Trabalho de eletrônica basica, Trabalhos de Tecnologia Industrial

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE ITAJUBÁ -

FEPI

JOSÉ LEANDRO BUENO

RELATÓRIO DE ELETRÔNICA BÁSICA

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Itajubá 2012

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Trabalho de eletrônica básica. Tecnologia de Automação Industrial. FEPI_Centro Universitário de Itajubá. Orientação: Prof. MARCO ANTÔNIO MENEZES.

Itajubá 2012

resumo

Os semicondutores servem como matérias básicas usadas para construir alguns componentes eletroeletrônicos muito importantes. Estes componentes eletroeletrônicos por sua vez são usados para construir circuitos eletrônicos e equipamentos. Os 3 (três) dispositivos semicondutores mais comumente usados são: Diodos, Transistores e Circuitos Integrados, contudo existem outros componentes especiais.

A principal função de um dispositivo semicondutor em equipamento eletroeletrônico é controlar é controlar correntes ou tensões, de tal modo a produzir um resultado final desejado. Os dispositivos semicondutores são pequenos e leves, consomem pouca potência e são muito eficientes e confiáveis.

Palavras-chave: Semicondutores, Diodos, Transistores,

Circuitos Integrados.

Figura 9 – Material Semicondutor Dopado com Impurezas Trivalentes

• (Gálio)..............................................................................................................
• Figura 10 – Condução em um Semicondutor Tipo “P”..............................
• Figura 11 – Barreira de Potencial.................................................................
• Figura 12 – Junção PN Polarizada Diretamente..........................................
• Figura 13 – Junção PN Polarizada Reversamente......................................
• Figura 14 – Simbologia do Diodo de Junção..............................................
• Figura 15 – Simbologia da Curva do Diodo Ideal.......................................
• Figura 16 – Curva do Diodo Real..................................................................
• Figura 17 – Retificador Monofásico de Meia Onda.....................................
• Figura 18 – Formas de Ondas das Tensões................................................
  • Central............................................................................................................. Figura 19 – Retificador Monofásico de Onda Completa com Tomada
• Figura 20 – Comportamento do Retificador................................................
• Figura 21 – Circuito Elétrico.........................................................................
• Figura 22 – Ondas das Tensões e Correntes no Circuito..........................
• Figura 23 – Filtros Capacitivos para Retificadores....................................
• Figura 24 – Curvas do Diodo Zener.............................................................
• Figura 25 – Características do Diodo Zener................................................
• Figura 26 – Curva Característica Típica (V-I) de um Diodo Zener.............
• Figura 27 – Curva de Decréscimo da Potência com a Temperatura.........
• Figura 28 – Equação de Limitações de Corrente de um Diodo Zener......
  • Temperatura................................................................................................... Figura 29 – Construção de um Diodo Zener com Compensação de
  • (zzt).................................................................................................................. Figura 30 – Métodos Básicos para Determinar a Impedância Zener
  • Figura 31 – (A) Diodo Zener Típico / (B) Símbolo Esquemático................
  • Figura 32 – Circuito Regulador Típico de Tensão com Diodo Zener........

INTRODUÇÃO.................................................................................

DEFINIÇÕES...................................................................................

2.1. ÁTOMOS

SEMICONDUTORES...............................................................

2.2. CRISTAIS

SEMICONDUTORES..............................................................

2.3. CONDUTORES NO GERMÂNIO E SILÍCIO

INTRÍNSECOS...................

2.4. CARACTERÍSTICAS DE BAIXA

TEMPERATURA.................................

2.5. CARACTERÍSTICAS DE ALTA

TEMPERATURA...................................

BURACOS.......................................................................................

CORRENTE.....................................................................................

2.8. CONDUÇÃO NO SEMICONDUTOR

DOPADO.......................................

2.9. SEMICONDUTORES TIPO

N...................................................................

2.10. SEMICONDUTORES DO TIPO

P.............................................................

3. JUNÇÃO

PN...................................................................................................

CENTRAL..................................................................................................

6.8. CIRCUITO

ELÉTRICO..................................................................................

FUNCIONAMENTO...................................................................................

6.10. COMPORTAMENTO DO

RETIFICADOR.....................................................

6.11. FORMAS DE ONDAS DAS TENSÕES NO

CIRCUITO................................

6.12. CIRCUITO

ELÉTRICO..................................................................................

FUNCIONAMENTO...................................................................................

6.14. FORMA DE ONDA DAS TENSÕES E CORRENTES NO

CIRCUITO.........

6.15. TENSÃO MÉDIA NA CARGA

(VMRL).........................................................

8. CORRENTE MÉDIA NA CARGA

(IMRL)......................................................

6.16. CORRENTE MÉDIA NOS DIODOS

(IMD)....................................................

6.17. FREQUÊNCIA DE ONDULAÇÃO DA TENSÃO NA CARGA

(FOND)........

6.18. TENSÃO REVERSA NOS DIODOS

(PIV)....................................................

9. FILTROS CAPACITIVOS PARA

RETIFICADORES.....................................

FUNCIONAMENTO...................................................................................

10. DIODO

ZENER..............................................................................................

6.20. CARACTERÍSTICAS DO DIODO

ZENER...........................................

6.21. CARACTERÍSTICAS V-I DE UM DIODO

ZENER...............................

6.22. TENSÃO

ZENER..................................................................................

6.23. DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA NOS DIODOS

ZENER.........................

6.24. CURVAS POTÊNCIA X TEMPERATURA DE DIODOS

ZENER.........

6.25. FATOR DE

DECRÉSCIMO..................................................................

6.26. LIMITAÇÕES DE CORRENTE DE UM DIODO

ZENER......................

6.27. EFEITOS DA TEMPERATURA NA TENSÃO

ZENER.........................

6.28. DIODO ZENER COM COMPENSAÇÃO DE

TEMPERATURA............

11. IMPEDÂNCIA DO DIODO

ZENER................................................................

6.29. EMCAPSULAMENTO DE DIODOS

ZENER........................................

6.30. REGULAÇÃO DE TENSÃO COM DIODO

ZENER..............................

introdução

O termo semicondutor é usado para descrever qualquer material que tenha as características entre isolantes e os condutores. Em outras palavras, um semicondutor não permite a passagem de corrente como um condutor, nem impede a passagem de corrente como um isolante. Alguns materiais semicondutores são elementos puros, que são encontrados na tabela periódica dos elementos enquanto outros semicondutores podem ser classificados como combinações.

DEFINIÇÕES

• ELEMENTO: um dos 104 (cento e quatro) materiais químicos que não

podem ser subdivididos em substâncias mais simples.

• ÁTOMO: menor porção de um elemento que ainda exibe todas as

características daquele elemento.

ÁTOMOS SEMICONDUTORES

Os átomos contem 3 (três) componentes básicos.

• PROTONS;
• ELETRONS;
• NÊUTRONS.

Os prótons e neutros estão localizados no núcleo do átomo, enquanto os elétrons giram em orbitas em volta do núcleo. O átomo de cada elemento particular tem um número especifico de prótons no seu núcleo e igual número de elétrons em órbita se o átomo é neutro (sem carga elétrica). Contudo, a maneira como os elétrons são arrojados em volta do núcleo é extremamente importante na determinação das características elétricas do elemento.

MATERI

AIS

SEMICOND

UTORES

QUE SÃO

ELEMENTO

GeSILÍCIOGERMÂSi NIO

Geralmente, cada elétron tem sua própria órbita, mas certas orbitas são agrupadas para produzir o que é referido como camada. Existe somente um máximo de 7 (sete) camadas. A primeira camada pode manter 2 (dois) elétrons, a segunda 8 (oito), a terceira o máximo de 18 (dezoito), a quarta o máximo de 32 (trinta e dois). O numero máximo de elétrons por camada é dado pela relação 2N², em que N é a camada. N = 1 significa 1ª camada, a mais próxima do núcleo. A camada mais externa de um átomo particular é chamada de Camada de Valência e seus elétrons são chamados Elétrons de Valência. A figura 1 mostra a distribuição de prótons e elétrons em 3 (três) átomos diferentes.

Figura 1: Diagrama típico de Átomos

Note que o hidrogênio tem somente uma camada, enquanto o átomo de carbono tem duas camadas e o átomo de cobre tem quatro camadas. Note também que algumas camadas têm menos que o numero máximo permitido de elétrons. Em um átomo, a camada externa (de valência) nunca pode manter mais de 8 (oito) elétrons. Quando na camada de valência existem 8 (oito) elétrons, o átomo é considerado como completamente estável e não cede ou aceita elétrons facilmente. Como exemplo de elementos cujos átomos tem 8 (oito) elétrons da valência tem-se:

• ARGÔNIO;
• (^) NEÔNIO;

• KRIPTÔNIO.

Estes elementos são classificados como gases inertes e resistem a qualquer tipo de atividade química ou elétrica. Quando o átomo tem 5 (cinco) ou mais elétrons na sua camada de valência, tem a tendência a completar sua camada de valência para 8 (oito) elétrons, de modo a alcançar a condição estável. Elementos deste tipo são isolantes, pois os átomos individuais tendem a adquirir elétrons e não cedê-los. Portanto, o movimento de elétrons livres de um átomo para o próximo é inibido. Quando o átomo tem menos de 4 (quatro) elétrons na sua camada de valência tende a ceder estes elétrons facilmente. Elementos deste tipo são bons condutores, pois contém um grande número de elétrons livres móveis. Quando o átomo contem exatamente 4 (quatro) elétrons na sua camada de valência, ele não cede, nem aceita elétrons facilmente. Elementos que contém átomos deste tipo não são bons isolantes, nem bons condutores e, portanto são denominados semicondutores. O elemento carbono é um exemplo típico de um material semicondutor. Observe que o

José Leandro Bueno_ TECNOLOGO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 59

elétrons. O resultado final é uma estrutura que tem a aparência entrelaçada e frequentemente referida como estrutura cristalina.

Figura 4: Diagrama Simplificado da Estrutura cristalina de Germânio

1. CONDUTORES NO GERMÂNIO E SILÍCIO INTRÍNSECOS

Devido à estrutura cristalina de um material semicondutor puro

como o germânio ou silício, cada núcleo dentro do material vê 8

(oito) elétrons de valência, embora cada átomo somente contenha

4 (quatro) elétrons de valência. Portanto, cada átomo tende a ser

estável e não cede ou aceita facilmente elétrons. Contudo, isto não

significa que um semicondutor puro deva, sob todas as condições,

resistir a qualquer tipo de atividade elétrica, do mesmo modo que

um gás inerte, por exemplo, o neônio.

A razão para isto é que outro fator deve ser considerado. Este fator

é a temperatura. As características elétricas dos materiais semicondutores são

altamente dependentes da temperatura.

2. CARACTERÍSTICAS DE BAIXA TEMPERATURA

Em temperatura extremamente baixa, os elétrons de valência são

mantidos firmemente presos aos seus átomos vizinhos, que estão

nas ligações covalentes, e não é possível escapar através da

estrutura cristalina. Deste modo, o material não pode suportar

corrente elétrica. Portanto, em temperaturas baixas, os cristais de

germânio e silício puros funcionam como isolantes.

José Leandro Bueno_ TECNOLOGO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 59

3. CARACTERÍSTICAS DE ALTA TEMPERATURA

Se a temperatura de um material semicondutor for aumentada, os

elétrons de valência dentro do material se agitam e alguns deles

ocasionalmente quebram as ligações covalentes. Portanto, um

pequeno número de elétrons estará livre para migrar de um átomo

para outro, de maneira aleatória. Estes elétrons livres possibilitam

uma pequena corrente elétrica se uma tensão for aplicada ao

material semicondutor.

Em outras palavras, quando a temperatura de um material

semicondutor aumenta, o material começa a adquirir as

características de um condutor. Para todas as finalidades práticas,

a temperatura ambiente é suficiente para produzir os elétrons livres,

que possibilitam uma pequena corrente elétrica na presença de

uma tensão aplicada.

4. BURACOS

Quando um elétron quebra uma ligação covalente, um espaço

aberto ou vago existe na ligação. O espaço que era anteriormente

ocupado por um elétron é referido como um buraco.

Um buraco simplesmente representa a ausência de um elétron. Desde que o elétron tenha uma carga negativa, o buraco a ausência de uma carga negativa. Isto significa que o buraco tem as características de uma partícula carregada positivamente. Cada vez que o elétron quebra a ligação covalente é criado um buraco. Cada elétron e seu correspondente buraco são referidos como Par Elétron – Buraco. A figura 5 mostra um par típico elétron-buraco.

Figura 5: Par Elétron – Buraco em um Material Semicondutor

A diferença entre a corrente em um semicondutor e em um condutor é que no semicondutor existe movimento de elétrons e buracos, e no condutor existe somente movimento de elétrons.

6. CONDUÇÃO NO SEMICONDUTOR DOPADO

Os materiais semicondutores puros conduzem pouca corrente à

temperatura ambiente. A condutividade destes materiais pode ser

aumentada, consideravelmente, através de um processo conhecido

como Dopagem.

Os materiais semicondutores puros tais como o silício e o germânio podem ser dopados acrescentando-se outros materiais chamados de impurezas , que são adicionados aos cristais de germânio e silício. Um tipo de impureza é referido como um material pentavalente , pois é composto de átomos que tem 5 (cinco) elétrons de valência. O segundo tipo de impureza é referido como material trivalente, pois cada um de seus átomos têm 3 (três) elétrons de valência.

7. SEMICONDUTORES TIPO N

Quando um material semicondutor puro é dopado pentavalente, tal

como o arsênio (As), alguns dos átomos na estrutura cristalina do

semicondutor tetravalente são substituídos por átomo de arsênico.

Como resultado, a estrutura cristalina do semicondutor fica como

mostrada na figura 7.

Figura 7: Material Semicondutor Dopado com Impureza Pentavalente (Arsênico)

A figura 7 mostra que um átomo de arsênico substitui na estrutura cristalina um dos átomos do semicondutor e participa 4 (quatro) de seus elétrons de valência com átomos adjacentes

em ligações covalentes. Contudo, o 5º (quinto) elétron não participa de ligação covalente e pode ser facilmente liberado do átomo. Este átomo de arsênico é chamado doador , pois fornece um elétron livre para a estrutura cristalina. Na realidade, existe um grande número de átomos doadores na estrutura cristalina. Consequentemente existem muitos elétrons livres no semicondutor. Se uma tensão for aplicada a um semicondutor tipo “N”, como mostrado na figura 8, os elétrons livres serão encaminhados para o pólo positivo da bateria. Contudo, outros elétrons livres produzidos pela quebra das ligações covalentes, para criar os pares elétrons-buraco idêntico à ação que ocorre num material semicondutor puro também se encaminham para o pólo positivo da bateria. Os correspondentes buracos produzidos se movem no sentido do terminal negativo.

Figura 8: Condução em um Semicondutor Tipo “N”

Na temperatura ambiente, o número de elétrons livres fornecidos pelos átomos doadores é muito maior que o número de elétrons livres e buracos, que são produzidos pela quebra das ligações covalentes. Isto significa que em um semicondutor do tipo “N” o número de elétrons se deslocando é muito maior que o número de buracos****. Os elétrons sendo a maioria são referidos como portadores majoritários , enquanto que os buracos, como minoria, são referidos como portadores minoritários****.

8. SEMICONDUTORES DO TIPO P

Dopando-se um material semicondutor puro com um elemento

trivalente como o gálio (Ga), faz com que alguns átomos do

semicondutor tetravalente sejam deslocados pelos átomos

trivalentes do gálio, como mostrado na figura 9.

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