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  1. 1. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 1 1. FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 1.1 Natureza do átomo O átomo é constituído por um núcleo e por electrões que giram à sua volta; no núcleo encontram-se protões e neutrões enquanto na electrosfera encontram-se os electrões. O número de protões do núcleo é igual ao número de electrões que giram à sua volta e a carga eléctrica de cada protão é igual em módulo à carga do electrão, portanto o átomo como um todo, é electricamente neutro. Sabe-se que o número de electrões varia de material para material, o que faz com que haja uma variação no número de electrões na última camada (camada de valência). Para que um átomo se torne estável é necessário que a sua camada de valência tenha oito electrões, adquirindo desde modo a estrutura de um gás nobre. Isto é possível através de doação e recepção de electrões ou ainda partilhamento de electrões entre dois elementos, (covalência). Figura 1.1: Estrutura do átomo A carga do núcleo é positiva e a do electrão é negativa. Os electrões mais afastados do núcleo são os que mais facilmente serão arrancados das suas órbitas.
  2. 2. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 2 1.2 Níveis atómicos de energia 1.2.1 Bandas de energia Em qualquer corpo, os electrões que giram à volta do núcleo encontram-se em níveis de energia bem definidos, energia esta que é a responsável por manter os electrões a circular nas orbitas. Para que um electrão passe de um nível de energia para outro mais afastado do núcleo, é necessário fornecer-lhe energia. Quanto mais afastado do núcleo se encontrar o electrão, mais facilmente será libertado da sua orbita, por isso melhor será a condução eléctrica do material em questão. A energia necessária para arrancar (libertar) um electrão de um nível de energia para outro nível mais afastado do núcleo, depende do tipo de material. Figura1.2: As figuras (1.3) abaixo representam a estrutura esquemática das bandas de energia de um isolador, semicondutor e de um condutor. Banda de Valencia: é o nível de energia em que os electrões podem, através do fornecimento de energia ao átomo, saltar para um nível mais afastado e assim o núcleo oferece menor acção sobre os electrões. Banda de Condução: nesta os electrões se encontram “ livres ” da acção do núcleo, podendo facilmente serem arrancados da sua orbita. Banda Proibida: representa a energia necessária a aplicar ao átomo para que o electrão passe da banda de valência para a banda de condução.
  3. 3. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 3 Figura 1.3: Estrutura de banda de energias para (a) um isolante, (b) um semicondutor e (c) um condutor.
  4. 4. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 4 1.4 MATERIAIS SEMICONDUTTORES INTRINSECOS Quase toda a natureza que nos rodeia é constituída por substâncias semicondutoras. Os óxidos, sulfuretos e teluretos de muitos metais têm propriedades semicondutoras. No sistema periódico de Mendeleev os semicondutores formam o grupo de elementos, que pertencem aos 4, 5, 6 grupos, entre eles são: C, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, etc. Existem vários tipos de materiais semicondutores. Os mais comuns e mais utilizados na ciência e técnica são o silício (Si) e o germânio (Ge). Nos últimos anos o Arsênio representa o grande interesse como um semicondutor universal para optoelectrónica. Estes dois elementos caracterizam-se por serem tetravalentes, por isso possuem quatro electrões na camada de valência. Si => 1ª Órbita – 2e Ge => 1ª Órbita – 2e 2ª Órbita – 8e 2ª Órbita – 8e 3ª Órbita – 4e 3ª Órbita – 18e 4 ª Órbita – 4e Figura 1.4: Distribuição electrónica dos elementos semicondutores ( Si e Ge ) Por serem tetravalentes, cada um de seus átomos pode realizar quatro ligações covalentes com outros quatros átomos. As ligações covalentes no Ge e Si podem romper-se facilmente sob a acção da temperatura inclusive à temperatura ambiente. Neste caso formam-se electrões livres capazes de transportar carga eléctrica sob a acção do campo eléctrico exterior. O processo de formação do electrão livre é denominado geração dos electrões. A vaga na ligação covalente que surge neste processo chama-se lacuna. Por fim, o cristal fica neutro, pois a cada electrão livre corresponde uma lacuna com carga positiva. O electrão livre pode ocupar a vaga na ligação covalente e transita para o estado ligado. O processo de transição de electrão livre para uma lacuna (electrão ligado) é denominado recombinação.
  5. 5. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 5 Figura 1.5: Representação plana dos semicondutores Existem também materiais semicondutores como semicondutores III-V que são formados a partir de ligação entre um elemento trivalente (três electrões na camada de valência) e um pentavalente (com cinco electrões na camada de valência). Os mais comuns são o Arseneto de Gálio (GaAs) e o Fosfeto de Índio (InP). Esses materiais (Si, Ge, GaAs e InP) são chamados de semicondutores intrínsecos ou puros pois encontram-se em seu estado natural. SEMICONDUTORES EXTRINSECOS Se ao silício ou ao germânio intrínseco (puro) adicionarmos uma pequena quantidade (percentagem) de átomos trivalentes, com três electrões na banda de valência, ou átomos pentavalentes, com cinco electrões na banda de valência, teremos um semicondutor dopado, impuro, também chamado extrínseco. Estes átomos introduzidos são chamados impurezas. As impurezas pentavalentes são designadas por dadoras e as trivalentes são designadas aceitadoras.
  6. 6. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 6 SEMICONDUTOR TIPO N E P Semicondutor tipo N Quando num cristal de silício é acrescentado uma quantidade de átomo de um material pentavalente (com cinco electrões na camada de valência) como, por exemplo, o Arsénio (As), o antimónio (Sb) e o fosforo (P) estes elementos estranhos, também chamados de impurezas, assumem a mesma estrutura do cristal de silício fazendo, cada impureza, quatro ligações covalentes com seus átomos vizinhos mais próximos. Figura 1.6: Cristal de silício com impurezas pentavalentes Obs.: Por serem pentavalentes, um dos electrões da camada de valência de cada átomo fica sem participar das ligações, tornando-se electrão livre. Por isso, as impurezas pentavalentes são chamadas de impurezas do tipo N. Desta forma o número de electrão livres é maior que o número de lacunas (gerados pelo calor a temperatura ambiente), ou seja, neste semicondutor os electrões livres são portadores maioritários e as lacunas são portadores minoritários.
  7. 7. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 7 Figura 1.7:Dopagem de silício com arsénio criando um semicondutor tipo N Como os electrões livres são cargas eléctricas negativas este semicondutor é chamado tipo N. Semicondutor tipo P Se as impurezas acrescentadas são de átomos de material trivalente (com três electrões na camada de valência) como, por exemplo, o alumínio (Al), o boro (B) e o gálio (Ga), as ligações covalentes formarão lacunas.
  8. 8. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 8 Figura 1.8: cristal de silício com impurezas trivalentes Portanto as impurezas trivalentes são chamadas de impurezas tipo P. Deste modo o número de lacunas é maior que o número de electrões livres ( gerados pelo calor a temperatura ambiente), ou seja neste semicondutor as lacunas são portadores maioritários e os electrões livres são portadores minoritários. Figura1.9: semicondutor tipo P No entanto os cristais semicondutores N ou P, por conterem impurezas, são também denominados semicondutores extrínsecos.
  9. 9. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 9 Figura1.10: Representação dos níveis de energia em semicondutores extrínsecos do (a) Tipo-n e (b) Tipo-p. Onde Ed é o nível de energia doador, Ea é o nível de energia aceitador, Ev é o mais alto nível de energia ocupado na banda de valência e Ec é o mais baixo nível de energia desocupado. Forma cristalina materiais semicondutores Figura 1.11: Representação plana de uma rede cristalina de materiais tetravalentes Figura 1.12: Representação tridimensional de uma rede cristalina de materiais tetravalentes
  10. 10. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 10 Influência da temperatura nos semicondutores Nos condutores, um aumento na temperatura, ocasiona um aumento da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica. Já nos semicondutores, acontece o contrário, um aumento da temperatura ocasiona uma redução da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica, devido a maior repulsão causada na união dos mesmos.
  11. 11. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 11 Condutividade eléctrica do semicondutor Num semicondutor puro (intrínseco), o número de electrões livres é igual ao número de buracos. A agitação térmica tende a produzir novos pares electrões livres/lacunas, enquanto que outros pares desaparecem como resultado de recombinação. Para cada par eléctron/lacuna criado, duas “partículas” portadoras de carga são formadas: uma, negativa, de mobilidade mn; a outra, positiva, de mobilidade mp. Estas partículas movem-se em direcções opostas sob campo eléctrico aplicado, mas como elas tem sinais opostos, a corrente de cada uma está na mesma direcção da outra. Assim, a condutividade eléctrica pode ser expressa por : σ = (nnμn+ nnμp)×e (1.1) Condutibilidade intriseca dos semicondutores Examinemos um semicondutor puro, sem defeito, com a superficie perfeita. A T=0K a condutibilidade deste semicondutor será nula, pois não há portadores de carga livres. A zona de condução está livre e a zona de valência está totalmente ocupada. À temperatura T>0K os electrões da zona de valência podem transitar para a zona de condução, formando lacunas na zona de valência. Portanto a concentração dos electrões livres na zona de condução n0 no semicondutor intrínseco é igual à concentração das lacunas p0 (n0 =p0). Simultaneamente o processo de geração dos portadores livres é acompanhado pelo processo de recombinação, pois uma parte dos electrões da zona de condução volta para a zona de valência, ocupando as lacunas. À temperatura ambiente a concentração dos portadores livres no estado de equilíbrio termodinâmico é: n0 = p0≈ 10 13 cm-3 no Ge intrínseco, n0 = p0≈ 10 10 cm-3 no Si intriseco. Se se aplicar o campo electrico E neste surge uma corrente eléctrica formada pelos electrões livres na zona de condução e pelas lacunas livres na zona de valencia. A densidade da corrente electrica é igual a J= jn+jp= σE= enovn + epovp = (en0μn+ en0μp)×E= (σ n+ σ p)× E (1.2)
  12. 12. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 12 Sendo E- o modulo do campo electrico, vn e vp – a mobiliade média dos electrões e das lacunas, e- a carga elementar, μn= vn / E e μp= vp / E – a mobilidade dos electrões ( lacunas), que determina a verlocidade dos electrões (por lacunas). A mobilidade dos electrões e a condutibilidade electrica por electrões pode ser dada através dos parâmetros microscópicos do electrão: massa efectiva m* n e sua carga μn= eτn / m* n , σ n = no e2 τn / m* n, (1.3) Sendo τn- tempo de percurso livre do electrão. Por analogia podemos introduzir as grandezas respectivas para as lacunas: μp= eτp / m* p , σ p = no e2 τp / m* p. É de notar que m* p ≠ m* n, vn ≠ vp e portanto σ n ≠ σ p. Condutibilidade extrinsica dos semicondutores Para um semicondutor intrínseco, nn = np = ni, onde ni é a concentração de portadores intrínsecos. Nos semicondutores extrínseco aceitador os electrões passam facilmente da zona de valencia para os níveis da impureza aceitadora Ea e simultaneamente na zona de valência geram-se lacunas livres. O numero das lacunas livres que se formam na zona de valência é muito maior que o numero de electrões transitados para a zona de condução, portanto na zona de valencia a concentração das lacunas é muito maior que a concentração dos electrões na zona de condução. Portanto as lacunas são as portadoras de carga maioritárias e os electrões são os portadores de carga minoritários. Devido a isso a condutibilidade eléctrica do semicondutor extrínseco aceitador (tipo p) é por lacunas. Deste modo para a condutibilidade eléctrica do semicondutor extrínseco obtemos: σ = e nnμn para o semicondutor do tipo n σ = e nnμp para o semicondutor do tipo p No germânio à temperatura ambiente existe cerca de um par electrão/lacuna para cada 2.109 átomos de Ge. Com o aumento da temperatura, a densidade de pares electrão/lacuna aumenta segundo a equação: n 2 i = Ao× e-E G /kT ×T3 (1.2)
  13. 13. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 13 na qual, A0 é uma constante de proporcionalidade. As constantes EG, ni, n, p e outras importantes na caracterização do germânio e silício, estão mostradas na Tabela 1. A condutividade do silício aumenta aproximadamente 8% a cada grau de aumento na temperatura. Devido à esta grande variação da condutividade com a temperatura, impõe-se um limite no uso de semicondutores em alguns circuitos sujeitos a altas temperaturas. Por outro lado, para algumas aplicações esta propriedade é utilizada para medição de temperatura. Um dispositivo semicondutor utilizado desta maneira é denominado termistor. O germânio e o silício não são utilizados como termistores por causa da sensibilidade de suas propriedades com as impurezas. Os termistores comerciais utilizam misturas sinterizadas de óxidos de metais de transição, tais como, NiO, Mn2O3 e Co2O3.
  14. 14. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 14 TABELA 1 Propriedades do germânio e silício. Propriedade Ge Si Número atômico Z 32 14 Peso atômico 72,6 28,1 Massa específica (g/cm3) 5,32 2,33 Constante dielétrica relativa, r 16 12 Átomos/cm3 4,4.1022 5,0.1022 EG0 a 0 K (eV) 0,785 1,21 EG a 300 K (eV) 0,72 1,1 Concentração de portadores intrínsecos, ni (cm-3) 2,5.1013 1,5.1010 Resistividade intrínseca a 300 K (ohm.cm) 45 2,3.105 Mobilidade elétrons, n (cm2/V-s) 3.800 1.300 Mobilidade lacunas, p (cm2/V-s) 1.800 500 Difusividade elétrons, Dn = nVT (cm2/s) 99 34 Difusividade lacunas, Dp = pVT (cm2/s) 47 13 Efeito Hall Os fenómenos cinéticos que se efectuam nos sólidos sob a acção simultânea do campo electrico e magnético são denominados fenómenos galvanométricos. Examinemos um dos fenómenos galvanométricos, conhecidos como efeito de Hall, que foi descoberto em 1879 por E.H.Hall. O efeito Hall consiste na influência que exerce um campo magnético aplicado perpendicularmente ao fluxo de carga num dispositivo semicondutor. Ele é utilizado para determinar se um semicondutor é do tipo N ou P e, também, para encontrar a concentração de portadores. A Fig. 1.12 apresenta o esquema de medição do efeito Hall em uma amostra semicondutora.
  15. 15. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 15 Fig. 1.12 Efeito Hall em um espécime semicondutor (Baranauskas, 1989). Injetando-se uma corrente i, as lacunas e os elétrons livres estarão sujeitos a uma força de Lorentz, , perpendicular ao plano da velocidade e da indução magnética B. O acúmulo de carga nas arestas do espécime induz um campo elétrico EY transversal à direção do fluxo de cargas. O coeficiente Hall RH é definido como o parâmetro que relaciona o campo elétrico, a corrente e a indução magnética: (1.3) na qual A = L é a área de seção transversal do espécime semicondutor. A tensão gerada entre arestas pelo campo elétrico EY pode ser expresso por: (1.4) no qual L é o comprimento do espécime e a sua espessura. O sinal de VH indica o tipo de condutividade predominante no material semicondutor. De acordo com a convenção da Fig. 9, VH é positiva para semicondutor tipo P e negativo para material tipo N. O coeficiente Hall é proporcional à soma algébrica das impurezas doadoras e aceitadoras e, portanto, pode ser
  16. 16. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 16 correlacionado com a resistividade, para determinação de ND e NA. A razão entre o coeficiente Hall e a resistividade é definida como mobilidade Hall H: (1.5) A mobilidade Hall não pode ser confundida com a mobilidade de deriva dos portadores. Entretanto, para os casos em que a resistividade é causada por espalhamento de fônons no semicondutor, as seguintes relações podem ser aplicadas: (a) Para um semicondutor tipo N: (1.6) (b) Para um semicondutor tipo P: (1.7) Normalmente, na medição de VH podem ocorrer desvios devido à não-homogeneidade do campo magnético, distribuição irregular da corrente, desalinhamento da amostra e dos terminais, etc. Para minimizar estes desvios, além do problema da tensão de contacto eléctrico entre o terminal de tensão e a amostra semicondutora, utiliza-se todas as permutações possíveis do sentido da indução magnética e da corrente, fazendo: (a) B na direção +z e corrente na direção +x: H 1 V (medido) V (b) B na direção -z e corrente na direção +x: H 2 V (medido) V (c) B na direção +z e corrente na direção -x: H 3 V (medido) V (d) B na direção -z e corrente na direção -x: H 4 V (medido) V A tensão Hall é calculada tomando-se a média aritmética com os sinais corrigidos de V1, V2, V3 e V4: (1.8) Além da caracterização de materiais semicondutores, a principal aplicação do efeito Hall é na medição de campo magnético.
  17. 17. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 17 2 DIODO DE JUNÇÃO PN 2.1 DIODO 2.1.1 JUNÇÃO PN O díodo semicondutor é constituído basicamente por uma junção P e N, ou seja pela união física de um material tipo P ( cujos portadores maioritários são as lacunas) e com um tipo N ( cujos portadores maioritários são electrões). Figura 2.1: junção PN Efectuando-se esta união, o excesso de electrões do material tipo N tende a migrar para o material tipo P, visando tanto o equilíbrio electrónico, equilíbrio das densidades de electrões nos dois materiais como a estabilidade térmica. Ao fenómeno da ocupação de uma lacuna por um electrão é chamado de recombinação. Figura 2.2: Recombinação de electrões
  18. 18. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 18 Como o processo de recombinação ocorre inicialmente na região próxima à junção, um fenómeno interessante acontece: a formação de uma camada de depleção. Depleção- significa diminuição ou ausência. A superfície fronteira entre os semicondutores do tipo n e do tipo p posto em contacto entre si é denominada junção pn. Figura 2.3: Representação da camada de depleção Assim, a partir de um certo momento, este fluxo de electrões cessa e esta região ionizada ( camada de depleção) fica com ausência de electrões e lacunas, que são os responsáveis pela corrente eléctrica. Cria-se uma diferença de potencial na junção da barreira de potencial pois a camada de depleção fica ionizada cujo símbolo é Vɣ.
  19. 19. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 19 Figura 2.4: Barreira de Potencial Cada lado do díodo semicondutor recebe um nome: O lado P chama-se ânodo (A) e o lado N chama-se cátodo (K).
  20. 20. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 20 Figura 2.5: Representação simbólica do díodo Figura 2.6: Representação simbólica do díodo
  21. 21. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 21 Obs.: Os electrões movem-se para preencher lacunas e estas movem-se para capturar electrões, processo a que se chama difusão. O movimento dos elstrões e das lacunas através da junção esvazia o material n de lectrões e o material p de lacunas. Forma-se uma camada estreita “região de depleção” cujas dimensões são inferiores à milionésima parte do metro, como mostram as figuras. A carga positiva que se forma no material tipo N e a carga negativa formada no material p origina aquilo a que se chama uma barreira de potêncial que extingue qualquer difusão que possa ainda ocorrer na junção. A barreira de potêncial é aumentada ou diminuída de acordo com a polaridade de uma d.d.p. Polarização da junção PN Aplicando-se uma tensão nos terminais do díodo, a camada de depleção se modifica, alternando também as características de barreira de potencial. Polarização Directa Figura 2.5: Polarização directa Polarização Reversa A polarização reversa ocorre quando o potencial negativo da fonte encontra-se ligado ao lado P e o potencial positivo ao lado N.
  22. 22. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 22 Figura2.6: Polarização reversa Curva Característica do díodo semicondutor CIRCUITOS RECTIFICADORES COM DIODOS
  23. 23. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 23 Rectificador de meia onda Rectificador de onda completa com transformador Rectificador de onda completa, ponte de doídos
  24. 24. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 24 DIODO ZENER O díodo zener é um díodo que se comporta como um díodo rectificador normal quando se encontra polarizado directamente, mas tem a propriedade de conduzir no sentido inverso quando a tensão aplicada chega a um certo valor que se denomina tensão de zener Vz. Figura: Curva característica do díodo zener Izm: Corrente zener mínima
  25. 25. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 25 IZM : corrente zener máxima Na região o díodo zener dissipa uma potência Pz pode ser calculada por : Pz = Vz*Iz Izm ou Izk : é a corrente zener mínima Obs: Caso não seja dado o valor de Izk considera-se Izm como sendo 10% de IZM ou seja: Izm = 0,1* IZM PZM = Vz* IZM em que PZM é a potência zener mínima RZ = ∆Vz / ∆Iz é a resistência zener Modelo ideal
  26. 26. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 26 Modelo Real DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÃO RECTA DE CARGA LIMITES DE VE E RS
  27. 27. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 27
  28. 28. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 28 1 O diódo zener que dissipa uma Pmáx = 0.2 W, regula a 5 V desde uma IZmín = 5 mA. Se pretende construir um regulador de 5 V que regule desde IL = 0 até o valor máximo de IL. Supondo uma vi = 20 V. Determinar o valor da Resistência, sua potência e a ILmáx. a) De acordo com os resultados obtidos e que a RL é constante e de valor 150 Ω, achar o valor máximo e mínimo da tensão de entrada para que o circuito regule bem. Pregunta 2. Um diodo zener que dissipa uma Pmáx = 0.2 W, regula a 5 V desde uma IZmín = 5 mA. Se pretende construir un regulador de 5 V que regule desde IL = 0 até o valor máximo de IL. Supondo uma vi = 20 V. Determinar o valor da Resistencia, sua potencia e a ILmáx. Resolução: Primeramente calcularemos os pontos limites de ruptura do diodo zener:
  29. 29. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 29 Se a RL está em vazio, para que a R vai ao máximo valor da intensidade para o zener (IZmáx = 40 mA). Para calcular o valor máximo da intensidade pela carga, vemos que para o zener a ILmín = 5 mA e como tinhamos dito que o valor máximo para R são 40 mA, então para a carga o máximo valor que irá será: ILmáx = 35 mA. Agora calcularemos os valores da resistência (R), a tensão na resistencia (VR) e a potência pela resistência (PR). a) Supondo que se mantem a R a) e que a RL é cte e de valor 150 , achar o valor máximo e mínimo da tensão de entrada para que o circuito regula bem. Resolução: IL= 5/150 = 33,3 mA Para calcular os valores máximo e mínimo da tensão de entrada tenho que estar nos pontos límites do circuito. Vimáx= 375* (40+33,3)/10³+5= 32,48 volt Vimín= 375 (5+33.3)/10³+5= 19,36 volt
  30. 30. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 30 Com o que temos um rizado na entrada entre esses dois valores. 2. O circuito estabilizador da figura, os valores nominais são: Se deseja que a carga seja alimentada a uma tensão de 5 V, com variações de corrente de 10 mA á 20 mA, se a nominal é de 20 mA. Se a ve tem um rizado de + 12 % e -11 % com respeito ao valor nominal de 10V. Calcular o tanto porcento da variação de IS entre 10 mA e 20 mA. Calcular a máxima potencia disipada pelo diodo zener. 3. Quais são as configurações e as Zonas de trabalho do transístor. 4. Determine que ocurre ao circuito na situacão de Vbb= 0 volt.
  31. 31. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 31 Respostas Aplicamos a 2ª aproximacão e substituimos pelo modelo dessa 2ª aproximacão. b) Se desea que la carga esté alimentada a una tensión de 5 V, con variaciones de corriente de 10 mA a 20 mA, si bien la nominal es de 20 mA. Si la ve tiene un rizado de + 12 % y -11 % con respecto al valor nominal de 10V, calcular el tanto por cien de la variación de IS entre 10 mA y 20 mA. Calcular la máxima potencia disipada por el diodo zener. Solución:  Perigo de que o zener se quede sem a corrente
  32. 32. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 32 A variacão deste valor com respecto ao ideal é de:  Perigo de que o zener se queime (Há uma margen de segurança) A variacão respeito ao ideal: E zener sofre mais no caso 2 e sua potencia será a máxima neste caso. PZ = 5,2 50 = 260 mW Não se queimará com esta potencia porque o máximo valor é PZmáx = 400 mW
  33. 33. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 33 3 TRANSISTOR Um transístor é um elemento amplificador capaz de fornecer uma corrente proporcional à aplicada na sua entrada. Existem dois tipos diferentes de transístores bipolares, cujos nomes são determinados pela estrutura interna dos mesmos. Estes dois tipos de transístores são os npn e os pnp. Tanto uns como outros são formados por três cristais. A estes três cristais são ligados três terminais que têm os nomes de emissor, base e colector. Figura: Transistor bipolar Existem três configurações ou montagens diferentes para cada transístor, denominadas base comum (BC), emissor comum (EC) e colector comum (CC).
  34. 34. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 34 3.1 TENSÕES E CORRENTES NO TRANSISTOR Figura: VALORES DA GRANDEZAS DO TRANSISTOR PARA DIFERENTE ESTADOS Grandeza Ic Ib Vce VBE Estado Corte 0 0 Ec < 0,7V Activa hfeIB ---- Ec >Vce > 0,2V >= 0,7V Saturação <= hfeIB ---- 0,2 V >= 0,7V Configurações Básicas Os transístores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.
  35. 35. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 35 Configuração BC  Ganho de tensão elevado  Ganho de corrente menor que 1  Ganho de potência intermediário  Impedância de entrada baixa  Impedância de saída alta  Não ocorre inversão de fase -Configuração CC  Ganho de tensão menor que 1  Ganho de corrente elevado;  Ganho de potência intermediário  Impedância de entrada alta  Impedância de saída baixa  Não ocorre a inversão de fase. Configuração EC  Ganho de tensão elevado  Ganho de corrente elevado  Ganho de potência elevado
  36. 36. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 36  Impedância de entrada baixa  Impedância de saída alta  Ocorre a inversão de fase. Exercícios 1 Dado o circuito determine a curva característica. 2-Considere o circuito dado abaixo, calcule Uceq e Icq. 3- Calcula ICQ, IB, IE do circuito de polarização por divisor de tensão. 4- Calcular as correntes IB e IC e as tensões VCE, supondo que VBE = 0,5 V,β =100. 5- Calcular a recta de carga correspondente ao circuito da figura a seguir. Ec = 30V, Rc = 2,2kΩ, β =80. 6-Dado o transístor com β = 200 e uma fonte de alimentação de 12 V determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente: VCEQ= Vcc/2; ICQ = 15 mA e VBEQ = 0,7 V. 7- Calcule o valor de RB de modo que UCE seja a metade de UCC. Dados: Ucc= 12 V, Rc= 1,5 kΩ, RE =270 KΩ, βCC =40 ( circuito com auto polarização).
  37. 37. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 37 4 AMPLIFICADOR OPERACIONAL É um amplificador de acoplamento directo, de alto ganho e destinado a ser utilizado a ser utilizado com um circuito de realimentação. Por realizar um grande número de operações sobre sinais dá-se o nome de operacional. Apresenta baixo consumo de potência e baixo preço. Está constituído por três módulos principais: amplificador diferencial de entrada seguido de um amplificador de alto ganho e finalmente um amplificador de saída. Figura: amplificador operacional CARACTERISTICAS DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Tem duas entradas Ad: ganho em malha aberta Ad= Vo/ Vd é muito elevado ( na ordem de 10 ^5) ou mesmo superior. Zc é muito elevada na ordem de centenas ou dezenas de MΩ.
  38. 38. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 38 Zo é baixa na ordem das unidades ou dezenas de Ω. CARACTERISTICAS DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Zi Zo Ad ∞ 0 ∞ MONTAGEM NÃO INVERSOR I = V2 / R1 = Vo / (R1 + R2) AV = Vo/V2 = 1 + R2/R1 Ri =  MONTAGEM INVERSORA I = V1/R1 = -Vo/R2 AV = Vo/V1 = -R2/R1 Vo  < VCC Ri´ = V1/I = R1 (baixa) OUTRAS MONTAGENS (SOMADOR)
  39. 39. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 39 I = V1/R1 + V2/R2 +.....+Vn/Rn (superposição) Vo = -IR´ = -R´(V1/R1 + V2/R2 + ..... + Vn/Rn) Vo = -R´/R1(V1 + V2 + ..... + Vn) Se R1 = R2 = ... = Rn INTEGRADOR É um circuito que executa a operação de integração, que é semelhante à de soma, uma vez que constitui uma soma da área sob a forma de onda ou curva em um período de tempo. I = - IC = VS/R1 IC = C(dVo/dt) Vo = [-1/(R1C)] ∫VS dt Vo / Vs = - 1/(sC R1) Figura Integrador 1-Considere um amplificador inversor. Calcule o ganho de tensão para cada um dos conjuntos de R abaixos: + -R1 C VoVs Ic
  40. 40. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 40 a) R1 = 1K Ω , Rf = 1,2 K Ω b) R1 = 1K Ω , Rf = 4,7 K Ω c) R1= 2,4K Ω , Rf = 4,7 K Ω d) R1= 2,7K Ω , Rf = 8,2 K Ω e) R1= 1,2K Ω , Rf = 2,3 K Ω 2-Para cada um dos conjuntos de resistores do item anterior, calcule o ganho de tensão para um amplificador não-inversor. 3- Considere um amplificador inversor com um sinal de entrada de 12 mV. Calcule o valor da tensão de saída para cada um dos conjuntos de resistores de item 1. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL OU SUBTRADOR Este circuito permite que se obtenha na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais aplicados multiplicada por um ganho. Por superposição: Vo=-(R2/R1)V2 + [R4/(R3 + R4)]V1(1 + R2/R1) Vo = -R2/R1{V2 - [1/(1 + R3/R4)](1 + R2/R1)} Vo = -R2/R1(V2 - V1) se R1/R2 = R3/R4 + -R1 R2 RLR4 R3 V2 Vo V1
  41. 41. Electrónica Industrial Analógica e Digital, 2ºAno de Electromecânica 2º Ano de Electromecânica Página 41 DIFERENCIADOR O circuito diferenciador também é usado na implementação de filtros RC – activos.

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