INTRODUO AUTOMAO

Electrnica Industrial

Electrnica Industrial

2Corrente elctrica

2Lei de Ohm

5Lei de Ohm Generalizada

8Lei de Kirchoff

14Teorema de Thevenin e Norton

14Teorema de Thevenin

17Teorema de Norton

18Lei de Joule

20Resposta transitria de circuitos elctricos

20Circuito RC Srie

22Circuito RL Srie

25Componentes Electrnicos Bsicos

25Dodo

26Dodo Zener

27Transistor Bipolar

30Electrnica de Potncia

30Transistores FET

33Tiristor

36Amplificadores Operacionais

36Caractersticas AmpOp

38O AMPOP Ideal

39Montagens No Realimentadas

39Montagens Realimentadas

Corrente elctrica

Lei de OhmEstas unidade e smbolos para grandezas elctricas sero muito importantes para sabermos como as relacionar nos circuitos. A primeira, e talvez a mais importante, relao entre corrente, tenso, e resistncia a Lei de Ohm, descoberta por Georg Simon Ohm e publicada em 1827 no seu escrito, The Galvanic Circuit Investigated Mathematically. A principal descoberta de Ohm foi que a quantidade de corrente elctrica atravs de um metal condutor num circuito directamente proporcional tenso aplicada a este, para qualquer temperatura. Ohm expressou esta descoberta na forma de uma simples equao, descrevendo como a tenso, a corrente, e a resistncia se interrealacionam:

Nesta expresso algbrica, a tenso (E) igual corrente (I) multiplicada pela resistncia (R). Usanto algebra bsica, podemos manipular esta equao e obter duas variaes, resolvendo para I e para R, respectivamente:

Vejamos como estas equaes nos podem ajudar para analisar circuitos simples utilizando para isso a Figura 4:

No circuito da figura ao lado, h apenas uma fonte de tenso (a bateria, esquerda) e apenas uma fonte de resistncia para a corrente (a lmpada, direita). Isto torna muito fcil aplicar a Lei de Ohm. Se soubermos os valores de quaisquer duas das trs grandezas (tenso, corrente, e resistncia) neste circuito, podemos usar a Lei de Ohm para determinar a terceira.

Neste primeiro exemplo ( direita), vamos calcular a corrente (I) no circuito, dados os valores da tenso (E) e resistncia (R):

Qual a corrente (I) neste circuito?

Neste segundo exemplo ( direita), vamos calcular a resistncia (R) no circuito, dados os valores de tenso (E) e corrente (I):

Qual a resistncia (R) oferecida pela lmpada?

Neste ltimo exemplo ( direita), vamos calcular a tenso fornecida pela bateria, dados os valores da corrente (I) e resistncia (R):

Qual a tenso fornecida pela bateria?

A Lei de Ohm muito simples e til para analisar circuitos elctricos. Ela usada tantas vezes que o melhor memoriz-la. Para aqueles que no se sentem confortveis com algebra, existe uma maneira prtica para se lembrarem como resolv-la para qualquer grandeza, dadas as outras duas. Primeiro, organize as letras E (ou V), I, e R num tringulo como este o da esquerda: Para o ajudar a desenhar poder sempre usar a mnemnica: O que ri! (ou seja O E que RI!)

Se conhecer o E e o I, e desejar determinar R, basta eliminar o R da figura e ver o que fica:

Se achar que lhe d mais jeito, use a mo ou o dedo para tapar conforme indicado.

Se conhecer E e R, e desejar determinar I, basta eliminar o I e ver o que fica:

Por ltimo, se conhecer I e R, e desejar determinar E, basta eliminar o E e ver o que fica conforme:

Eventualmente, ter de se familiarizar com algebra para estudar melhor a electricidade e a electrnica, mas esta ajuda pode tornar um pouco mais fcil a memorizao. Se se sentir confortvel com a algebra, bastar saber que E=IR ou V=IR e resolver as outras duas formulas a partir da primeira sempre que precisar.Lei de Ohm Generalizada

At aqui s foram vistos circuitos simples apenas com um gerador, um receptor e as medidas das grandezas que esto presentes neste tipo de circuitos. No entanto, no quotidiano da electrnica, raras so as vezes em esta situao acontece, sendo que normalmente existe mais do que um receptor e nalgumas situaes mais do que um gerador. Precisamos ento de generalizar os conceitos, ou seja generalizar a Lei de Ohm. O que se entende ento por Lei de Ohm Generalizada ?

uma igualdade que relaciona a ddp entre dois pontos de um circuito eltrico com as f.e.m.s (foras electromotrizes) e as quedas de potencial hmicas num trecho de um circuito de corrente contnua.

Ficamos assim com a expresso da Lei de Ohm Generalizada:

Dado que existem vrios receptores e/ou geradores, o sentido de contagem para a Lei de Ohm Generalizada ser estabelecido atravs do clculo de VA - VB e este sentido do ponto A para o ponto B do circuito denominado de sentido de contagem.

Assim, a conveno de sinais das parcelas dos somatrios existentes na Lei de Ohm Generalizada so estabelecidos em funo do sentido de contagem.

Sinal de E

Sinal de i

Exemplo de aplicao da Lei de Ohm Generalizada

Consideremos o trecho de circuito de corrente contnua mostrado na figura.

Vamos calcular VA - VB sendo portanto o sentido de contagem o de A para B.Aplicando a Lei de Ohm Generalizada e utilizando a conveno de sinais teremos:

Conforme se pode ver pela figura pontos onde existem mais do que duas ramificaes do circuito. A estes pontos, e mesmo naqueles onde s existam duas ramificaes d-se o nome de n de um circuito eltrico. Ou seja, so os pontos comuns a trs ou mais condutores.Considere o circuito apresentado abaixo. Podem ser identificados quatro ns A, B, C e D

Ao observarmos este circuito podemos depreender que existem vrios caminhos pelos quais se poder fazer a referida contagem, a estes d-se o nome de malha de um circuito eltrico. Entende-se ento por malha de um circuito eltrico como todo o trajecto fechado de um circuito.No circuito atrs descrito podem ser identificadas sete malhas

Para calcularmos as correntes e tenses presentes neste circuito temos de recorrer Lei dos Ns e a Lei das Malhas, ou seja s Leis de Kirchoff.

Lei de Kirchoff

Ento o que diz a Lei dos Ns ? "A soma das intensidades de corrente que chegam a um n igual soma das intensidades que saem desse n". Numa pequena analogia, se tiverem 5 tubos, onde entra gua por 3, ento nos restantes 2 a soma das correntes que por a passa ser igual soma das que entram.

Ficamos assim com as relaes para os ns do circuito resolvidas. E no caso das malhas aplicamos a Lei de Ohm Generalizada a cada uma, partindo de um ponto e voltando a ele:

Concluso: como se utiliza as Leis de Kirchhoff para calcular as intensidades de corrente num circuito de corrente contnua ?

Seguindo as seguintes Instrues podemos aplicar as Leis de Kirchhoff de uma forma correcta:

1. contamos o nmero de ramos (trajectos do circuito que liga dois ns consecutivos).

2. arbitramos em cada ramo uma intensidade de corrente.

3. o numero de ramos que igual ao nmero de correntes corresponde ao nmero de incgnitas e portanto ao nmero de equaes necessrias para resolver o problema.

4. aplicamos a equao dos ns todos os ns menos um (quando aplicamos a Lei todos os n ns existentes s obtemos n -1 equaes diferentes).

5. usamos a Lei das Malhas vrias vezes de modo a obtermos o nmero de equaes necessrias para resolver o problema.

6. resolvemos o sistema de equaes obtido.

Quando obtemos valores negativos para algumas intensidades de corrente, trocamos o sentido arbitrado para estas correntes.

Exemplo do clculo das intensidades de corrente num circuito.

Vamos calcular as intensidades de corrente no circuito:

1) Arbitramos em cada ramo uma intensidade de corrente.

2) Aplicamos a Lei dos Ns a 3 dos 4 ns do circuito

3) Aplicamos a Lei das Malhas 3 vezes para completar as 6 equaes necessrias para resolver o problema. No esquecer o sentido de contagem que sempre o mesmo.

4) Resolvemos o sistema de equaes obtido.

5) Substitumos no esquema do circuito as correntes pelos valores encontrados invertendo o sentido das correntes negativas (a corrente indicada em azul tem sentido contrrio ao arbitrado).

6) Conferimos o resultado verificando se em cada n a soma das correntes que chegam igual soma das correntes que saem.

Aplicao importante da Lei dos Ns.

Quando uma malha ligada a um ponto qualquer por um nico condutor, por este condutor no haver passagem de corrente, pois num circuito para haver circulao de corrente tem de haver entrada e sada da mesma.

Exemplos:1) uma malha ligada terra por um nico condutor.

2) duas malhas ligadas por um nico condutor.

Teorema de Thevenin e Norton

H situaes onde mais simples concentrar parte do circuito num s componente antes de escrever as equaes para o circuito completo.

Quando a fonte de entrada um gerador de tenso, utiliza-se o teorema de Thvenin para isolar os componentes que nos interessam, mas se a entrada um gerador de corrente utiliza-se o teorema de Norton.Teorema de Thevenin

Qualquer circuito, por mais complexo que seja, visto a partir dos terminais concretos, equivalente a um gerador ideal de tenso em srie com uma resistncia, de forma a que:

A fora electromotriz do gerador seja igual diferena de potencial que se mede no circuito aberto nos ditos terminais.

A resistncia a que se "v" no circuito desde os terminais en questo, curto-circuitando os geradores de tenso e deixando em circuito aberto os de corrente.

Para aplicar o teorema de Thvenin, por exemplo, no caso da Figura 6, elegemos os pontos X e Y, e, suponhamos que desconectamos tudo o que temos direita dos ditos pontos, (i.e., estamos supondo que tnhamos desconectado fisicamente as resistncias R3 e R4 do circuito original) e olhamos para trs, para a esquerda.

CIRCUITO ORIGINALNesta nova situao calculamos a tenso entre estes dois pontos (X,Y) que chamaremos a tenso equivalente Thvenin Vth que coincide com a tenso nos terminais da resistncia R2 e cujo valor :

O passo seguinte , estando ns situados nos pontos indicados (X, Y) olhar para a esquerda outra vez e calcular a resistncia que vemos, mas tendo em conta que devemos supor que os geradores de tenso so curto-circuitos e os geradores de corrente so circuitos abertos, no caso do nosso circuito original, s h um gerador de tenso que, para o clculo que vamos fazer ser suposto como um curto-circuito.

Assim vendo a figura 6, as resistencias R1 e R2 esto em paralelo.Pelo que a resistncia equivalente Thvenin, tambm chamada impedncia equivalente, Z th. vale:

O circuito estudado esquerda dos pontos X e Y subsitui-se agora pelo circuito equivalente que calculamos e ficamos com o circuito da figura 7, onde agora muito mais fcil realizar os clculos para obter o valor VO

CIRCUITO EQUIVALENTE THEVENINA outra forma de calcular VO , a atravs da teoria das malhas, que calculamos na figura 8 e onde observamos que os resultados so os mesmos. Mas as equaes resultantes so bastante mais trabalhosas.

ANALISE DO MESMO CIRCUITO DA FIGURA 6 MAS APLICANDO AS EQUAES POR MALHAS

Vemos assim que, aplicando o Teorema de Thvenin para a anlise de ciruitos, seremos capazes de simplificar os nossos clculos, o que nos ser sempre muito til, sobretudo, noutros circuitos mais complexos.

Teorema de Norton

Qualquer circuito, por mais complexo que seja, visto a partir dos terminais concretos, equivalente a um gerador ideal de corrente em paralelo com uma resistncia, de forma a que:

A corrente do gerador a que se mede no curto-circuito entre os terminais em questo.

A resistncia a que se "v" no circuito a partir dos terminais em questo, curto-circuitando os geradores de tenso e deixando em circuito aberto os de corrente (coincide com a resistncia equivalente de Thvenin).

CIRCUITO EQUIVALENTE NORTONAplicando o Teorema de Norton ao circuito da figura que se mostrou mais acima aquando da explicao do teorema de Thevenin, ficaremos com o seguinte circuito:

Onde curto-circuitamos os pontos X e Y da figura 6. A corrente que circula entre estes dois pontos cham-la-emos Ith e lgicamente ser igual tenso V do gerador de tenso dividido pela resistncia R1 (Lei de Ohm) Ith = V / R1 a resistncia de Thvenin a mesma que a calculada anteriormente, que era o paralelo de R1 e R2 Zth =R1//R2 = R1 x R2 / (R1 + R2)

Lei de JouleUm dos efeitos da passagem da corrente elctrica num condutor o aquecimento desse condutor. Este fenmeno conhecido por efeito Joule.

O efeito Joule traduz-se numa perda de energia nos condutores, quando a finalidade do circuito no o aquecimento. Estas perdas designam-se por perdas de Joule.

A Lei de Joule pode enunciar-se da seguinte forma: A energia elctrica transformada em energia calorfica num circuito elctrico de um receptor, directamente proporcional resistncia deste, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao tempo da passagem desta.

Traduzindo a lei para uma expresso matemtica teremos:

W=R x I2 x t

Onde:

W em Joules (J)R em Ohms ()I em Amperes (A)t em segundos (s)

A unidade de energia o Joule (smbolo J) mas para a energia calorfica utiliza-se frequentemente uma unidade mais prtica que a caloria (cal) e que vale 4,18 Joules pelo que, 1 joule equivaler a 0,24 calorias:

1 cal = 4,18 J

1 J =1 / 4,18 = 0,24 cal

o calor ou melhor, a quantidade de calor, que se desenvolve quando uma corrente percorre um condutor, fenmeno traduzido pela lei de Joule, que a responsvel por muitos incndios que tm origem elctrica.

O aquecimento dos condutores quando so percorridos por corrente elctrica eleva a sua temperatura que pode ultrapassar o valor mximo suportado pelos isolamentos envelhecendo-os prematuramente e chegando mesmo a fundi-los.

Assim, para cada tipo de cabo e para cada seco dos condutores, h limites mximos da intensidade da corrente que os pode percorrer de forma permanente, sem perigo de aquecimento excessivo.

O quadro seguinte mostra esses valores para condutores isolados a PVC e para uma temperatura ambiente de 20C.

Seco do condutor em mm2Intensidade mxima de corrente admissvel permante em A

110

1,514

2,518

--

1040

No quadro anterior v-se a intensidade mxima das correntes admissveis em algumas seces de condutores elctricos.

O efeito Joule tem grandes inconvenientes e responsvel por alguns desastres. No entanto tambm tem aplicaes prticas teis (em aparelhos electrodomsticos, por exemplo foges, secadores, fritadeiras, irradiadores) e at aplicveis na segurana de pessoas e bens contra riscos elctricos, como o caso dos corta-circuitos fusveis ou simplesmente fusveis, como vulgarmente se designam. Resposta transitria de circuitos elctricosCircuito RC Srie

Quando o condensador est ligado a um circuito com fonte de alimentao em CC (DC), dois processos, designados por carga e descarga do condensador, acontecem nas condies especificas.

Na figura seguinte, o condensador est ligado a uma fonte de alimentao CC e a corrente flui atravs do circuito. Ambas as placas acumulam a mesma quantidade de cargas, mas opostas, verificando-se entre elas um aumento da diferena de potencial, vc, enquanto se processa a carga do condensador. Assim que a tenso aos terminais do condensador, vc, seja igual tenso da fonte de alimentao, vc = V, o condensador est completamente carregado e a corrente deixa de fluir atravs do circuito, a fase de carga est terminada.

Condensador no Regime de Carga

Um condensador, relativamente corrente contnua, equivalente a um circuito aberto, R = , porque assim que a fase de carga termina, a corrente deixa fluir atravs dele. A tenso vc nos terminais dum condensador no pode variar abruptamente.

Quando o condensador est desligado da fonte de alimentao, o condensador descarrega-se atravs da resistncia RD e a tenso entre as placas de metal diminui gradualmente para zero, vc = 0.

Condensador no Regime de Descarga

Nas figuras anteriores, as resistncias RC e RD afectam respectivamente a velocidade de carga e de descarga do condensador.

O produto da resistncia R e da capacidade C designado por constante de tempo , que caracteriza a rapidez de carga e de descarga de um condensador.

A Tenso vc e a Corrente iC durante as Fases de Carga e Descarga

Quanto menor for a resistncia ou a capacidade, menor a constante de tempo e mais rpida a velocidade de carga e de descarga do condensador, e vice-versa.

Circuito RL SrieO circuito RL srie (resistncia bobine) dos filtros electrnicos mais simples no que toca resposta de impulso infinita analgica. Depois da anlise parcial das tenses na resistncia e bobine e o seu comportamento no tempo ficamos com:

.

Deste modo, a tenso sobre a bobine tende para 0 conforme o tempo passa, enquanto a tenso sobre a resistncia tende para V, como mostrado no grfico seguinte.

Na figura acima v-se a tenso VS entrada do circuito e a tenso VO aos terminais da resistncia como no circuito seguinte.

Isto est de acordo com o conceito intuitivo de que a bobine ter apenas uma tenso aos seus terminais enquanto o circuito estiver com mudanas de corrente. Conforme o circuito atinge seu estado fixo, no existem mais mudanas de corrente e praticamente no existe nenhuma tenso sobre a bobine.

Estas equaes mostram que um circuito RL srie possui uma constante de tempo, normalmente representada por = L / R sendo o tempo que a tenso leva para descer (sobre L) ou subir (sobre R) at 1 / e do seu valor final. Desta forma, o tempo que VL leva para atingir V(1 / e) e o tempo que VR leva para atingir V(1 1 / e).

A taxa de variao . Desta forma, indo de t = N a t = (N + 1), a tenso ir atingir cerca de 63% de seu valor quando t = N, quando esteja prximo do seu valor final. Ento a tenso de L ter cado cerca de 37% aps , e praticamente zero (0.7%) aps cerca de 5. A Lei de Kirchoff implica que a tenso sobre o resistncia ir "subir" com a mesma taxa de variao. Quando a fonte de alimentao ento substituda por um curto-circuito, a tenso sobre R cai exponencialmente em funo de t de V a 0. R ser descarregado a cerca de 37% aps , e praticamente descarregado (0.7%) aps cerca de 5. Note-se que a corrente, I, no circuito comporta-se da mesma forma que a tenso atravs de R, de acordo com a Lei de Ohm.

O atraso nos perodos de subida/descida neste caso causado pela fora contra-electromotriz da bobine que, conforme a corrente que flui sobre ela tenta mudar, impede a corrente (e dessa forma a tenso sobre o resitor) de subir ou descer mais rpido do que a constante de tempo do circuito. Visto que todos os fio possuem alguma indutncia e resistncia, todos os circuitos possuem uma constante de tempo. Como resultado, quando a fonte de alimentao ligada, a corrente no atinge instantneamente o seu valor de operao, V / R. A subida leva uma srie de constantes de tempo para se realizar. Se isto no ocorresse, a corrente atingiria seu estado operacional instantneamente, e seriam gerados campos elctricos extremamente fortes devido mudana brusca no campo magntico, isto poderia levar ao aparecimento de arcos eltricos, possivelmente danificando os componentes.

Componentes Electrnicos BsicosDodo

Se um semicondutor do tipo P posto junto dum semicondutor tipo N, na regio de contacto, denominada juno, forma-se uma barreira de potencial.

No seu estado normal, o semicondutor electricamente neutro, pois os tomos tanto do semicondutor como da impureza tm nmeros iguais de electres e protes.

Na juno, os electres portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P, deixando esta ltima com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo, formando a barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantm os electres na parte N e os buracos na parte P.Se um potencial externo V > Vo for aplicado, o potencial de barreira ser quebrado e a corrente ser elevada, pois existem muitos electres em N. Diz-se ento que a juno est directamente polarizada.

Esta tenso Vo chamada de Tenso de Limiar ou ainda Tenso de Conduo. Para o Germnio esta tenso de 0,2 Volts e para o Silcio de 0,7 Volts, aproximadamente.

No caso em que juno est inversamente polarizada, o potencial de barreira ser aumentado, impedindo ainda mais a passagem de electres e a corrente resultante ser francamente mais pequena.

Polarizar um diodo significa assim aplicar uma diferena de potencial s suas extremidades.

Este conjunto, denominado diodo de juno, funciona como um rectificador pois apenas deixa passar a corrente num sentido. Na figura anterior mostra-se uma curva tpica (no em escala) e o seu smbolo elctrico.

Note-se que, acima de um pequeno valor de polarizao directa, a corrente aumenta significativamente. A expresso matemtica :

I = I0 (eeV/kT 1). Onde:

I0: corrente de saturao. e: carga do electro.k: constante de Boltzmann.T: temperatura absoluta.

Dodo Zener

A polarizao inversa tem o seu limite. Acima dum determinado valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Esse fenmeno usado, por exemplo, em diodos reguladores de tenso (diodos zener).

Transistor Bipolar

O Transistor um componente electrnico que comeou a popularizar-se na dcada de 60 e cuja funo principal amplificar sinais elctricos. Entende-se por "amplificar" o procedimento de tornar um sinal elctrico mais forte. Um sinal elctrico de baixa intensidade, como os sinais gerados por um microfone, injectado num circuito electrnico (transistorizado por exemplo) em que a funo principal transformar esse sinal fraco gerado pelo microfone em sinais elctricos com as mesmas caractersticas mas com potncia suficiente para excitar os altifalantes.

conveniente salientar que praticamente impossvel encontrarmos circuitos electrnicos que no possuam transistores e no caso de incluirem chips, esse por si s j so constitudos na sua maioria por transistores.

Um dispositivo formado por duas junes PN contrapostas conforme a figura ao lado, se construdo segundo alguns critrios, denominado transistor de juno NPN ou PNP.

No caso do transistor NPN a base fisicamente delgada e tem uma concentrao de impurezas menor que os semicondutores N do emissor e colector. Dessa forma, o fluxo de electres vindo do emissor tem pouca probabilidade de combinao com as lacunas na juno da base para formar Ib e a maior parte rompe a polarizao inversa da juno base-colector devido ao campo elctrico maior

do que Vce. Ou seja, a polarizao base-emissor actua como um acelerador do fluxo e controla a corrente Ic, provocando o efeito da amplificao.

Pelo esquema ao lado, pode-se concluir que Ie = Ib + Ic.

Em componentes reais, a corrente Ib pode ser 5% ou menos de Ie, e Ic pode ser 95% ou mais de Ib, ou seja, a amplificao considervel.

Observe-se tambm pela figura seguinte, os smbolos normalmente usados para estes componentes.

Um parmetro usual para o transistor o factor de corrente , que a relao entre as correntes de colector e emissor. Assim,

ou Como Ib pequena, o fator prximo da unidade. E ocorre tambm:

Ib = Ie Ic = Ie Ie = (1 ) Ie.

E o ganho de corrente dado por

Podemos ver grficamente o que

acabamos de definir atravs da figura ao lado.No transistor de juno PNP, os tipos de semicondutores so invertidos em relao ao NPN (colector e emissor so semicondutores tipo P e base tipo N). A operao similar, com inverso dos portadores de cargas e tenses de polarizao (e por consequncia das correntes associadas) de sinais contrrios aos da figura em (a). O smbolo do transistor PNP conforme o da mesma figura em (b).

O encapsulamento ou envlucro do transstor pode ser construdo de um material no poroso como o metal, o vidro, o plstico, a cermica ou epoxi. Actualmente a industria tem vindo a estabelecer como padro o metal, o plstico e o epoxi na fabricao de encapsulamentos para os transstores.Electrnica de Potncia

Transistores FET

O J-FET canal N constitudo basicamente por uma juno PN, sendo ambos os extremos da regio N dotada dos terminais Dreno (Drain)e Fonte (Source), e a regio P (Gate ou porta) um anel em volta da regio N.

Se ligarmos uma bateria entre os terminais da regio N circular uma corrente limitada apenas pela resistncia do material semicondutor. Porm, se polarizarmos inversamente a juno PN (Porta negativa em relao Fonte), formar-se- uma zona de depleo em volta da juno PN. Devido a esse facto, ficar mais estreito o canal o que equivale a um aumento da resistncia interna da regio N.

Atravs da Porta podemos determinar o maior ou menor fluxo de corrente entre os terminais Fonte e Dreno. Fixando o valor da tenso dreno-fonte (VDS), a corrente de dreno (ID) ser funo da polarizao inversa da Porta que variar a espessura do canal por variao da zona de depleo.

Na figura ao lado encontra-se a simbologia normalmente usada para o transistor J-FET.

Os terminais dos transistores J-FET so:- D Dreno (Drain);- G Porta (Gate);- S Fonte (Source).

Curiosamente os termos utilizados em muitas situaes so Dreno, Gate e Source, por facilidade de lngua e igualdade de iniciais.

Para o Fet funcionar a Porta deve ser inversamente polarizada (no J-FET canal N: Porta negativa em relao Fonte, no J-FET canal P: Porta positiva em relao Fonte),

O Dreno (D) positivo em relao Fonte (S). A corrente dreno-fonte (IDS) ou simplesmente corrente de dreno (ID) inversamente proporcional tenso porta-fonte (VGS), conhecida por tenso de porta (VG). Assim se: VG ( ( ID ( (isto porque a zona de depleo vai aumentar e o canal vai estreitar o que provoca um aumento de resistncia e consequentemente uma diminuio da corrente).Mantendo-se constante VDS e fazendo variar VG, ID sofrer uma certa variao e a relao ID/VG d-nos a transcondutncia em Siemens do J-FET, representada por gm.

Considerando ID como sada e VGS como entrada, o J-FET surge como uma fonte de corrente controlada por tenso.

As curvas caractersticas de um transistor J-FET so mostradas na figura esquerda. Pode-se ver que para um dado valor da tenso de Porta, a corrente relativamente constante numa gama relativamente larga de valores de tenso VDS. O elemento de controlo dos transistores J-FET vem da depleo de portadores de carga no canal N. Quando a Porta colocada num estado mais negativo, ela provoca a depleo da maioria dos portadores a partir de uma zona de depleo muito maior em torno dela prpria. Isto reduz o fluxo de corrente para um determinado valor de VDS. Modulando a tenso de Porta modulamos o fluxo de corrente atravs do transistor.

As caractersticas de transferncia do J-FET importante para se visualizar o ganho do dispositivo e identificar a regio onde se comporta de forma linear. O ganho proporcional inclinao da curva de transferncia. O valor de corrente IDSS representa o valor quando a Porta ligada directamente terra (0 V na maioria dos casos), quando ocorre ento a mxima corrente no J-FET. Este valor faz parte dos dados fornecidos pelo fabricante. A tenso de Porta na qual a corrente se anula chamada de tenso de "pinch ", VP. Note-se que a linha a tracejado representando o ganho encontra-se na regio linear de operao do transistor chegando a corrente a zero a cerca de metade da tenso de pinch. Vimos assim que a curva caracterstica de um J-FET apresenta uma regio de operao do dispositivo, onde a corrente est saturada. A corrente IDS funo de IDSS, VGS e de VP., como pode ser visto na expresso abaixo:

esta expresso a funo de transferncia, a qual relaciona a corrente entre o Dreno e a Fonte(IDS) com a tenso entre o Dreno e o controle da Porta (VGS).

Mediante a anlise da figura seguinte do J-FET podem-se deduzir as expresses analticas que permitem analisar matematicamente o funcionamento deste. Assim, existem diferentes expresses para as diferentes zonas de funcionamento.

Para |VGS| < |Vp| (zona activa), a curva de valores limite de ID vem dada pela expresso:

Sendo a IDSS a ID de saturao que atravessa o transistor para VGS = 0, a qual vem dada pela expresso:

Os pontos includos nesta curva representam as ID e VGS (ponto de trabalho, Q) na zona de saturao, enquanto os pontos da rea inferor a esta representam a zona hmica.

Para VGS| > |Vp| (zona de corte): ID = 0

Podem tambm observar-se com mais detalhe os dois estados nos quais o J-FET permite a passagem de corrente. Num primeiro estado, a corrente ID vai aumentando progressivamente segundo a tenso de sada VDS. Esta curva vem dada pela expresso: que costuma expressar-se como

sendo

Portanto, nesta zona, e para efeitos de anlise, o transistor pode ser substitudo por uma resistncia de valor Ron, com o qual se observa uma relao entre a ID e o VDS definida pela Lei de Ohm. Isto faz com que a esta zona de funcionamento se denomine de zona hmica.

A partir de um determinado VDS a corrente ID deixa de aumentar, ficando fixa num valor ao qual se denomina ID de saturao ou IDSAT. O valor de VDS a partir do qual se entra nesta nova zona de funcionamento vem dado pela expresso: VDS = VGS Vp. Esta IDSAT, caracterstica de cada circuito, pode-se calcular mediante a expresso:

TiristorA funo de um tirstor de abrir e fechar circuitos com grandes cargas, como motores, electromanes, aquecedores, converter CA em CC, CC em CA. Os tirstores trabalham sempre entre dois estados de funcionamento: o corte e a conduo, por isso podemos dizer que so dispositivos de comutao.

O nome tiristor engloba uma famlia de dispositivos semicondutores que operam num regime comutado ou de comutao, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa sequncia p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestvel.

O tiristor de uso mais difundido o SCR (Silicon-Controlled Rectifier), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (Light Activated SCR), TRIAC (Triode for Alternating Current ou Bidirectional Triode Thyristor), DIAC ('Diode for Alternating Current'), GTO (Gate Turn-Off Thyristor) e outros.

O smbolo normalmente utilizado para designar um Tiristor o seguinte:

- G Porta (Gate);- K Kathode (Ctodo);- A Anode (nodo).

O tirstor pode ser disparado de trs formas diferentes:

1. Aplicando uma corrente entre a gate e o ctodo. Este o mtodo mais comum de disparo do tirstor.

2. Aplicando uma tenso Vd entre o nodo e o ctodo maior do que a tenso Vdrm que a mxima tenso entre o nodo e o ctodo que se pode aplicar no tirstor, sese aplicar uma tenso maior do que Vdrm a um tirstor este passa a conduzir sem sinal na gate, isto ocorre devido existncia de uma corrente de fuga natural no transistor Q1, esta corrente circula entre o colector e o emissor mesmo sem o transistor estar a conduzir. Normalmente a corrente de fuga to pequena que no interfere no funcionamento de Q2, no entanto, esta corrente aumenta quando a tenso entre o nodo e o ctodo tambm aumenta, acima de determinado limite, que depende de cada tipo de tirstor, este comea conduzir.

3. Aplicando uma variao rpida de tenso entre o nodo e o ctodo do tirstor. Isto ocorre porque existem condensadores entre o nodo e o ctodo, as bases e emissores dos transistores Q1 e Q2, como a corrente num condensador depende da variao da tenso, quando mais rpida for esta variao maior a corrente nos condensadores. Pode ainda acontecer que a corrente gerada pela variao de tenso Vd dispare o transistor Q2 fazendo com que o tirstor entre em conduo.

Amplificadores Operacionais

O Amplificador Operacional (AMPOP) um dos componentes mais usados no mundo da electrnica. A simplicidade conceptual e versatilidade so a chave da sua vasta e diversificada utilizao. Inicialmente, os amplificadores operacionais foram usados sobretudo em circuitos de componentes discretos (em conjuno com resistncias e condensadores) para implementar filtros ou montagens de ganho. Actualmente, so reutilizados ou redesenhados como blocos bsicos facilmente integrveis em sistemas bastante complexos, geralmente fazendo parte de blocos de circuito de media complexidade como conversores, sintetizadores, filtros, etc. O campo de aplicaes que tiram partido deste elemento vai desde os aparelhos de medida a todo o tipo de circuitos para computadores e telecomunicaes, passando por diversos aparelhos elctricos, automveis - pode dizer-se, sem exagero, que a sua utilizao quase universal. Nestas aplicaes, so parte integrante da maioria dos circuitos electrnicos fundamentais estudados na cadeira, tais como conversores analgico-digital e digital-analgico, osciladores, malhas de captura de fase, filtros analgicos, circuitos optoelectrnicos e perifricos de comunicao (e.g. placas de rede, placas de som, portos de comunicao).Aproximadamente 1/3 dos CIs lineares so Amplificadores Operacionais (AmpOp). Isso decorre da necessidade de se ter um circuito amplificador de fcil construo e controle, e de boa qualidade.Os Amp Op so amplificadores que trabalham com tenso contnua to bem como com tenso alternada. As suas principais caractersticas so:

- Alta impedncia de entrada

- Baixa impedncia de sada

- Alto ganho

- Possibilidade de operar como amplificador diferencial

Caractersticas AmpOp

Ganho Av: idealmente infinito. Na prtica, so usados valores na ordem dos 200 000. Impedncia de entrada Zi: idealmente infinita. Na prtica, valores so possveis valores na ordem dos 10 M (significa que o amplificador no consome corrente pelas entradas). Impedncia de sada Zo: idealmente nula. Na prtica, so usados valores na ordem dos 75 , o que significa uma ausncia de queda de tenso interna na sada. Resposta de frequncia: idealmente de 0 ao infinito. Na prtica escolhem-se tipos com resposta bastante acima da frequncia na qual iro operar para dar uma aproximao do ideal.

Relao de rejeio em modo comum: este parmetro provavelmente mais conhecido pela sigla inglesa CMRR (common mode rejection ratio). Pela frmula abaixo poderemos concluir que quando as entradas so iguais a sada deveria ser igual a 0. Nos circuitos prticos, h sempre uma pequena sada com as entradas iguais, condio esta chamada de modo comum. A condio usual, isto , com tenses de entrada diferentes, chamada modo diferencial. E o parmetro dado pela relao, expressa em decibis, dos ganhos em ambas condies CMRR = 20 log (ganho modo diferencial / ganho modo comum). Um circuito ideal teria CMRR infinito.

Smbolo

Um amplificador analgico sempre representado como um tringulo em que um dos vrtices a sada. O desenho direita mostra o diagrama esquemtico de um Amplificador Operacional com seu modelo mais usual.

O AMPOP Ideal

O AMPOP ideal.O AMPOP ideal pode ser analisado como um componente com trs zonas de operao distintas: zona de saturao negativa, zona linear, zona de saturao positiva. A zona linear a mais usada. Na zona linear a tenso no terminal de sada do AMPOP proporcional diferena de potencial entre os seus terminais de entrada, com uma constante de proporcionalidade (ganho) - aqui definida como A de valor elevado. Sendo assim, nesta zona de funcionamento, a diferena de tenso entre os terminais de entrada muito pequena, por ser inversamente proporcional a A. Daqui resulta a simplificao na anlise do seu comportamento de considerar que v+ aproximadamente igual a v-.((considerando que o ganho A muito elevado)

As zonas de saturao negativa e positiva correspondem s situaes em que a tenso no terminal de sada limitada pelas tenses de alimentao inferior e superior do AMPOP. Quer isso se deva ao facto de o amplificador no estar realimentado ou estar realimentado positivamente, quer seja consequncia de a tenso de sada tentar superar os extremos de alimentao do circuito (aqui definidos com Vdd e Vss), saindo portanto da zona de operao linear. Nestas duas zonas ser vlida uma das seguintes expresses:

(

(

Montagens No Realimentadas

O AMPOP usado como comparador

Circuito comparador usando um AMPOP.A aplicao mais simples do AMPOP na realizao de um circuito comparador como o apresentado na figura anterior. Consiste em ligar um dos terminais a um nvel de referncia e o outro terminal ao sinal a analisar. Neste exemplo o terminal v- do AMPOP ligado massa e o terminal v+ ligado a uma fonte de sinal sinosoidal. Como acontece nos demais circuitos no realimentados, o AMPOP opera na zona no linear (saturao). Neste caso, para valores de vi inferiores a 0V, a diferena de potencial (v+ - v-) entrada do AMPOP negativa pelo que o dispositivo satura negativamente. Reciprocamente, para valores de vi superiores a 0V, a diferena de potencial entrada (v+ - v-) positiva e o dispositivo satura positivamente. Tipicamente este circuito usado para comparar dois sinais (ou nveis de tenso) e gerar um bit com a informao correspondente ordem relativa dos valores de tenso dos sinais (e.g. High A maior que B, Low - A menor que B). Geralmente um dos nveis de tenso a comparar uma tenso constante (ver conversores A/D e D/A). O presena de rudo em qualquer dos terminais pode provocar erros na determinao do valor lgico do nvel de sada do AMPOP, pelo que existem vantagens em introduzir algumas alteraes ao circuito de modo a realizar um comparador Schmitt-trigger como ser analisado mais adiante.

Montagens Realimentadas

Montagens realimentadas negativamente

As montagens em que o AMPOP est realimentado negativamente so as mais comuns. Em circuitos no diferenciais, usual o terminal v+ estar ligado massa pelo que, devido ao ganho elevado do AMPOP, v- tem um potencial prximo de 0V. Nesta situao comum referir o terminal v- como massa virtual, dado que, embora no esteja ligado massa (como acontece com v+) a sua tenso aproximadamente 0V. Algumas montagens com funes lineares genricas como somar, subtrair e escalar (i.e. multiplicar por um ganho) podem ser realizadas custa de circuitos simples com um AMPOP e algumas resistncias.

Montagem seguidora

O circuito seguidor representado na figura seguinte um circuito to simples quanto prtico. composto apenas por um AMPOP em que a sada est ligada ao terminal v- . Facilmente se deduz que a tenso de sada, que igual a v-, acompanha a tenso no terminal v+ desde que no sejam atingidas as tenses de alimentao do AMPOP (caso em que o dispositivo entra na zona de saturao). Assim temos que vo = v- = v+ = vi .

Montagem seguidora.

Esta montagem tem como principal funo tirar partido da alta impedncia de entrada (e/ou baixa impedncia de sada) do AMPOP de modo a isolar electricamente dois blocos de circuito independentes ligados em cascata. vulgarmente usada como bloco de sada de variados circuitos elctricos ou como circuito tampo/interface entre dois circuitos.

Montagem de ganho inversor

Montagem de ganho inversor.

Esta montagem usada para re-dimensionar um sinal. O sinal de entrada multiplicado por um ganho negativo, pelo que a polaridade invertida. O circuito composto por um AMPOP em que a sada est ligada ao terminal v- atravs da resistncia de realimentao R2. Facilmente se deduz que a tenso de sada igual tenso de entrada multiplicada pela razo -R2/R1. O terminal v- tem uma tenso muito baixa (tipicamente desprezvel) cujo valor ser -vo/A, e pode ser considerada uma massa virtual. Desde que a tenso de sada no atinja as tenses de alimentao, o AMPOP est na zona linear, e so vlidas as seguintes equaes:

,

(

Montagem de ganho no inversor

Montagem de ganho no inversor.

Esta montagem semelhante montagem anterior, no entanto, o sinal de entrada neste caso multiplicado por um ganho positivo, pelo que a polaridade no invertida. O terminal v- acompanha a tenso de entrada vi, pelo que facilmente se deduz que a tenso de sada igual tenso de entrada multiplicada pela razo (R2+R1)/R1. Assim, desde que a tenso de sada no atinja as tenses de alimentao, so vlidas as seguintes equaes:

,

(

Circuito somador

Circuito somador.

Esta montagem usada para somar dois ou mais sinais. Neste caso consideram-se v1 e v2 como dois sinais genricos entrada do circuito. Tendo em conta a lei dos ns, verifica-se que as correntes i1 e i2, proporcionais s entradas v1 e v2 respectivamente, so somadas no n v-, dando origem corrente i, que impe a tenso de sada ao atravessar a resistncia de realimentao Rf. O terminal v+ est ligado massa pelo que o terminal v- pode ser considerado uma massa virtual. Assim, e desde que a tenso de sada no atinja as tenses de alimentao, so vlidas as seguintes equaes:

,

(

O comportamento muito semelhante ao da montagem inversora. Como se verifica, a sada uma soma ponderada das tenses de entrada (embora com polaridade invertida). Tipicamente so utilizados valores de R1, R2 e Rf iguais de modo que vo seja igual soma de v1 com v2.

Circuito subtractor

Circuito subtractor.

Este circuito semelhante ao somador e usado para subtrair dois sinais v1 e v2. O terminal v+ tem uma tenso imposta pelo divisor resistivo R3 e R4. A tenso no terminal v- igual tenso em v+ desde que o AMPOP no entre na zona de saturao. Assim so vlidas as seguintes equaes:

,

(

A sada uma subtraco ponderada das tenses de entrada. Se os valores das resistncias utilizadas forem todos iguais (i.e. R1 = R2 = R3 = R4), a sada vo igual a v2 v1, implementando assim a subtraco entre os dois sinais de entrada.Emissor

Colector

Emissor

Colector

Zona de depleco

VDS

VGS

NOTA: Para o J-Fet canal P devemos inverter a polaridade das tenses aplicadas aos terminais.

VDS

RD

RS

RG

IDS

J-Fet canal N

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