Tornando os fundamentos da eletrônica compreensíveis e sustentáveis!
Descubra o mundo fascinante da eletrônica com nosso STEM Electronics! Passo a passo, este kit de construção ensina os fundamentos da eletrônica e oferece uma ampla variedade de temas eletrônicos diferentes. De modelos simples a complexos, como indicadores intercambiáveis, muitos modelos funcionais empolgantes podem ser construídos com este kit de construção. Professores encontrarão material informativo sobre o tema, bem como tarefas prontas e soluções em nossa área de e-learning.
A eletrônica mudou nossas vidas como nenhuma outra conquista técnica da humanidade. O estudo dos componentes eletrônicos e sua interação tem menos de 150 anos. Provavelmente não há um momento em que não sejamos acompanhados pela eletrônica.
Vamos dar uma olhada no nosso dia a dia:
Acordamos de manhã porque o despertador eletrônico ou o smartphone nos despertaram. Luz acesa. Qualquer lâmpada LED não funcionaria sem eletrônica. O micro-ondas aquece nosso cacau controlado eletronicamente, a torradeira controla eletronicamente o dourado ideal. Escovar os dentes – claro, com uma escova de dentes eletrônica controlada eletronicamente. Saímos de casa. A eletrônica da iluminação pública já desligou, já está claro o suficiente. O motorista do ônibus aciona o botão das portas – eletronicamente – e nós entramos. A viagem para a escola começa. O motor de combustão do ônibus hoje é controlado exclusivamente por eletrônica. Poderíamos continuar contando infinitamente…
Na maioria das vezes, essas coisas são para nós óbvias. Muitas vezes nem sabemos que a eletrônica está envolvida. Além disso, os circuitos eletrônicos hoje podem ser minúsculos. Não os vemos sem olhar atentamente. A eletrônica conseguiu substituir mecânicas complexas e caras em muitas áreas. Ela garante um uso mais econômico da energia e é mais robusta que outras soluções.
Vamos pegar uma lâmpada LED comum para tarefas de iluminação. O LED em si é um componente eletrônico. Um transformador eletrônico com alta eficiência fornece energia para o LED a partir da rede elétrica. De 230 V, com eletrônica acessível, são transformados em 3 V. Nessas condições ideais, o LED precisa de cerca de 1/10 da energia para iluminar um ambiente tão brilhante quanto uma lâmpada incandescente. Além disso, sua vida útil é de 10 a 100 vezes maior. Até o preço dos LEDs está lentamente se aproximando do dos dispositivos de iluminação convencionais.
Outro exemplo é a eletromobilidade. As unidades de propulsão de veículos elétricos alcançam uma eficiência de até 80%. Uma unidade com motor de combustão não chega nem a 25%. Além disso, os motores elétricos utilizam componentes mecânicos muito menos caros. Por exemplo, não é necessário um câmbio com embreagem. A eletrônica de potência para controle de velocidade é muito mais barata.
Depois que o físico italiano Alessandro Graf von Volta inventou a bateria em 1800, uma fonte de tensão utilizável esteve disponível pela primeira vez. A pesquisa sobre eletricidade ganhou impulso com o fornecimento confiável de eletricidade.
1873, três quartos de século depois, Willoughby Smith conseguiu comprovar as propriedades fotoelétricas do selênio. Apenas um ano depois, Ferdinand Braun descobriu o efeito retificador dos semicondutores. Essas duas descobertas podem ser consideradas o nascimento da eletrônica.
Na primeira metade do século passado, o tubo eletrônico era o único componente ativo da eletrônica. Em 1904, John Ambrose Fleming apresentou um diodo de vácuo. Com a adição de grades de controle ao fluxo de elétrons, tubos amplificadores cada vez mais aprimorados ficaram disponíveis nos anos seguintes. Uma particularidade dessa tecnologia certamente foram os tubos de imagem (Ferdinand Braun, 1897). Eles foram produzidos para televisores até a década de 2010. Outro tipo especial de tubo que ainda hoje é indispensável em qualquer casa é o magnetron para micro-ondas.
Julius Edgar Lilienfeld registrou a patente de um componente eletrônico em 1925 que é comparável aos transistores de efeito de campo atuais. Uma aplicação prática não foi alcançada. As condições técnicas para a fabricação simplesmente ainda não estavam disponíveis.
John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley dos Bell Laboratories apresentaram o primeiro transistor em 1947 e receberam 9 anos depois o Prêmio Nobel de Física.
Nos anos seguintes, especialmente a técnica de fabricação dos transistores foi continuamente aprimorada. Nas décadas de 1950 e 1960, o germânio inicialmente utilizado teve que ceder lugar ao silício. O silício é mais fácil de obter, mais fácil de manusear e, portanto, mais barato. Ao mesmo tempo, o transistor foi substituindo cada vez mais a válvula.
Jack Kilby desenvolveu em 1958 o primeiro circuito integrado (CI). Tratava-se de um flip-flop com 2 transistores. Hoje, mais de 50 bilhões de transistores são integrados em um chip. A comutação ocorre em velocidades na faixa de gigahertz.
A partir de 1960, os MOSFETs (Transistores de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor) inauguraram a eletrônica de potência moderna. Um desenvolvimento posterior são os IGBTs (Transistores Bipolares de Porta Isolada). Eles combinam as propriedades dos transistores de efeito de campo e bipolares. Tensões acima de 6000 volts, correntes muito superiores a 3000 amperes e potências de até 100 megawatts podem ser comutadas sem perdas por meio de baixas tensões de controle.
A eletrônica também tem tradição na fischertechnik. Já em 1969, a fischerwerke lançou seu primeiro kit eletrônico no mercado. O objetivo era uma introdução prática à eletrônica. Muitos outros kits de experimentos e modelos, até computação, seguiram-se até hoje.
Corrente e tensão
Tarefa 1
Circuitos eletrônicos sempre precisam de uma tensão de alimentação. Essa tensão é fornecida por uma fonte de tensão. A intensidade da fonte de tensão é expressa pela tensão aplicada em seus polos. A tensão é uma grandeza física com o símbolo U. A magnitude da tensão é indicada na unidade Volt (V). A tensão da bateria usada aqui no suporte de bateria é de 9 volts.
Na bateria, processos químicos causam uma separação de portadores de carga positivos e negativos. Os portadores de carga negativos são os elétrons. Portadores de carga positivos são locais de onde os elétrons foram deslocados.
Quanto mais elétrons são separados de suas posições, maior é a tensão. A tensão é a força que os elétrons exercem entre os polos. A tensão pode ser medida entre os dois polos de uma fonte de tensão.
Quando um circuito fechado é conectado entre os dois polos da bateria, os elétrons podem equilibrar-se através do circuito. Uma corrente flui pelo circuito. A tensão impulsiona a corrente pelo circuito. Quanto maior a tensão, maior a corrente.
A corrente tem o símbolo I. Sua magnitude é indicada em Ampere (A). Em circuitos eletrônicos, as correntes que fluem geralmente são muito pequenas. Elas estão na faixa de miliampere (1 mA = 0,001 A). Mesmo o motor fischertechnik XS usado “puxa” cerca de 100 mA da fonte de tensão sob carga normal.
A relação entre tensão e corrente será explicada com mais detalhes na próxima seção.
Outra grandeza física importante é a potência. Um circuito é sempre uma sequência de obstáculos para a corrente. Em cada componente (incluindo cabos, conectores, interruptores, etc.) é necessário realizar trabalho para superar o obstáculo. Muitas vezes, o trabalho realizado pode ser observado diretamente. Em nosso circuito, por exemplo, é o brilho do LED. Mas também a rotação de um motor ou o aquecimento dos componentes significam trabalho realizado. O trabalho realizado por unidade de tempo é a potência.
A potência pode ser calculada facilmente:
P = U x I Potência = Tensão x Corrente
Componentes eletrônicos são sensíveis a temperaturas. Um aquecimento intenso pode causar desde alterações nas propriedades até a destruição do componente. Por isso, nas folhas de dados sempre são indicados os valores máximos de potência dissipada.
A resistência
Tarefa 4
A resistência é um componente passivo da engenharia elétrica e eletrônica. Ela faz com que, para uma tensão determinada, flua uma corrente específica. A resistência elétrica R é a grandeza física de uma resistência. Ela é expressa em Ohms (Ω). A relação entre tensão e corrente em uma resistência elétrica é proporcional e é expressa pela Lei de Ohm.
R = U / I Resistência = Tensão / Corrente
U = R * I Tensão = Resistência x Corrente
I = U / R Corrente = Tensão / Resistência
A corrente e a tensão em uma resistência são dependentes de forma proporcional. Essa dependência pode ser representada em uma curva característica. Na figura está representada a curva característica de uma resistência de 330 Ω. Com 9 volts, flui uma corrente de 0,027 A ou 27 mA. A curva característica de uma resistência é uma linha reta. Ela é linear.
Imagem do símbolo elétrico e curva característica
A resistência elétrica de um componente depende sempre das condições ambientais (por exemplo, temperatura). Em muitos circuitos eletrônicos, essas influências são tão pequenas que podem ser negligenciadas. Existem componentes nos quais as influências são intencionalmente aproveitadas. Devido às propriedades físicas dos materiais utilizados, eles reagem, por exemplo, de forma muito sensível à luz (LDR = resistor sensível à luz) ou à temperatura (NTC = termistor de coeficiente negativo ou PTC = termistor de coeficiente positivo).
Os resistores usados nesta caixa possuem o formato SMD (Surface Mounted Device, componente para montagem em superfície) atualmente comum e são fabricados sobre um suporte cerâmico no qual é aplicado um filme de metal ou carbono. Resistores também podem ser realizados por meio de bobinas de fio ou materiais semicondutores. Estes últimos são usados em circuitos integrados.
Ligação em série de resistores
Exercício 5
Quando resistores são ligados em série, suas resistências elétricas se somam.
R = R1 + R2 + R3 + …
Resistência total = Resistor 1 + Resistor 2 + Resistor 3 + …
Quando uma fonte de tensão é conectada, ocorre uma queda de tensão em cada resistor, proporcional à resistência elétrica. Chamamos isso de divisor de tensão. Divisores de tensão são encontrados em todos os circuitos eletrônicos. Somente por meio de divisores de tensão é possível operar componentes eletrônicos em suas faixas de trabalho ideais. Isso é chamado de ajuste do ponto de operação.
Na figura, está representado um divisor de tensão composto por dois resistores. A tensão de alimentação aplicada U se divide nos dois resistores conforme seus valores em U1 e U2. A relação pode ser expressa por uma fórmula:
U1/U2=R1/R2
Se considerarmos todas as tensões no diagrama, podemos também reconhecer a relação entre a tensão de alimentação U e as tensões parciais nos resistores. Como a tensão U é igual à soma das tensões U1 e U2, temos a seguinte fórmula:
U = U1 + U2
daí segue a relação com a tensão de alimentação
U/U2=(R1+R2)/R2
Se os resistores forem conhecidos (por exemplo, R1 = 47 kΩ, R2 = 3,3 kΩ) podemos calcular, por exemplo, U2:
U2 = (U x R2)/(R1+ R2) = (9V x 3,3 kΩ)/(47 kΩ + 3,3 kΩ) = 0,59 V
O diagrama na figura também pode ser visto como uma rede de tensões. A relação é expressa pela segunda lei de Kirchhoff (lei das malhas):
A soma de todas as tensões em uma rede é zero.
A regra pode ser compreendida com a ajuda da seta de direção para o percurso da malha. Se seguirmos todo o circuito ou rede no sentido anti-horário, fica claro que a seta de direção para a tensão de alimentação U aponta contra o sentido do percurso. Portanto, a tensão U deve receber um sinal negativo. Assim, a regra é confirmada:
U1 + U2 – U = 0.
Ligação em paralelo de resistores
Exercício 6
Quando resistores são ligados em paralelo, seus condutâncias elétricas (símbolo G) se somam. A condutância expressa o quão bem um material conduz corrente elétrica. A condutância é o inverso da resistência elétrica. Com esse conhecimento, é possível calcular uma ligação em paralelo de resistores.
1/R= 1/R1+1/R2+1/R3+⋯
A resistência total R é sempre menor que a menor resistência da ligação em paralelo.
Quando uma fonte de tensão é conectada, a mesma tensão está presente em todos os resistores da ligação em paralelo. Por cada resistor passa uma corrente que é inversamente proporcional à resistência elétrica (proporcional à condutância).
Na figura, está representada uma ligação em paralelo de dois resistores. A corrente total I que flui se divide nos dois resistores conforme seus valores em I1 e I2. A relação pode ser expressa em uma fórmula:
I1/I2=R2/R1
Se considerarmos todas as correntes no circuito, podemos também reconhecer a relação entre a corrente total I e as correntes parciais que passam pelos resistores. Como a corrente total I é exatamente igual à soma das correntes I1 e I2, resulta a seguinte fórmula:
I = I1 + I2
Se a tensão de alimentação e os resistores forem conhecidos (por exemplo, U = 9 V, R1 = 47 kΩ, R2 = 3,3 kΩ) podemos calcular as correntes usando a Lei de Ohm:
I1 = U/R1 = 9V/(47 kΩ) = 0,19 mA I2 = U/R1 = 9V/(3,3 kΩ) = 2,73 mA
I = I1 + I2 = 0,19mA + 2,73 mA = 2,92 mA
O circuito na figura também pode ser visto como uma rede de correntes. A relação é expressa pela primeira Lei de Kirchhoff (Regra dos Nós):
Em um nó de uma rede, a soma de todas as correntes que entram é igual à soma de todas as correntes que saem.
Considerando o nó desenhado no circuito, a corrente I entra no nó, e I1 e I2 saem do nó.
I – I1 – I2 = 0.
Condensador
Um condensador pode armazenar energia elétrica. Ele consiste basicamente em duas placas condutoras, separadas por um isolante. O isolante é chamado de dielétrico. As placas e o dielétrico podem ser feitos dos mais diversos materiais. Um exemplo é o condensador de filme. Duas folhas de plástico e duas folhas de metal são sobrepostas e enroladas ou dobradas. Cada folha de metal recebe um terminal que posteriormente se projeta para fora do invólucro circundante.
Outra forma importante de construção é o condensador eletrolítico ou Elko. O dielétrico é formado por uma camada isolante de óxido. Condensadores eletrolíticos são componentes polarizados. Uma polaridade incorreta leva à destruição.
Quando o condensador é conectado a uma fonte de tensão, portadores de carga fluem para as placas. O condensador é carregado. Quando o condensador é desconectado da fonte de tensão, a carga permanece. No entanto, a carga dos condensadores comuns é tão pequena que não pode ser usada para alimentar consumidores elétricos. Um LED apenas brilharia por um curto período. Em circuitos eletrônicos, circulam correntes muito pequenas. Aqui, a carga dos condensadores é suficiente para muitas tarefas. No experimento com o condensador, ele é descarregado lentamente através de resistores altos para demonstrar o efeito.
Semicondutores
A eletrônica moderna é baseada em componentes semicondutores. Esses componentes são baseados em cristais semicondutores de alta pureza. Os cristais são intencionalmente contaminados com substâncias adequadas. Isso é chamado de dopagem. No cristal, em locais necessários, são feitas dopagens adicionais com outras substâncias (redopagem) para obter as propriedades desejadas do componente.
Existem dois tipos de dopagem. Através da dopagem n, átomos que possuem um elétron a mais (por exemplo, fósforo, P) são incorporados ao cristal. Esses elétrons excedentes podem se mover livremente. Através da dopagem p, átomos com um elétron a menos (por exemplo, boro, B) são incorporados. Os locais onde faltam elétrons são chamados de lacunas ou elétrons defeituosos. Esses locais também garantem a condutividade no cristal. Os elétrons podem se mover de lacuna em lacuna. A fronteira entre a região dopada p e a dopada n é chamada de junção pn.
A condutividade do cristal aumenta significativamente inicialmente devido à dopagem. Os elétrons não têm outra função senão preencher as lacunas. Eles difundem para a zona dopada p e recombinam-se com as lacunas. As lacunas desaparecem, aparentemente difundindo para a zona dopada n.
Isso ocorre até uma certa profundidade (comprimento de difusão) do material. O processo rapidamente para porque, devido ao movimento dos portadores de carga, um campo elétrico é formado que se opõe a esse processo. Um equilíbrio é estabelecido. Essa zona sem portadores de carga livres ao redor da junção pn é chamada de camada de depleção ou zona de carga espacial. Devido à ausência de portadores de carga, o fluxo de corrente não é mais possível. O campo elétrico formado causa a tensão de difusão. Para o silício, ela é aproximadamente 0,7 volts.
A tensão de difusão deve ser superada aplicando uma tensão externa para que uma corrente possa fluir através do semicondutor. Para isso, a zona p deve ser mais positiva que a zona n. Isso significa que a direção técnica da corrente em uma junção pn sempre vai de p para n, correspondendo à direção de movimento das lacunas. Os elétrons, portanto, se movem de n para p quando há fluxo de corrente.
Diodo
Exercícios 7 e 8
Um dos componentes semicondutores mais simples é o diodo. Ele consiste em apenas uma junção pn. Normalmente, uma dopagem p é introduzida em um cristal semicondutor dopado n em um ponto específico. Ambas as zonas são conectadas por terminais que saem do invólucro. A conexão na zona p é chamada de ânodo, e a da zona n é chamada de cátodo.
Quando um diodo de silício é usado em um circuito, existem duas possibilidades.
O ânodo é mais positivo que o cátodo ou vice-versa. Com uma tensão no ânodo cerca de 0,6 a 0,7 volts mais positiva, o diodo é operado no sentido direto. A tensão de difusão é eliminada, elétrons e lacunas recombinam-se e atuam como portadores de carga livres. Uma corrente flui.
No caso inverso, o campo elétrico da camada de bloqueio e a tensão aplicada atuam na mesma direção. O campo elétrico é reforçado pela tensão externa, o diodo bloqueia, e nenhuma corrente pode fluir. O diodo é operado no sentido reverso.
Se a tensão no sentido reverso for aumentada demais, ocorre um rompimento indesejado devido a efeitos físicos no semicondutor. Uma corrente alta flui em avalanche, destruindo o diodo. As tensões de ruptura dos diodos usados nos experimentos são cerca de 700 volts.
Um tipo especial de diodos são os LEDs (diodos emissores de luz). Quando operados no sentido direto, eles convertem energia elétrica em luz. A tensão direta varia entre 1,8 e 3,7 volts, dependendo do material e da cor da luz. A tensão reversa geralmente é cerca de 5 volts.
O Transistor
Exercícios 9 a 11
O „transistor bipolar“ (BJT) ou simplesmente transistor é um componente semicondutor com duas camadas de bloqueio. Isso implica que devem existir duas junções pn. A ordem da dopagem determina as propriedades elétricas do transistor. A figura mostra as duas combinações possíveis.
Quando uma tensão é aplicada entre a base e o emissor de um transistor, após ultrapassar a tensão de difusão, flui a corrente de base IB. O trecho se comporta como um diodo. Com a corrente de base, muitos portadores de carga entram na camada da base. Como esta é muito estreita, cada vez mais portadores de carga precisam migrar para a camada de bloqueio entre a base e o coletor. Os portadores de carga reduzem a camada de bloqueio, tornando-a condutiva. Pode fluir uma corrente de coletor IC. A intensidade da corrente depende da oferta de portadores de carga na base. Uma corrente flui entre coletor e emissor, que depende da corrente de base. Sem a corrente de base de suporte, o processo para. Isso não acontece abruptamente, mas leva um curto tempo. Os portadores de carga precisam sair da base. Essa é a razão pela qual um transistor não pode comutar infinitamente rápido, ele possui uma frequência limite. Isso impõe limites para aplicações rápidas, por exemplo, em computadores. Outra consequência: um transistor liga significativamente mais rápido do que desliga.
A relação entre a corrente do coletor IC e a corrente da base IB é o fator de amplificação de corrente B. É um parâmetro determinado pelo fabricante. A amplificação de corrente varia conforme o tipo de transistor, em uma faixa de 5 a 1000. A amplificação de corrente dos transistores usados nos experimentos é cerca de 200.
"Fator de amplificação B = " ("Corrente do coletor" "I" _"C" )/("Corrente da base" "I" _"B" )
O transistor é um amplificador de corrente. Quando a corrente da base aumenta, a corrente do coletor também aumenta. Em algum momento, a corrente é limitada pela resistência de carga. Mesmo que a corrente da base continue aumentando, a corrente do coletor não pode mais subir. O transistor está totalmente saturado. Ele opera em saturação. Esse modo de operação é usado quando o transistor deve ser utilizado como um interruptor.
Quando o transistor é usado como amplificador, ele deve operar em uma faixa onde a corrente do coletor depende proporcionalmente da corrente da base.
Em um circuito com transistor, várias tensões e correntes são importantes. Elas estão representadas na figura.
UB - Tensão de alimentação
UBE - Tensão base-emissor
IB - Corrente da base
UCE - Tensão coletor-emissor
IC - Corrente do coletor
RL - Resistência de carga (por exemplo, uma lâmpada)
RB - Resistência de base
B - Fator de amplificação de corrente
UCB e IE têm pouca importância. Podem ser calculados a qualquer momento a partir dos outros valores.
É necessário garantir que o transistor opere dentro das especificações do fabricante. Os seguintes parâmetros não devem ser ultrapassados:
UCB0 - Tensão máxima coletor-base
UCE0 - Tensão máxima de bloqueio
UEB0 - Tensão máxima base-emissor
IC - Corrente máxima do coletor
Ptot - Potência máxima dissipada (UCE x IC, corrente da base desprezada)
Alguns parâmetros são representados por curvas características para expressar a dependência entre diferentes valores. A curva característica mais importante que descreve um transistor é a curva de saída (figura à direita). A partir dela, pode-se ler a relação entre a tensão coletor-emissor e a corrente do coletor para diferentes correntes de base. A partir da curva de uma corrente de base, após a leitura da corrente do coletor, também é possível calcular o fator de amplificação. A linha amarela indica a área que não deve ser ultrapassada. O produto da tensão coletor-emissor pela corrente do coletor indica a potência dissipada em forma de calor. Essa potência seria muito alta além da linha e destruiria o transistor.
Hoje, muitos fabricantes não fornecem mais todas as curvas características. Para o cálculo de circuitos, deve-se então recorrer aos parâmetros contidos na folha de dados. Com as informações da folha de dados, circuitos com transistores podem ser calculados. Para isso, são necessárias apenas a Lei de Ohm e as Regras de Kirchhoff.
Se a resistência de uma carga (consumidor) for fixa, a corrente através dela e, portanto, através do coletor pode ser determinada:
UL = UB – UCE, IL = IC = UL / R
A corrente de base pode ser calculada pela simples divisão da corrente do coletor pelo fator de amplificação de corrente B:
IB = IC / B
A corrente de base necessária, por sua vez, determina o resistor de base. A tensão URB cai sobre ele. Essa tensão corresponde à tensão de alimentação menos a tensão de difusão da junção base-emissor:
URB = UB – 0,7V
Se essa tensão for conhecida, o resistor de base pode ser calculado:
RB = URB / IB
O circuito Darlington
Tarefa 12
O circuito Darlington é uma conexão especial de dois transistores (veja a figura). A corrente da base e do coletor, que sai do transistor pelo emissor, é usada diretamente como corrente de base para o segundo transistor. Neste circuito, os fatores de amplificação de corrente dos dois transistores se multiplicam.
Btotal = BT1 x BT2
Os circuitos Darlington possuem fatores de amplificação de corrente muito altos. São alcançados fatores acima de 500.000.
Quando circuitos Darlington são necessários, hoje em dia utiliza-se diretamente transistores Darlington. Eles consistem em um circuito Darlington dentro de um invólucro de transistor.
MOSFET
transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor
Exercícios 13 a 15
Os MOSFETs substituíram transistores em muitas áreas. Especialmente na eletrônica digital e de potência, este componente é amplamente utilizado. Os MOSFETs podem ser produzidos de forma muito eficiente em quantidades enormes e integrados em circuitos complexos em um único pedaço de silício. Existem microprocessadores que consistem em mais de 50 bilhões de MOSFETs individuais.
Na eletrônica de potência, os MOSFETs comutam correntes enormes em tensões muito altas. O uso de interruptores mecânicos de potência não é mais necessário. Isso é possível graças às excelentes propriedades elétricas dos MOSFETs modernos.
Basicamente, o MOSFET é um componente semicondutor que se comporta como um resistor controlado por tensão. Ao contrário do transistor bipolar, não há corrente de controle. O MOSFET é controlado sem consumo de energia.
Um MOSFET consiste em um cristal semicondutor que pode ser fracamente dopado com n ou p. Existem tipos especiais que são baseados em um cristal não dopado.
Um MOSFET de canal n, como o usado nos experimentos, consiste em um silício dopado com p (substrato) no qual duas zonas n são inseridas (figura no canto superior esquerdo). As duas zonas estão conectadas aos terminais Drain e Source. Sobre a área entre as zonas, uma camada isolante é aplicada. Sobre a camada isolante está o eletrodo Gate. No substrato está o terminal Bulk, que internamente está conectado ao Source.
Quando uma tensão positiva é aplicada ao Gate (figura no canto inferior esquerdo), elétrons são atraídos pelo campo elétrico gerado. O Gate se comporta em relação ao substrato como um capacitor. Os elétrons acumulados formam um canal sob o eletrodo Gate, que se comporta como silício dopado com n. O canal conecta as duas zonas n e elimina as camadas de bloqueio. Uma corrente pode fluir. O canal em MOSFETs modernos tem uma resistência muito baixa (< 10="" mOhm).="" A="" potência="" dissipada,="" mesmo="" em="" correntes="" altas,="" pode="" ser="" mantida="" muito="" />
O fluxo de corrente entre Drain e Source é possível em ambas as direções. No entanto, os fabricantes otimizam os MOSFETs para o sentido de fluxo Drain – Source.
Por meio da conexão em paralelo de várias células MOSFET em um substrato, podem ser fabricados dispositivos que comutam correntes significativas (> 3000 amperes).
O MOSFET como interruptor
Tarefa 14 a 15
Os MOSFETs para eletrônica de potência devem ter uma resistência RDS(on) do canal entre o dreno e a fonte o mais baixa possível. Hoje em dia, são alcançados valores de alguns milliohms.
A corrente de carga ID flui através do resistor de carga e do canal entre o dreno e a fonte. O canal está em série com o resistor de carga RL. Na figura, a relação está representada em nosso circuito e como circuito equivalente. O objetivo é fazer com que RDS(on) seja significativamente menor que RL. Assim, garante-se que apenas uma pequena parte da tensão de alimentação caia no MOSFET. A potência convertida em calor no MOSFET permanece baixa. O componente não aquece tanto a ponto de ser destruído.
Existem parâmetros que descrevem as propriedades elétricas de um MOSFET. Eles são definidos pelo processo de fabricação. Todos os parâmetros podem ser encontrados nas folhas de dados dos fabricantes.
UBR - Tensão de ruptura do caminho dreno-fonte.
IDmax - Corrente máxima que pode fluir pelo caminho dreno-fonte.
RDS(on) - Resistência do caminho dreno-fonte no estado ligado.
UGSth - Tensão limiar a partir da qual o caminho dreno-fonte conduz.
Ptot - Potência máxima dissipada no semicondutor em forma de calor.
Os parâmetros mencionados são suficientes na eletrônica de potência para projetar circuitos com MOSFETs. A faixa em que um MOSFET pode operar é limitada pelos parâmetros.
Ele não pode …
… comutar uma tensão maior que UBR.
… permitir uma corrente maior que IDmax.
… dissipar uma potência maior que UDS x ID.
… permitir uma corrente maior que UDS / RDS(on).
Algumas características são publicadas pelos fabricantes na forma de curvas características. Uma dessas curvas é a curva de transferência ou curva de transmissão (figura no canto superior esquerdo). Ela indica qual é a influência da tensão do gate UGS na corrente do dreno ID. É típico que a tensão de limiar UT precise ser ultrapassada para que haja fluxo de corrente no dreno.
Utilizamos a curva para descobrir qual deve ser a tensão do gate para comutar de forma confiável a corrente desejada através da carga.
O MOSFET usado nos experimentos possui uma tensão de limiar particularmente baixa. Ele é destinado ao uso direto em circuitos lógicos, que operam com 3 a 5 volts.
Outra curva é a curva de saída (figura no canto inferior esquerdo). Ela informa sobre a dependência da corrente do dreno ID em relação à tensão dreno-fonte UDS para várias tensões do gate UGS.
No modo de comutação, a área à esquerda da linha azul é interessante. Nessa área, a resistência do caminho dreno-fonte é a mais favorável.
O estágio flip-flop bistável
Exercício 17
O estágio flip-flop bistável ou multivibrador bistável é um circuito eletrônico básico importante. Ele representa, em princípio, uma célula de armazenamento para um bit. Este circuito é encontrado em milhares de unidades em microprocessadores e é o circuito básico para chips de RAM dinâmico. O estágio flip-flop bistável também é chamado de Flip-Flop.
Hoje, os flip-flops bistáveis são construídos a partir de transistores individuais apenas em casos excepcionais. Existe uma grande variedade de circuitos integrados que contêm um ou vários desses circuitos.
Na tabela lógica a seguir, são mostradas as relações entre os sinais nas entradas e as duas saídas. Trata-se da forma mais simples de um estágio flip-flop bistável, o Flip-Flop RS. O nome deriva das duas entradas.
|
S |
R |
Q1 |
Q2 |
Observação |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
Setar (set) |
|
0 |
0 |
X |
X |
Último estado armazenado |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
Resetar (reset) |
|
1 |
1 |
0 |
0 |
Apenas enquanto o sinal estiver presente, não armazenável |
O Flip-Flop frequentemente possui duas saídas. A segunda saída é então negada. Isso significa que sempre há um sinal lógico oposto presente. A negação é indicada pelo pequeno círculo.
Quando uma das duas entradas é acionada com um sinal lógico, este é transmitido para a saída e armazenado. Se não houver sinais nas entradas depois, esse estado permanece. Apenas um sinal na entrada R pode redefinir a saída. Se ambas as entradas estiverem com sinais, ocorre um estado indesejado. Após a remoção dos sinais, a saída permanece setada ou resetada dependendo da ordem de desligamento.
O estágio monoestável
Exercício 18
O estágio monoestável ou multivibrador monoestável é um circuito eletrônico básico com um comportamento temporal. O comportamento temporal é representado pelo pulso retangular no diagrama do circuito (figura à esquerda). No diagrama do circuito, também é possível observar que a entrada não necessita de um nível de tensão, mas é acionada por um pulso de 0 para 1. Isso significa que a transição de 0 (sem tensão) para 1 (tensão presente) dispara a operação de comutação. A transição é chamada de borda. Falamos de uma entrada dinâmica. O triângulo no diagrama do circuito representa uma entrada dinâmica. O estágio monoestável também é chamado de Mono-Flop.
O Mono-Flop frequentemente possui duas saídas. A segunda saída é então negada. Isso significa que sempre há o sinal lógico oposto presente. A negação é indicada pelo pequeno círculo.
Quando a entrada é acionada com um sinal lógico, este é transmitido e armazenado na saída. Após um tempo predeterminado, a saída retorna automaticamente ao estado inicial.
O intervalo de tempo pode ser definido por um circuito RC. Um circuito RC é uma combinação de resistor (R) e capacitor (C). Através do resistor, um capacitor é carregado ou descarregado. Para esse processo, é necessário um intervalo de tempo que pode ser calculado pela seguinte fórmula.
t=ln(2)*R1*C1
O logaritmo ln(2) pode ser substituído pela constante 0,7.
Estágio multivibrador astável
Exercício 19
O estágio multivibrador astável, ou multivibrador astável, é um circuito eletrônico básico que alterna periodicamente entre dois estados de forma autônoma. Os tempos de comutação são determinados por 2 redes RC.
Não existe um símbolo específico para o estágio multivibrador astável. Ele é, em princípio, um gerador com uma frequência determinada. Como a tensão de saída oscila entre dois valores, ele se assemelha a um gerador de onda quadrada.
Para a passagem por um ciclo completo, é necessário um tempo T específico. Este é a soma dos tempos das duas redes RC. Se ambas as redes RC forem dimensionadas de forma idêntica, elas são construídas simetricamente. Então, a fórmula a seguir pode ser aplicada. A constante 2 indica que existem 2 redes RC idênticas.
T=2*ln(2)*R1*C1≈1,386*R1*C1
Na prática, raramente se informa a duração do período T. O mais importante é o número de pulsos emitidos por unidade de tempo. O número de pulsos por segundo é a frequência f. A unidade de medida da frequência é o hertz (Hz). A frequência pode ser calculada com a seguinte fórmula:
f=1/T
O Trigger de Schmitt
Exercício 20
O trigger de Schmitt é um circuito de comutação em que uma tensão de entrada é comparada com uma tensão definida no circuito. Uma característica especial do trigger de Schmitt é que a tensão de acionamento e a tensão de desligamento não são idênticas. A diferença é chamada de histerese de comutação ou simplesmente histerese.
A tensão de saída pode assumir quase a tensão de alimentação. O trigger de Schmitt é adequado para converter quaisquer tensões em níveis lógicos de saída bem definidos.
A comutação abrupta da tensão de saída é alcançada pelo resistor de emissor comum RE. Devido à queda de tensão que ocorre ali assim que T1 conduz por uma tensão de base, a tensão do emissor de T2 também é elevada. Ao mesmo tempo, a tensão da base de T2 diminui porque T1 está conduzindo. A tensão entre a base e o emissor de T2 diminui abruptamente, T2 bloqueia, o circuito comuta.
Especialmente a propriedade de fornecer níveis de saída claramente definidos torna o trigger de Schmitt um circuito muito utilizado. Todos os sinais que passam pelo mundo real estão sujeitos a influências perturbadoras. A transmissão de informações digitais via satélite ou longos cabos submarinos seria impossível se os triggers de Schmitt não garantissem a restauração dos sinais originais.
Essa capacidade está ilustrada na figura no canto inferior esquerdo. A diferença de tensão representada pelas duas linhas horizontais pretas é a histerese. A tensão de acionamento está sempre acima da tensão de desligamento.
O amplificador diferencial
Exercício 21
Um amplificador diferencial é um circuito amplificador com duas entradas. Amplifica-se a diferença de tensão entre as duas entradas. Amplificadores diferenciais são praticamente oferecidos apenas como circuitos completos na forma de circuitos integrados. De grande importância são os amplificadores operacionais. Eles também consistem, na configuração de entrada, de um amplificador diferencial. No entanto, este é ampliado por muitas outras etapas de transistores para alcançar as propriedades desejadas.
Amplificadores diferenciais têm grande importância como amplificadores operacionais e em metrologia.
Um amplificador diferencial simples consiste em dois amplificadores de transistor que são acoplados por meio de um resistor de emissor comum. O resistor de emissor deve permitir que uma corrente constante flua independentemente do acionamento dos transistores. Em circuitos industriais, chamadas fontes de corrente constante são integradas aos circuitos.
