yd:-1.200

a-b: 5.000m freq: 200.0 c-d: 2.400

b 1.2

a

c

800m 400m 0 -400m -800m -1.2 0

833u

1.67m Ref=Ground

2.5m X=833u/Div Y=voltage

3.33m

4.17m

5m

d

- RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CAPACITOR V1 -1/1V

D1 DIODE B

A

1kHz C1 1uF

R1 1k

Xa: 5.000m Yc: 1.200

A B

Xb: 0.000 Yd:-1.200

a-b: 5.000m freq: 200.0 c-d: 2.400

b 1.2

a

c

800m 400m 0 -400m -800m -1.2 0

833u

1.67m Ref=Ground

2.5m X=833u/Div Y=voltage

3.33m

4.17m

5m

d

33

- RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA SEM CAPACITOR V1 -1/1V

D1 DIODE C

A R1 1k

1kHz

V2 -1/1V

D2 DIODE B

1kHz

Xa: 5.000m Yc: 1.200

A B C

Xb: 0.000 Yd:-1.200

a-b: 5.000m freq: 200.0 c-d: 2.400

b 1.2

a

c

800m 400m 0 -400m -800m -1.2 0

833u

1.67m Ref=Ground

2.5m X=833u/Div Y=voltage

3.33m

4.17m

5m

d

- RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM CAPACITOR V1 -1/1V

D1 DIODE C

A R1 1k

1kHz

V2 -1/1V

D2 DIODE B

1kHz

Xa: 5.000m Yc: 1.200

A B C

Xb: 0.000 Yd:-1.200

C1 1uF

a-b: 5.000m freq: 200.0 c-d: 2.400

b 1.2

a

c

800m 400m 0 -400m -800m -1.2 0

833u

1.67m Ref=Ground

2.5m X=833u/Div Y=voltage

3.33m

4.17m

5m

d

34

AULA 3

- INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS LÓGICOS Operadores Lógicos É possível desenvolver a eletrônica digital a partir da elaboração e da implementação de circuitos capazes de executar operações lógicas, também conhecidas como operações booleanas (por conta da álgebra de Boole). Neste mini-curso serão verificadas três principais operações que são o “E (AND)”, o “Ou (OR)” e o “Não (NOT)”. Partindo desses três operadores é possível realizar a construção de circuitos mais complexos como:

Somadores e Subtratores; Multiplicadores e divisores; Células de memória; Registradores, multiplexadores, decodificadores; Entre outros.

A utilização dos circuitos mencionados acima de forma conjunta, em forma de chips, possibilita a construção de circuitos ainda mais complexos e sofisticados como por exemplo:

Processadores; Memórias; Chips gráficos; Chipsets; Microcontroladores; Entre outros.

Como dito anteriormente, é possível fazer uma analogia de um operador lógico com um operador aritmético. Assim como temos na aritmética operações como 5 + 2 = 7 (adição), temos na lógica operações como 1 AND 1 = 1, 1 OR 0 = 1 e NOT 1 = 0. As operações lógicas podem ser descritas através de um tabela especifica, a qual denominamos de tabela da verdade.

OPERADOR NOT O operador NOT, também conhecido como inversor, é um operador de apenas uma entrada e produz em sua saída o bit inverso do recebido como entrada. Ou seja, ao receber um bit 0 o inversor produz um bit 1 em sua saída e, de forma análoga, ao receber um bit 1, produzirá um bit 0. A tabela da verdade segue abaixo.

A 0 1

NOT A 1 0

35

OPERADOR AND O operador AND possui duas entradas e uma saída. Será produzida na saída o bit 1 no caso em que as duas entradas são 1 simultaneamente, ou seja, em qualquer caso em que uma das entradas for 0, será produzida uma saída com bit 0. Na seqüência, a tabela da verdade do operador AND. A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

A AND B 0 0 0 1

OPERADOR OR No caso do operador OR, também são encontradas duas entradas e uma saída, porém, este operador produz uma saída 1 quando pelo menos uma das entradas possuir o valor 1. Ou seja, a saída do operador OR será 0 apenas quando ambas as entradas forem 0. Mais abaixo, segue a tabela da verdade do operador OR. A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

A OR B 0 1 1 1

Em geral, através dos transistores descritos neste material, os operadores lógicos NAND, NOR e NOT são mais fáceis de implementar. O NOT é o mesmo descrito mais acima, já o NAND e o NOR nada mais são do que os operadores AND e OR negados, ou seja NOT AND e NOT OR, respectivamente. As tabelas da verdade mostradas abaixo descrevem estes operadores.

A

A

B

A NAND B

A

B

A NOR B

0

NOT A 1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

36

Circuitos Lógicos Como mencionado anteriormente, iremos nos deter no estudo dos circuitos básicos, os quais são a base para implementação de circuitos mais complexos. Desta forma, mostraremos os circuitos referentes às operações NAND, NOR e NOT. Vale lembrar que, considerando o funcionamento do MOSFET como chave analógica, é importante saber que os NMOS irão conduzir do dreno D para a fonte S se possuir 1 lógico no gate G. Ao contrário, o PMOS conduzirá se o gate G estiver com o 0 lógico.

NOT

Figura 3.1 – Circuito Elétrico (MOS): Porta Lógica NOT.

A porta NOT possui apenas uma entrada. Ou seja, se considerarmos E(V)=0V(0 lógico), o PMOS(transistor de cima) irá conduzir e o NMOS (transistor de baixo) bloqueará, fazendo S(V)=5V(1 lógico). No caso contrário, sendo E(V)=5V(1 lógico), o NMOS irá conduzir e o PMOS bloqueará, fazendo S(V)=0V(0 lógico).

NAND

Figura 3.2 – Circuito Elétrico (MOS): Porta Lógica NAND.

Neste circuito, no caso, por exemplo, de E1=E2=0, os transistores de cima irão conduzir e os de baixo irão bloquear, levando o 1 lógico para a saída S. Já se E1=0 e E2=1, percebe-se que um dos transistores de cima irá conduzir o que é suficiente para fazer S=1. O mesmo raciocínio é usado para os outros casos.

37

NOR

Figura 3.3 – Circuito Elétrico (MOS): Porta Lógica NOR.

Agora, considerando a porta lógica NOR, se tomarmos como exemplo um caso com entradas A=B=0, percebe-se que os transistores de cima irão conduzir e os de baixo irão bloquear, levando o 1 lógico para a saída S. Já se A=0 e B=1, percebe-se que um dos transistores de baixo irá conduzir o que é suficiente para fazer S=0. O mesmo raciocínio é usado para os outros casos.

- MONTAGENS – - INVERSOR V1 5V +V

Q2 PNP

V2 0/5V A

B

1MHz Q1 NPN

Circuito referente à operação NOT

38

Entrada V2(A)

Saída(B)

- PORTA NAND V1 5V +V

Q4 PNP

V2 0/5V

Q3 PNP C

A 1MHz V3 0/5V

Q2 NPN B

1MHz Q1 NPN

Circuito referente à operação NAND

Entrada V2(A)

39

Entrada V3(B)

Saída (C)

- PORTA NOR V1 5V +V

Q4 PNP

V2 0/5V A

Q3 PNP

1MHz V3 0/5V C

B 1MHz Q2 NPN

Q1 NPN

Circuito referente à operação NOR

40

Entrada V2(A)

Entrada V3(B)

SaĂ­da (C)

41

AULA 4

- SIMULAÇÃO DIGIAL Motivação A simulação digital na Engenharia Elétrica é de suma importância, pois ela nos permite verificar a validade do circuito que projetamos sem que corramos o risco de danificarmos os componentes e aparelhos utilizados.

Os circuitos estudados podem ser simulados para a verificação e fixação dos conceitos abordados, bem como para conhecermos mais uma ferramenta no estudo dos circuitos eletrônicos.

Circuit Maker Student version O CircuitMaker é o simulador que utilizaremos no mini-curso, com ele poderemos fazer a simulação de todos os circuitos apresentados aqui. A seguir estão alguns passos que você deve realizar para a familiarização com esse ótimo simulador.

INSERINDO COMPONENTES Para inserir componentes na área de trabalho do CircuitMaker basta dar um clique com o botão esquerdo do mouse em Devices. Neste momento, aparecerão quatro opções, clique com o botão direito do mouse em Browse, assim como está mostrado na seguinte figura:

Figura 4.1 – Abrindo a lista de componentes.

A janela Device Selection vai aparecer, figura 4.2. Nela você encontrará uma lista de componentes que podem ser simulados neste software. Para acrescentar um componente na área de trabalho basta escolhermos, em Major Device Class, a classe, em Minor Device Class, a sub-classe e, em Device Symbol, o símbolo do componente em questão.

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Figura 4.2 – Janela Device Selection.

Como exemplo, vamos adicionar o transistor TBJ na área de trabalho. Em Major Device Class escolha Transistors, em Minor Devices Class escolha BJTs e em Device Symbol escolha NPN Trans:C. Agora, clique com o botão esquerdo do mouse em place e coloque onde desejar, na área de trabalho, o componente.

Figura 4.3 – Escolhendo o transistor TBJ NPN.

LIGANDO OS COMPONENTES Siga os passos a seguir para inserir alguns componentes, deixando-os nas posições indicadas na figura 4.4.

Device -> Browse -> Transistors -> BJTs -> NPN Trans:C -> Place.

Device -> Browse -> Sources -> Linear -> +V -> Place.

Device -> Browse -> Sources -> Linear -> Battery -> Place.

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Device -> Browse -> Sources -> Linear -> +V -> Ground.

Device -> Browse -> Resistors -> Resistors ->Resistor -> Place.

Device -> Browse -> Instruments -> Analog ->Multimeter -> Current -> Place

Figura 4.4 - disposição dos components na área de trabalho do CircuitMaker

Perceba que no circuito há dois resistores e dois multímetros. Para duplicar e girar o componente basta clicar com o botão direito do mouse que essas opções aparecerão. Para fazer a ligação entre os componentes é preciso clicar sobre a cruz que está na parte superior esquerda da tela.

Figura 4.5 - Selecionando o Wire Tool.

Em seguida, clique com o botão esquerdo do mouse no terminal do componente quando aparecer uma caixinha e permaneça com ele pressionado. Arraste o cursor do mouse até o outro terminal que deve ser conectado, e então, solte o botão.

Repita o procedimento até que todos os componentes estejam conectados, e o circuito esteja completamente montado.

SIMULAÇÃO Você deve fazer as ligações conforme mostrado na figura 4.6.

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Figura 4.6 – Montagem do circuito para a simulação.

Para simular o circuito clique no botão Run/Stop no centro superior da tela, figura 4.7, e então, uma janela será aberta. Nesta você poderá verificar graficamente a tensão ou a corrente nos terminais de cada componente.

Figura 4.7 – Botão Run/Stop.

Agora você já está pronto para simular alguns circuitos! A partir dos primeiros passos ensinados nesta apostila, com a curiosidade e com a experiência adquirida com o tempo, você poderá simular circuitos maiores e mais complexos.

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- REFERÊNCIAS http://www.ufrgs.br/eng04030/Aulas/teoria/cap_04/diviteco.htm http://w3.ualg.pt/~sjesus/aulas/ac/node23.html http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/hard-052/hard-052.htm http://www.wikipedia.org http://www.inf.pucrs.br/~marcon/LaboratorioDeOrganizacaoDeComputado res/MaterialDeAula/cod_cores_res.htm http://www.areaseg.com/sinais/resistores.html ELETRÔNICA, Roberto Angelo Bertoli – Departamento de EletroEletrônica – Colégio Técnico Campina – UNICAMP. Setembro de 2000.

MICROELETRÔNICA 5º EDIÇÃO, ADEL S. SEDRA, KENNETH C. SMITH.

ESTA APOSTILA FOI DESENVOLVIDA POR ALUNOS DO PET-ELÉTRICA UFCG: AUTOR: FELIPE VIGOLVINO LOPES CO-AUTORA: ELÍBIA TERESA MOREIRA COLAÇO 2ª EDIÇÃO REVISÃO ELÍBIA TERESA MOREIRA COLAÇO ROBERTO DA SILVA MACENA 46