Implementar circuitos com semicondutores

Há um pacote premium desta unidade: um PowerPoint editável de 100 ou mais diapositivos, um manual em PDF e dois testes com correção. Esta sebenta continua gratuita.

Apresentação

UC01995 (25h) do curso Técnico de Sistemas de Computação e Redes. Esta sebenta ensina a dimensionar circuitos com díodos, a dimensionar uma fonte de alimentação de corrente contínua regulada e a analisar o funcionamento de circuitos em breadboard. Parte da física do material semicondutor, passa pelo díodo e pelas suas aplicações (retificação, filtragem, limitação, regulação), e termina na montagem e na análise em breadboard, com as regras de segurança e de proteção ambiental. Os transístores não fazem parte desta unidade: estudam-se noutra unidade curricular.

Como usar esta sebenta. Cada capítulo tem explicação, tabelas de consulta e exemplos resolvidos passo a passo. Refaz as contas antes de leres a solução e confirma o resultado em simulação e na bancada. Os valores de componentes (1N4007, 1N5819, BZX55C5V1, 7812…) são de datasheet; ao projetares, consulta sempre a do fabricante do componente que tens na mão.

Mapa do referencial

Os três critérios de desempenho da UC acompanham todos os capítulos: adequar os componentes e as configurações à função do circuito, respeitar as técnicas e os procedimentos definidos e verificar, em simulação, o funcionamento face às especificações. Por isso, cada projeto termina com uma verificação (simulada ou medida) dos valores calculados.

Convenções usadas

• Vp = Vrms × √2. As resistências escolhem-se na série E24 e os condensadores na série E6 (1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8).
• A queda de tensão de um díodo de silício em condução é tomada como 0,7 V nos exemplos, salvo indicação em contrário. Em condução forte, a datasheet pode indicar valores mais altos (o 1N4007 chega a 1,1 V no limite de 1 A).

1. Materiais condutores, isolantes e semicondutores

1.1 Classificação pela resistividade

A capacidade de um material conduzir corrente elétrica mede-se pela sua resistividade (ρ, em Ω·m): quanto menor, melhor conduz. Para o estudo da eletrónica interessam três famílias.

1.2 Bandas de energia

Num átomo isolado, os eletrões ocupam níveis de energia discretos. Num cristal, os níveis juntam-se em bandas: a banda de valência (eletrões presos às ligações) e a banda de condução (eletrões livres para conduzir), separadas por uma zona proibida, o hiato de energia (Eg, em eV).

• No condutor as bandas sobrepõem-se; no isolante o hiato é de vários eV e nenhum eletrão o transpõe à temperatura ambiente.
• No semicondutor, o hiato é moderado: a agitação térmica, a luz ou a dopagem fazem alguns eletrões saltar para a banda de condução.

1.3 Silício e germânio

O silício domina por ser abundante (a areia é SiO₂), por formar um óxido isolante estável sobre a própria superfície (essencial nos circuitos integrados) e por ter fuga baixa. O germânio, com hiato menor, conduz a tensões mais baixas, mas é demasiado sensível ao calor. O valor de ni do silício varia ligeiramente com a fonte (valores de manual entre 0,96 e 1,5 × 10¹⁰ cm⁻³); nesta sebenta usa-se ni = 1,0 × 10¹⁰ cm⁻³.

1.4 Pares eletrão-lacuna e temperatura

A 0 K todas as ligações covalentes estão completas e o cristal puro é um isolante perfeito. Acima de 0 K, a agitação térmica quebra algumas ligações:

• Eletrão livre (e⁻): carga negativa, move-se contra o campo elétrico.
• Lacuna (h⁺): a ausência de um eletrão numa ligação. Comporta-se como carga positiva e move-se no sentido do campo, porque os eletrões vizinhos vão sucessivamente ocupando o lugar vazio.

No cristal puro (semicondutor intrínseco) há tantos eletrões livres como lacunas (n = p = ni). Como ni cresce depressa com a temperatura, a resistência de um semicondutor diminui quando aquece, o oposto de um metal. É por isso que a corrente de fuga de um díodo cresce com a temperatura. Como regra empírica aproximada, a corrente de fuga inversa de um díodo de silício duplica a cada 5 a 10 °C de aumento de temperatura; o valor exato depende do material e do díodo, e confirma-se na datasheet.

2. Dopagem e portadores de carga

2.1 Porque se dopa

No cristal puro há apenas cerca de um portador por cada 5 × 10¹² átomos, o que dá uma condutividade quase nula e instável com a temperatura. A dopagem introduz, de forma controlada (10¹⁵ a 10¹⁸ átomos por cm³), átomos de outro elemento para fixar o tipo e a concentração dos portadores.

2.2 Material tipo N

Adiciona-se um átomo pentavalente (fósforo P, arsénio As, antimónio Sb), com 5 eletrões de valência:

• 4 eletrões ligam-se aos 4 vizinhos de silício;
• o 5.º eletrão fica fracamente ligado e liberta-se com muito pouca energia, tornando-se eletrão livre;
• o átomo dopante, chamado dador, fica com carga positiva fixa na rede (ião);
• portadores maioritários: eletrões; minoritários: lacunas;
• o cristal continua eletricamente neutro.

2.3 Material tipo P

Adiciona-se um átomo trivalente (boro B, alumínio Al, gálio Ga, índio In), com 3 eletrões de valência:

• só se formam 3 ligações; falta um eletrão na quarta, o que cria uma lacuna;
• o átomo dopante, chamado aceitador, captura facilmente um eletrão vizinho e fica com carga negativa fixa;
• portadores maioritários: lacunas; minoritários: eletrões;
• o cristal continua eletricamente neutro.

2.4 Lei da ação das massas

Em equilíbrio térmico, o produto das concentrações é constante para um dado material e temperatura:

$$n \cdot p = n_i^2$$

Quando se aumenta a concentração de um tipo de portador por dopagem, a do outro diminui na mesma proporção, porque as recombinações aumentam.

Exemplo resolvido · concentrações num cristal tipo N

Um cristal de silício é dopado com fósforo, Nd = 10¹⁶ cm⁻³. Qual é a concentração de lacunas a 300 K (ni = 1,0 × 10¹⁰ cm⁻³)?

1. À temperatura ambiente todos os dadores estão ionizados, logo n ≈ Nd = 10¹⁶ cm⁻³.
2. p = ni² / n = (10¹⁰)² / 10¹⁶ = 10²⁰ / 10¹⁶ = 10⁴ cm⁻³.
3. Razão entre maioritários e minoritários: 10¹⁶ / 10⁴ = 10¹².
4. Conclusão: os eletrões superam as lacunas num fator de um bilião (10¹²); a corrente neste material é, na prática, só de eletrões. Com Nd = 10¹⁷ cm⁻³ obtinha-se p = 10³ cm⁻³ e com Nd = 10¹⁵ cm⁻³, p = 10⁵ cm⁻³.

3. Junção PN e polarização

3.1 Formação da junção e camada de depleção

Quando se une um cristal P a um cristal N formam-se, por esta ordem:

1. Difusão: os eletrões do lado N, que são muitos, espalham-se para o lado P, onde são poucos; as lacunas fazem o inverso.
2. Recombinação: os portadores que atravessam a fronteira recombinam-se com os do outro tipo.
3. Zona de depleção (ou zona de carga espacial): junto à fronteira ficam apenas os iões fixos, positivos no lado N e negativos no lado P, sem portadores livres.
4. Campo elétrico interno: dirigido de N para P, criado pelos iões fixos, que se opõe à difusão de mais portadores.
5. Equilíbrio: a difusão e o campo equilibram-se e a corrente total é nula. A diferença de potencial que se estabelece através da zona de depleção é o potencial de barreira, Vbi.

$$V_{bi} = V_T \cdot \ln!\left(\frac{N_a N_d}{n_i^2}\right) \qquad V_T = \frac{kT}{q} \approx 26\text{ mV a }300\text{ K}$$

Exemplo resolvido · potencial de barreira de uma junção de silício

Uma junção tem Na = 10¹⁶ cm⁻³ no lado P e Nd = 10¹⁶ cm⁻³ no lado N (ni = 1,0 × 10¹⁰ cm⁻³, VT = 25,85 mV).

1. Na·Nd / ni² = 10³² / 10²⁰ = 10¹².
2. ln(10¹²) = 12 × 2,3026 = 27,63.
3. Vbi = 0,02585 × 27,63 = 0,71 V.
4. Variações: com Na = 10¹⁷ e Nd = 10¹⁶, Vbi = 0,77 V; com 10¹⁵ e 10¹⁵, Vbi = 0,60 V. Daí a gama "0,6 a 0,7 V" usada na prática para o silício: depende da dopagem. Para o germânio, com ni muito maior, o mesmo cálculo dá valores de 0,2 a 0,3 V.

3.2 Polarização direta

Ligando o terminal positivo da fonte ao lado P e o negativo ao lado N, a tensão externa opõe-se ao potencial de barreira:

• a zona de depleção estreita-se;
• quando a tensão externa se aproxima de Vbi, a barreira praticamente desaparece e os portadores maioritários atravessam a junção em grande número;
• a corrente cresce de forma exponencial com a tensão e, por isso, é preciso limitá-la com um elemento externo (uma resistência).

3.3 Polarização inversa

Com o positivo no lado N e o negativo no lado P, a tensão externa soma-se ao potencial de barreira:

• a zona de depleção alarga-se;
• só circula uma corrente muito pequena, a corrente de fuga inversa (nA a µA), devida aos minoritários, quase independente da tensão aplicada;
• ao aumentar a tensão inversa chega-se à ruptura, tratada no capítulo 4.

3.4 Capacidade da junção

A zona de depleção, entre duas regiões condutoras, comporta-se como um condensador, a capacidade de junção: diminui em inversa (princípio do varicap) e limita a velocidade do díodo (4 pF no 1N4148, 15 pF típicos no 1N4007, segundo as datasheets).

4. O díodo: curva I-V, modelos e circuito equivalente

4.1 Díodo ideal e díodo real

A equação de Shockley descreve o díodo real:

$$I_D = I_S \left(e^{V_D / (n V_T)} - 1\right)$$

com IS a corrente de saturação inversa (10⁻¹⁴ a 10⁻⁹ A, consoante o díodo), n o fator de idealidade (1 a 2) e VT = kT/q ≈ 26 mV a 25 °C.

4.2 Curva característica I-V

• Região direta: abaixo de ≈ 0,6 V a corrente é desprezável; depois sobe depressa. Com n = 1, cada aumento de 60 mV na tensão multiplica a corrente por 10 (VT·ln 10 = 59,5 mV).
• Região inversa: corrente de fuga ≈ −IS, que cresce com a temperatura.
• Ruptura: avalanche (portadores acelerados pelo campo criam novos pares por colisão) ou efeito Zener (túnel quântico, a tensões baixas, abaixo de cerca de 5 a 6 V). A potência dissipada limita a corrente; sem resistência externa o díodo destrói-se.
• Efeito da temperatura: para uma corrente constante, VD diminui cerca de 2 mV por °C (regra de manual). Um díodo que aquece 50 °C precisa de menos cerca de 100 mV para conduzir a mesma corrente.

4.3 Os três modelos de cálculo

O circuito equivalente do díodo real em condução é então uma fonte Vγ (≈ 0,65 V) em série com a resistência dinâmica rd = n·VT / ID. Em corte, é um circuito aberto em paralelo com uma pequena capacidade de junção.

Exemplo resolvido · corrente num díodo com três modelos

Uma fonte de 5 V alimenta um díodo de silício em série com R = 470 Ω. Calcula a corrente com os três modelos e compara com a equação de Shockley (IS = 10⁻¹⁴ A, n = 1).

1. Ideal: I = 5 / 470 = 10,64 mA.
2. Queda constante: I = (5 − 0,7) / 470 = 9,15 mA.
3. Shockley, por iteração: partindo de VD = 0,7 V, I = 9,15 mA; VD = VT·ln(I/IS + 1) = 0,02585 × ln(9,15 × 10⁻³ / 10⁻¹⁴) = 0,712 V; I = (5 − 0,712)/470 = 9,12 mA; VD volta a dar 0,712 V. Convergiu: VD = 0,712 V, I = 9,12 mA.
4. Resistência dinâmica: rd = VT / I = 25,85 mV / 9,12 mA ≈ 2,8 Ω, desprezável perante os 470 Ω.
5. Conclusão: o modelo de queda constante dá um erro de 0,3 % relativamente ao cálculo exato; o ideal erra 17 %. Em circuitos de 5 V, o modelo de 0,7 V é suficiente.

5. Famílias de díodos e seleção

5.1 Parâmetros que se leem na datasheet

Valores de datasheet para díodos de uso corrente:

(Fonte: datasheets Vishay dos 1N4001 a 1N4007, 1N4148 e 1N5817 a 1N5819. Outros fabricantes publicam valores ligeiramente diferentes, nomeadamente a corrente de surto.)

5.2 Díodo retificador e díodo de sinal

O retificador (série 1N400x) é feito para correntes de ampere e 50/60 Hz; o díodo de sinal (1N4148) conduz pouco, mas comuta em nanosegundos (trr de 4 ns na datasheet Vishay do 1N4148). Usar um 1N4148 numa fonte de 500 mA excede-lhe a corrente máxima e queima-o.

5.3 Díodo Schottky

Junção metal-semicondutor, sem acumulação de minoritários:

• queda direta baixa: 0,45 a 0,60 V a 1 A nos 1N5817 a 1N5819;
• comutação muito rápida;
• tensão inversa máxima baixa (40 V no 1N5819) e corrente de fuga inversa maior do que a de um díodo de silício comum, que cresce depressa com a temperatura;
• aplicações: retificação de alta frequência, fontes comutadas, díodo de roda livre, proteção contra inversão de polaridade com perda reduzida.

Exemplo resolvido · perdas num díodo de proteção contra inversão de polaridade

Um equipamento de 12 V consome 1 A. Compara o díodo em série 1N4007 com um 1N5819 (valores máximos de datasheet a 1 A).

1. 1N4007: P = VF × I = 1,1 × 1 = 1,1 W (máximo); tensão que chega ao equipamento: 12 − 1,1 = 10,9 V.
2. 1N5819: P = 0,60 × 1 = 0,60 W (máximo); tensão no equipamento: 11,4 V.
3. Poupança de pelo menos 0,5 W e mais 0,5 V disponíveis.
4. O 1N5819 tem VRRM = 40 V, suficiente para uma bateria de 12 V; numa instalação sujeita a picos de carga (automóvel), seria necessário um díodo de maior tensão ou um supressor de transitórios.

Exemplo resolvido · retificador de saída de uma fonte de 5 V e 2 A

Compara um Schottky com um díodo de silício rápido como retificador de saída. Para este exemplo, VF = 0,50 V no Schottky e 0,90 V no díodo de silício, ambos a 2 A (valores de exemplo; leem-se na datasheet do díodo escolhido).

1. Potência no díodo: P = VF × I = 0,50 × 2 = 1,0 W (Schottky) e 0,90 × 2 = 1,8 W (silício).
2. Potência entregue à carga: 5 × 2 = 10 W.
3. Rendimento do andar do díodo: 10/(10 + 1,0) = 91 % contra 10/(10 + 1,8) = 85 %.
4. O Schottky poupa 0,8 W de calor, desde que a sua tensão inversa máxima exceda, com margem, a tensão real a que fica sujeito.

5.4 Díodo Zener e supressor de transitórios (TVS)

O Zener funciona em ruptura controlada e é a base da regulação do capítulo 10. O TVS é um Zener otimizado para absorver picos curtos de energia (descargas eletrostáticas, picos na linha), colocado em paralelo com a entrada que protege.

5.5 Fotodíodo

Opera em polarização inversa (modo fotocondutivo, mais rápido) ou sem polarização (modo fotovoltaico, menos ruído). Os fotões geram pares eletrão-lacuna na zona de depleção e a corrente é proporcional à luz: I ≈ R × Φ (R = responsividade, em A/W). Sem luz, resta apenas a corrente de escuro, da ordem dos nanoamperes. A responsividade depende do comprimento de onda da luz. A capacidade de junção pequena em inversa dá uma resposta rápida. Usa-se em fibra ótica, sensores de luz, comandos e leitores de código de barras.

Exemplo resolvido · fotodíodo como sensor de luz

Fotodíodo em modo fotocondutivo, alimentado a 5 V em inversa, com uma resistência de 10 kΩ em série. Responsividade de exemplo R = 0,5 A/W e potência ótica Φ = 200 µW.

1. Corrente: I = R × Φ = 0,5 × 200 × 10⁻⁶ = 100 µA.
2. A saída é a tensão na resistência: 100 µA × 10 kΩ = 1,0 V; ao díodo restam 4,0 V, pelo que continua em inversa.
3. A saída satura quando I × R chega a 5 V, isto é, para Φ = 5/(10 000 × 0,5) = 1 mW.

5.6 Varicap e díodo de túnel

• Varicap (varactor): em inversa, a zona de depleção alarga com a tensão e a capacidade diminui. Comporta-se como um condensador variável controlado por tensão (alguns pF a dezenas de pF): sintonia de rádio, osciladores controlados por tensão (VCO).
• Díodo de túnel (Esaki): dopagem muito elevada, apresenta uma zona de resistência negativa na curva I-V: depois do pico de corrente (Ip), a corrente diminui quando a tensão aumenta, até ao vale (Iv). Comuta extremamente depressa, usado em osciladores de altíssima frequência; hoje pouco comum.

A capacidade de um varicap segue aproximadamente C(V) = C0 / (1 + V/Vbi)^m, com m entre 1/3 e 1/2 consoante o perfil de dopagem; na prática lê-se a curva C-V da datasheet.

Exemplo resolvido · sintonizar um circuito LC com um varicap

Circuito ressonante com L = 100 µH e um varicap com C0 = 60 pF, m = 0,5 e Vbi = 0,7 V (valores de exemplo).

1. A 1 V: C = 60/(1 + 1/0,7)^0,5 = 38,5 pF; a 4 V: 23,2 pF; a 10 V: 15,3 pF.
2. Frequência de ressonância f = 1/(2π√(LC)): 2,56 MHz a 1 V, 3,31 MHz a 4 V e 4,06 MHz a 10 V (sem contar com as capacidades parasitas).
3. A tensão de controlo aplica-se através de uma resistência grande, para não carregar o circuito ressonante.

Exemplo resolvido · resistência negativa do díodo de túnel

Uma curva de exemplo tem o pico em 0,10 V e 5 mA e o vale em 0,35 V e 0,5 mA.

1. Razão pico/vale: Ip/Iv = 5/0,5 = 10.
2. Resistência diferencial média entre o pico e o vale: ΔV/ΔI = 0,25/(0,5 − 5) mA = −55,6 Ω.

Exemplo resolvido · selecionar o díodo de uma fonte

Uma fonte alimentada por um secundário de 12 V rms fornece 600 mA a uma carga, com ponte de Graetz e condensador. Que díodo escolher?

1. Tensão de pico do secundário: 12 × √2 = 16,97 V. Numa ponte, cada díodo bloqueado suporta o pico do secundário (≈ 17 V). Com margem de 2×, PIV ≥ 34 V.
2. Corrente média por díodo: cada par conduz um semi-ciclo cada, logo IF(AV) por díodo ≈ 600/2 = 300 mA. Com margem de 2×: ≥ 600 mA.
3. Corrente de surto: no instante de ligar, o condensador descarregado puxa um pico; o 1N4007 suporta 30 A (Vishay), com folga.
4. Escolha: 1N4007 (1000 V, 1 A). O 1N4148 (150 mA) fica excluído; o Schottky 1N5819 (40 V) serviria em tensão (34 V), mas com pouca margem se a rede subir 10 %.

6. LED e resistência de limitação

6.1 Princípio

O LED é um díodo de hiato direto (GaAs, GaAsP, GaP, InGaN). Em polarização direta, eletrões e lacunas recombinam-se na junção e libertam a energia sob a forma de fotões. A cor depende do hiato do material, e por isso também a tensão direta.

Os valores de Vf são indicativos: variam com o fabricante, com o lote e com a corrente. A corrente típica de um LED de sinalização é de 10 a 20 mA (de 350 mA a 1 A nos LED de potência), mas muitos LED modernos já ficam bem visíveis com 2 a 5 mA.

6.2 Resistência de limitação

O LED não limita a corrente: acima de Vf, um pequeno aumento de tensão dá um grande aumento de corrente. Liga-se sempre uma resistência em série:

$$R = \frac{V_{cc} - V_F}{I_{LED}} \qquad P_R = I_{LED}^2 \cdot R$$

Passos: (1) escolher a corrente; (2) calcular R; (3) arredondar para cima na série E24 (corrente ligeiramente menor, mais segura); (4) recalcular a corrente real e a potência.

Exemplo resolvido · LED vermelho a 5 V

LED vermelho (Vf = 2,0 V) a 10 mA, alimentado a 5 V.

1. R = (5 − 2,0) / 0,010 = 300 Ω, que existe na série E24.
2. Corrente real = 3 / 300 = 10 mA.
3. PR = 0,010² × 300 = 30 mW, bem abaixo de 1/4 W.
4. Potência total: 5 × 0,010 = 50 mW, dos quais só 20 mW (40 %) vão para o LED.

Exemplo resolvido · LED azul a 3,3 V, a margem pequena

LED azul (Vf indicativa 3,0 V) a 3,3 V, 10 mA.

1. R = (3,3 − 3,0) / 0,010 = 30 Ω.
2. Mas Vf varia de unidade para unidade, digamos de 2,8 V a 3,2 V. Com R = 30 Ω: 2,8 V dá 16,7 mA; 3,2 V dá 3,3 mA. A corrente varia 5 vezes.
3. Conclusão: quando a alimentação está muito próxima de Vf, a resistência de limitação perde eficácia. Alimenta-se com uma tensão mais alta (5 V) ou usa-se uma fonte de corrente constante.

6.3 Erros típicos com LED

• LED em paralelo com uma só resistência: o que tem Vf mais baixa fica com mais corrente e queima; usa-se uma resistência por LED.

7. Retificação de meia onda e de onda completa

A retificação converte tensão alternada em tensão unidirecional. A saída ainda não é contínua pura (pulsa), e só depois da filtragem e da regulação se obtém corrente contínua utilizável.

7.1 Retificador de meia onda

Um único díodo em série com a carga: conduz no semi-ciclo positivo e bloqueia no negativo.

$$V_{out(pico)} = V_{s(pico)} - 0{,}7\text{ V} \qquad V_{out(médio)} = \frac{V_{out(pico)}}{\pi} \approx 0{,}318 \cdot V_{out(pico)}$$

• Frequência de ripple = frequência da rede = 50 Hz.
• Fator de ripple ideal r = Vrms(AC) / VDC ≈ 1,21; rendimento de retificação η ≈ 40,6 %.
• PIV do díodo, sem condensador: Vs(pico). Com condensador de filtro: cerca de 2 × Vs(pico), porque o condensador mantém o cátodo no pico enquanto o ânodo desce ao pico negativo.
• Desvantagem: aproveita metade do ciclo e exige o dobro da capacidade de filtro. Uso: cargas pequenas (carregadores de baixa potência, circuitos auxiliares).

7.2 Onda completa com ponto médio

Secundário com ponto médio e 2 díodos, um por metade, em semi-ciclos alternados. A queda é a de um só díodo, mas cada díodo suporta 2 × Vs(pico por metade) em inversa e o transformador é mais caro.

7.3 Onda completa em ponte de Graetz

Quatro díodos em ponte, ligados diretamente ao secundário. Em cada semi-ciclo conduzem dois (D1 e D2 num, D3 e D4 no outro):

$$V_{out(pico)} = V_{s(pico)} - 1{,}4\text{ V} \qquad V_{out(médio)} = \frac{2 \cdot V_{out(pico)}}{\pi} \approx 0{,}636 \cdot V_{out(pico)}$$

• Frequência de ripple = 2 × 50 = 100 Hz; r ≈ 0,48; η ≈ 81 %.
• PIV = Vs(pico) por díodo. Não precisa de ponto médio.
• A corrente passa por dois díodos, logo a queda e as perdas são o dobro do ponto médio.

Exemplo resolvido · meia onda e ponte com o mesmo transformador

Um transformador de 9 V rms (secundário) alimenta uma resistência de carga de 100 Ω, primeiro com um díodo e depois com uma ponte (queda de 0,7 V por díodo, sem filtro).

1. Pico do secundário: 9 × √2 = 12,73 V.
2. Meia onda: pico de saída 12,73 − 0,7 = 12,03 V; média = 12,03/π = 3,83 V; valor eficaz de saída = 12,03/2 = 6,01 V; corrente média = 3,83/100 = 38,3 mA.
3. Ponte: pico 12,73 − 1,4 = 11,33 V; média = 2 × 11,33/π = 7,21 V; valor eficaz = 11,33/√2 = 8,01 V; corrente média = 72,1 mA.
4. A ponte entrega praticamente o dobro da tensão e da corrente médias, apesar do pico ser inferior em 0,7 V.
5. Componente alternada (ripple eficaz): meia onda √(6,01² − 3,83²) = 4,64 V; ponte √(8,01² − 7,21²) = 3,49 V. Razões: 4,64/3,83 = 1,21 e 3,49/7,21 = 0,48, os fatores de ripple teóricos.
6. PIV: 12,73 V em cada díodo da ponte; um 1N4007 (1000 V) tem enorme margem.

7.4 Escolher a tensão do secundário

A rede de 230 V pode variar, e os projetos usam como margem ±10 %. O projeto faz-se para o pior caso (rede −10 %), e verifica-se o pior caso para o aquecimento (rede +10 %). Exemplos para um secundário de 9 V rms:

8. Filtragem capacitiva

8.1 Princípio

Um condensador em paralelo com a carga carrega-se até ao pico quando a tensão retificada o excede e descarrega-se na carga entre picos. O resultado é uma tensão quase constante com uma pequena ondulação em dente de serra, o ripple.

Aproximação linear (descarga a corrente constante durante todo o período):

$$V_{r(pp)} = \frac{I_{carga}}{f_{ripple} \cdot C} \qquad V_{DC} \approx V_{pico} - \frac{V_{r}}{2} \qquad C = \frac{I_{carga}}{f_{ripple} \cdot V_{r}}$$

com f_ripple = 100 Hz (onda completa) ou 50 Hz (meia onda). A fórmula é conservadora: dá um ripple ligeiramente superior ao real, porque o condensador também carrega durante parte do ciclo.

8.2 Efeito do valor de C

Regra empírica útil: 1000 a 2200 µF por ampère de carga dá um ripple aceitável antes de um regulador.

Exemplo resolvido · filtrar a saída de uma ponte

Ponte com transformador de 9 V rms, carga de 200 mA e C = 2200 µF.

1. Pico à saída da ponte: 12,73 − 1,4 = 11,33 V.
2. Ripple: Vr = 0,200 / (100 × 0,0022) = 0,91 V pico-a-pico.
3. Tensão média: VDC = 11,33 − 0,91/2 = 10,87 V.
4. Pior caso (rede −10 %): pico 10,05 V, mínimo da tensão = 10,05 − 0,91 = 9,15 V.
5. Percentagem de ripple = 0,91 / 10,87 = 8,4 %.
6. Para ripple ≤ 0,5 V: C = 0,2 / (100 × 0,5) = 4000 µF → valor normalizado 4700 µF, que dá 0,43 V.

8.3 Corrente de pico e ângulo de condução

Os díodos só conduzem quando a tensão da fonte excede a do condensador, numa fração pequena do semi-ciclo. Para Vp = 11,33 V e ripple 0,91 V, o ângulo de condução é θ = arccos(1 − 0,91/11,33) ≈ 23°, ou seja, 13 % do semi-ciclo. Como a corrente média tem de ser a da carga, a corrente de pico nos díodos é várias vezes superior. Numa simulação numérica do circuito do exemplo anterior, com 1 Ω de resistência do secundário, o pico chega a ≈ 1,1 A para uma corrente média de 0,20 A (cerca de 5,6 vezes). Consequências: os díodos e o transformador têm de aguentar a corrente de pico (o 1N4007 admite 30 A de surto) e a corrente eficaz no secundário é superior à corrente contínua, pelo que o transformador se dimensiona com folga. A resistência do secundário e dos díodos reduz ainda a tensão real em cerca de 0,5 a 1 V.

8.4 Escolher o condensador eletrolítico

Exemplo resolvido · tensão nominal e energia armazenada

Para o filtro de 4700 µF de uma ponte alimentada por 9 V rms, qual a tensão nominal, e que energia fica armazenada?

1. Pico no pior caso (rede +10 %): 12,60 V.
2. Tensão nominal ≥ 1,25 × 12,60 = 15,75 V → 16 V é o valor normalizado mínimo; 25 V dá mais margem e folga de vida útil.
3. Energia no pico: E = ½·C·V² = 0,5 × 0,0047 × 12,6² = 0,37 J; a 16 V seria 0,60 J. Um curto-circuito entre os terminais de um condensador carregado produz faíscas.
4. Descarga de segurança: uma resistência de 10 kΩ em paralelo descarrega o condensador com τ = RC = 10 000 × 0,0047 = 47 s; ao fim de 5τ, ≈ 235 s, está praticamente descarregado. Quando se desliga uma fonte, espera-se ou descarrega-se o condensador antes de tocar no circuito.

9. Multiplicadores, limitadores e fixadores de nível

9.1 Duplicador de tensão

Combina dois díodos e dois condensadores para obter à saída, em vazio, aproximadamente o dobro do pico da entrada.

• Célula de Villard: C1 carrega-se ao pico através de D1 no semi-ciclo negativo; no positivo, a tensão da entrada soma-se à de C1.
• Detetor de pico (D2 e C2): retém o pico da onda deslocada, dando à saída ≈ 2 × (Vp − 0,7 V).
• Com carga, a tensão cai e o ripple aumenta depressa: serve para alta tensão com pouca corrente.
• Ligando várias células em cascata obtém-se triplicadores, quadruplicadores (multiplicador de Cockcroft-Walton).

Exemplo resolvido · duplicador alimentado por 9 V rms

1. Pico da entrada: 12,73 V. Em vazio, Vout ≈ 2 × (12,73 − 0,7) = 24,06 V.
2. Com uma carga de 10 mA e C2 = 100 µF a 50 Hz: ripple = I/(f·C) = 0,010/(50 × 100 × 10⁻⁶) = 2,0 V.
3. Tensão média ≈ 24,06 − 2/2 = 23 V, e ainda menos por causa da resistência do transformador e do descarregamento de C1.

Exemplo resolvido · duplicador, triplicador e quadruplicador com 6 V rms

Em vazio, uma cascata de n células com n díodos dá aproximadamente Vout ≈ n × (Vp − 0,7 V). Com um secundário de 6 V rms:

1. Pico: 6 × √2 = 8,49 V.
2. Duplicador: 2 × (8,49 − 0,7) = 15,58 V; triplicador: 3 × 7,79 = 23,36 V; quadruplicador: 4 × 7,79 = 31,14 V.
3. Cada andar acrescenta um díodo, um condensador e uma queda de 0,7 V, e a tensão cai muito com a carga: servem para alta tensão com corrente muito pequena.

Exemplo resolvido · tensões nominais no duplicador (9 V rms, rede +10 %)

1. Pico no pior caso: 9 × 1,1 × √2 = 14,00 V.
2. C1 carrega-se a 14,00 − 0,7 = 13,30 V; 1,25 × 13,30 = 16,6 V → 25 V.
3. C2 carrega-se a 2 × 13,30 = 26,60 V; 1,25 × 26,60 = 33,3 V → 35 V.
4. Cada díodo suporta cerca de 2 × Vp = 28 V de tensão inversa: o 1N4007 (1000 V) serve com folga.

9.2 Limitadores (clippers)

O limitador corta a parte do sinal que ultrapassa um nível.

• Limitador positivo: díodo em paralelo com a saída, ânodo para o sinal e cátodo a uma tensão de referência; corta os picos acima de Vref + 0,7 V.
• Com dois díodos em sentidos opostos, o sinal fica limitado entre dois níveis.
• Com uma fonte de referência em série com o díodo, o nível de corte é Vref + 0,7 V (limitador polarizado).
• Com dois Zener em oposição (back-to-back), o sinal fica limitado a ±(Vz + 0,7 V): um Zener entra em ruptura e o outro conduz em direta.
• A resistência série é essencial para limitar a corrente nos díodos.

Exemplo resolvido · proteger a entrada de um conversor analógico-digital

A entrada de um conversor funciona entre 0 e 3,3 V. Um sinal de ±12 V é aplicado através de uma resistência de 10 kΩ. Dois díodos Schottky (Vf = 0,45 V) ligam a entrada à alimentação (3,3 V) e à massa.

1. O sinal positivo é limitado a 3,3 + 0,45 = 3,75 V; o negativo a −0,45 V.
2. Corrente nos díodos: no semi-ciclo positivo, (12 − 3,75)/10 000 = 0,83 mA; no negativo, (12 − 0,45)/10 000 = 1,16 mA, que é o máximo (no díodo para a massa). Ambas são muito inferiores ao limite de qualquer díodo de sinal.
3. Limitação: a entrada vê 3,75 V, acima da alimentação. Verifica-se na datasheet do conversor o máximo absoluto admissível. Escolhem-se díodos com Vf baixa ou uma resistência maior se for necessário.

Exemplo resolvido · limitador polarizado e limitador com Zener

Sinal sinusoidal de 10 V de pico, resistência série de 1 kΩ.

1. Limitador polarizado (díodo de silício com o cátodo ligado a uma fonte de 5 V): corta acima de 5 + 0,7 = 5,7 V. A saída varia entre −10 V (o díodo não conduz) e +5,7 V.
2. Corrente máxima no díodo: (10 − 5,7)/1000 = 4,3 mA.
3. Dois Zener de 5,1 V em oposição: a saída fica limitada a ±(5,1 + 0,7) = ±5,8 V. Corrente máxima: (10 − 5,8)/1000 = 4,2 mA; potência instantânea máxima num Zener em ruptura: 5,1 × 4,2 mA ≈ 21 mW.

9.3 Fixadores de nível (clampers)

O fixador desloca o nível contínuo de um sinal alternado sem lhe alterar a forma: um condensador em série e um díodo em paralelo com a saída. O condensador carrega-se ao pico e mantém essa tensão em série com o sinal.

• Fixador positivo: o mínimo do sinal fica em cerca de −0,7 V.
• Fixador negativo: o máximo fica em cerca de +0,7 V.

Exemplo resolvido · fixador positivo

Entrada sinusoidal de 5 V de pico (10 V pico-a-pico).

1. O condensador carrega-se a 5 − 0,7 = 4,3 V.
2. A saída é o sinal somado a 4,3 V: mínimo = −5 + 4,3 = −0,7 V; máximo = 5 + 4,3 = 9,3 V.
3. A amplitude pico-a-pico mantém-se (10 V); só o nível médio subiu, de 0 V para ≈ 4,3 V.

10. Díodo Zener e regulação de tensão

10.1 Princípio e parâmetros

O Zener é fabricado para funcionar de forma controlada e repetível na região de ruptura inversa, onde a tensão se mantém praticamente constante (Vz) apesar das variações de corrente. As tensões nominais seguem uma série normalizada (2,4; 3,3; 4,7; 5,1; 6,2; 9,1; 12; 15 V…). Parâmetros da datasheet:

O coeficiente de temperatura é negativo abaixo de cerca de 5 V (efeito Zener), próximo de zero perto de 5,1 V e positivo acima de 6 V (avalanche): o 3,3 V tem −0,08 a −0,05 %/K e o 6,2 V +0,03 a +0,06 %/K. Para referências estáveis em temperatura escolhem-se Zener de 5 a 6 V.

10.2 Circuito regulador elementar

Uma resistência série RS liga a fonte VS ao paralelo Zener/carga (o cátodo do Zener fica do lado positivo):

$$I_S = \frac{V_S - V_Z}{R_S} \qquad I_Z = I_S - I_L \qquad P_Z = V_Z \cdot I_Z$$

A saída mantém-se em Vz enquanto IZ > IZ(min) (o "joelho" da curva). Duas condições de pior caso:

• tensão de entrada mínima e carga máxima: IZ tem de continuar acima do mínimo → RS máxima;
• tensão de entrada máxima e carga zero: toda a corrente passa no Zener → PZ máxima → RS mínima segura.

$$R_{S(máx)} = \frac{V_{S(mín)} - V_Z}{I_{L(máx)} + I_{Z(mín)}} \qquad P_{Z(máx)} = V_Z \cdot \frac{V_{S(máx)} - V_Z}{R_S} \quad (I_L = 0)$$

Exemplo resolvido · regulador Zener com carga fixa

Fonte de 9 V, Zener 5,1 V, carga RL = 680 Ω. Pretende-se IZ ≈ 10 mA.

1. IL = 5,1 / 680 = 7,5 mA.
2. RS = (9 − 5,1) / (0,010 + 0,0075) = 3,9 / 0,0175 = 222,9 Ω → valor da série E24 abaixo: 220 Ω (um pouco mais de corrente, mais seguro para IZ(min)).
3. Com 220 Ω: IS = 3,9/220 = 17,7 mA; IZ = 17,7 − 7,5 = 10,2 mA.
4. PZ = 5,1 × 0,0102 = 52 mW, PRS = 0,0177² × 220 = 69 mW.

Exemplo resolvido · dimensionamento pelo pior caso

A tensão não regulada varia entre 10,8 V e 13,2 V (12 V ± 10 %) e a carga de 5,1 V consome de 0 a 50 mA. Dimensiona RS e escolhe o Zener (IZ(min) = 5 mA).

1. RS(máx) = (10,8 − 5,1) / (0,050 + 0,005) = 5,7 / 0,055 = 103,6 Ω → 100 Ω.
2. Verificação do mínimo: com 10,8 V e 50 mA, IZ = 5,7/100 − 0,050 = 7 mA (≥ 5 mA).
3. Máximo: com 13,2 V e sem carga, IS = IZ = 8,1/100 = 81 mA; PZ = 5,1 × 0,081 = 413 mW. Um BZX55 (500 mW) ficaria no limite, com margem de apenas 17 %; escolhe-se um Zener de 1,3 W, como o 1N4733A (IZM = 178 mA).
4. Resistência RS: P = 8,1²/100 = 0,66 W → resistência de 1 W.
5. Regulação de carga: IZ varia de 7 a 81 mA (74 mA); com ZZ = 7 Ω, Vout varia pelo menos 7 × 0,074 = 0,52 V (≈ 10 %). Regulação de linha: ΔVout ≈ ΔVin × ZZ/(RS+ZZ) = 2,4 × 7/107 = 0,16 V.
6. Rendimento com carga máxima: 5,1 × 0,05 / (13,2 × 0,081) ≈ 24 %, o resto é calor. Isto resume porque o Zener se usa em referências e correntes pequenas.

10.3 Limitações e alternativas

• O rendimento é baixo e a regulação de carga é fraca.
• Para correntes de centenas de miliampere, o Zener não serve como regulador: usa-se o regulador integrado do capítulo 11.

11. Fonte de alimentação de corrente contínua regulada

11.1 Diagrama de blocos

Rede 230 V → fusível → transformador (baixa a tensão e isola) → retificador (ponte) → filtro (condensador) → regulador (Zener ou integrado) → carga. O fusível protege contra curto-circuito (ação lenta, no primário); o transformador adapta a tensão e isola da rede; a ponte retifica; o condensador alisa; o regulador estabiliza.

11.2 Regulador integrado de três terminais (78xx)

A série 78xx entrega uma tensão fixa (7805 = 5 V, 7812 = 12 V) com três terminais: entrada, massa e saída. Condições de funcionamento:

• a tensão de entrada tem de ser sempre superior à de saída em pelo menos a queda de tensão mínima (dropout), tipicamente 2 V a 1 A nas datasheets da série 78xx; projeta-se com o valor da datasheet do fabricante;
• corrente máxima de 1 A a 1,5 A, consoante o fabricante;
• condensadores de entrada e de saída como na datasheet do fabricante (a da série 78xx da onsemi usa 0,33 µF na entrada e 0,1 µF na saída);
• com condensadores de saída grandes, a datasheet da Texas Instruments aconselha um díodo da saída para a entrada, para o caso de a entrada ser posta em curto-circuito;
• potência dissipada: P = (Vin − Vout) × Iout, que se converte em calor e obriga a dissipador quando passa de 1 a 2 W.

$$T_j = T_a + P \cdot (R_{\theta jc} + R_{\theta cs} + R_{\theta sa})$$

11.3 Metodologia de dimensionamento

1. Fixar Vout, Iout e o ripple admissível à entrada do regulador.
2. Calcular a tensão mínima à entrada: Vin(mín) = Vout + dropout (+ margem).
3. Calcular o pico necessário: Vp(mín) = Vin(mín) + Vr + queda dos díodos (1,4 V).
4. Escolher o secundário: Vrms ≥ Vp(mín) / (0,9 × √2), com a rede a −10 %.
5. Calcular C = Iout / (100 × Vr) e arredondar para a série E6; recalcular Vr.
6. Verificar com a rede a +10 %: tensão máxima do condensador, potência no regulador.
7. Escolher díodos (PIV, IF, IFSM), fusível e dissipador.

Exemplo resolvido · fonte de 12 V e 400 mA com 7812

Especificação: 12 V, 400 mA, rede 230 V ± 10 %, 50 Hz. Dropout ≈ 2 V.

1. Vin(mín) = 12 + 2 = 14 V.
2. Com ripple admitido de 1,5 V: C = 0,4 / (100 × 1,5) = 2667 µF. O valor E6 acima é 3300 µF (Vr = 1,21 V), mas com a tolerância de −20 % dos eletrolíticos ficaria com 2640 µF e Vr = 1,52 V, acima do admitido. Escolhe-se 4700 µF (com −20 %, 3760 µF e Vr = 1,06 V; nominal Vr = 0,85 V).
3. Vp(mín) = 14 + 0,85 + 1,4 = 16,25 V, com a rede a −10 %: Vrms ≥ 16,25 / (0,9 × 1,414) = 12,8 V.
4. Candidatos: um secundário de 12 V rms dá, no pior caso, 13,02 V no mínimo do ripple (inferior a 14 V: falha); um de 15 V rms dá 16,84 V (cumpre).
5. Com 15 V rms: Vp = 19,81 V; VDC nominal = 19,81 − 0,43 = 19,39 V; com rede a +10 %: pico 21,93 V e VDC = 21,51 V.
6. Tensão nominal do condensador: 1,25 × 21,93 ≈ 27 V → 35 V (normalizado).
7. Potência no 7812: nominal (19,39 − 12) × 0,4 = 2,96 W; pior caso (21,51 − 12) × 0,4 = 3,80 W.
8. Dissipador: com Tj máx de 125 °C (valor usado neste exemplo; confirmar na datasheet), Ta = 40 °C, Rθjc = 5 °C/W e Rθcs = 1 °C/W (valores ilustrativos do exemplo), Rθsa ≤ (125 − 40)/3,8 − 5 − 1 = 16 °C/W.

11.4 Montagem de uma fonte de 5 V

Lista de materiais

Valores esperados (com C1 = 4700 µF, carga de 500 mA):

Procedimento: (1) montar em placa soldada e medir primeiro a parte de baixa tensão (ponte, filtro, regulador) com o secundário de um transformador já montado e isolado; (2) verificar polaridade do eletrolítico; (3) ligar o regulador; (4) medir em vazio; (5) medir em carga; (6) registar o ripple no osciloscópio.

12. Breadboard: montagem e análise de circuitos

12.1 Regras de montagem

Uma breadboard (placa de prototipagem sem soldadura) tem linhas de 5 furos ligadas entre si na zona central, separadas pela ranhura onde se encaixam os circuitos integrados, e calhas de alimentação ao longo dos bordos (em algumas, interrompidas a meio).

1. Planear o esquema: positivo numa calha (fio vermelho), massa na outra (fio preto).
2. Montar com a alimentação desligada e rever o circuito antes de a ligar.
3. Verificar duas vezes as polaridades de díodos, LED, eletrolíticos e circuitos integrados.
4. Usar pernas e fios curtos: menos ruído e menos curtos-circuitos.
5. Nunca ligar a rede de 230 V à breadboard. Usa-se um transformador comercial já montado e isolado, ou uma fonte de laboratório.
6. As breadboards não se destinam a correntes de ampere: os contactos aquecem. Para potências maiores usa-se placa soldada. A fonte do capítulo 11 a 500 mA, com picos de corrente de ampere nos díodos, não se monta em breadboard.

12.2 Instrumentos e leitura

12.3 Análise da retificação em breadboard

Com um secundário de 9 V rms, díodos 1N4007 e carga de 1 kΩ, sem filtro, esperam-se os valores calculados no exemplo do capítulo 7:

Com o condensador ligado, o osciloscópio mostra o dente de serra e o ripple mede-se em acoplamento AC. Os valores medidos ficam um pouco abaixo dos calculados, porque o secundário e os díodos têm resistência, e o ripple medido é um pouco inferior ao da fórmula, que é conservadora.

Roteiro de medição: meia onda e onda completa

1. Meia onda: ânodo do 1N4007 ao secundário, cátodo à resistência de 1 kΩ e esta à massa. Sonda ×10, com a massa da ponta no retorno da carga.
2. Osciloscópio em acoplamento DC: só semi-ciclos positivos, separados por intervalos a 0 V, período de 20 ms, pico de cerca de 12,0 V.
3. Ponte: quatro 1N4007, carga de 1 kΩ. A massa do osciloscópio liga-se ao terminal negativo da ponte e nunca ao secundário. Veem-se semi-ciclos contíguos, período de 10 ms, pico de cerca de 11,3 V.
4. Multímetro em DC: 3,83 V na meia onda e 7,21 V na ponte.
5. Liga-se depois o condensador de 470 µF em paralelo com a carga e mede-se o ripple em acoplamento AC.
6. Regista-se em tabela o valor calculado, o simulado e o medido, e justificam-se os desvios.

Exemplo resolvido · meia onda e ponte com 470 µF e 1 kΩ

Secundário de 9 V rms.

1. Meia onda: pico 12,73 − 0,7 = 12,03 V; I ≈ 12,03 mA; Vr = 0,01203/(50 × 470 × 10⁻⁶) = 0,51 V a 50 Hz; média ≈ 12,03 − 0,26 = 11,77 V.
2. Ponte: pico 12,73 − 1,4 = 11,33 V; I ≈ 11,33 mA; Vr = 0,01133/(100 × 470 × 10⁻⁶) = 0,24 V a 100 Hz; média ≈ 11,33 − 0,12 = 11,21 V.
3. A ponte tem menos de metade do ripple porque a frequência de ripple é dupla; a meia onda dá uma tensão média ligeiramente superior (menos uma queda de díodo), mas com mais do dobro do ripple.

Exemplo resolvido · medir o ripple e interpretar

Fonte com 4700 µF e carga de 500 mA. No osciloscópio, em acoplamento AC, a 200 mV/div, vê-se um dente de serra de 5 divisões pico-a-pico e período de 10 ms.

1. Vr = 5 × 0,2 = 1,0 V; f = 1/10 ms = 100 Hz, logo é onda completa.
2. Cálculo: 0,5/(100 × 0,0047) = 1,06 V, que concorda com a medição (diferença de 6 %).
3. Se o período fosse 20 ms, um díodo da ponte estaria aberto e a fonte funcionaria em meia onda, com o ripple dobrado.
4. Se Vr fosse muito superior ao calculado, o condensador estaria degradado ou a carga seria maior do que a prevista.

12.4 Cuidados com o osciloscópio

A massa da ponta está ligada à terra da instalação. Não se liga a massa do osciloscópio a um terminal do secundário de um transformador nem a dois pontos de um circuito com diferença de potencial: faz-se um curto-circuito através da terra. Mede-se sempre em relação à massa do circuito de baixa tensão, com uma só ligação de massa.

12.5 Teste de díodos com o multímetro

1. Posição díodo (símbolo ▷|), nunca o modo resistência, porque a junção não é linear.
2. Ponta vermelha no ânodo e preta no cátodo: 0,5 a 0,7 V num díodo de silício (menos num Schottky).
3. Pontas trocadas: "OL" (aberto).
4. 0 V nos dois sentidos: curto-circuito; "OL" nos dois sentidos: díodo aberto.
5. Um LED pode acender fracamente com a corrente de teste.
6. Num circuito montado, outros componentes em paralelo falseiam o teste: levanta-se uma perna do díodo.

12.6 Verificação em simulação

Antes de montar, simula-se o circuito num programa de simulação (SPICE ou equivalente) com os valores calculados. Comparam-se pico, valor médio, ripple, correntes e potências com o cálculo. Se divergirem mais de alguns por cento, revê-se o cálculo antes de montar. É assim que se cumpre o critério de verificar, em simulação, o funcionamento face às especificações.

13. Segurança, saúde no trabalho e proteção ambiental

13.1 Segurança elétrica

• A rede é de 230 V, 50 Hz. Só se liga a rede a transformadores montados e isolados, com fusível, e nunca se mexe no circuito com a alimentação ligada.
• A norma IEC 61140 define a extra-baixa tensão como inferior a 50 V em corrente alternada (valor eficaz) ou 120 V em corrente contínua sem ondulação. O trabalho em breadboard faz-se dentro deste limite.
• Descarregar os condensadores antes de tocar no circuito (uma resistência de descarga em paralelo faz esse trabalho).
• Eletrolíticos com polaridade invertida aquecem, libertam gás e podem rebentar: usar óculos de proteção ao testar uma fonte nova.

13.2 Descargas eletrostáticas (ESD)

Os circuitos integrados CMOS e outros componentes de porta isolada são muito sensíveis. O modelo do corpo humano (HBM) usa um condensador de 100 pF descarregado por uma resistência de 1,5 kΩ (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001). A IEC 61340-5-1 trata da proteção de dispositivos eletrónicos contra fenómenos eletrostáticos. Na bancada: pulseira antiestática ligada à terra, tapete antiestático, componentes em sacos antiestáticos e tocar numa massa antes de pegar num componente.

13.3 Segurança e saúde no trabalho

A Lei n.º 102/2009 (regime jurídico da promoção da segurança e saúde no trabalho, com as alterações posteriores) obriga o empregador a assegurar condições seguras e o trabalhador a cumprir as regras, usar o equipamento de proteção e comunicar os riscos.

13.4 Proteção ambiental

• O Decreto-Lei n.º 79/2013 (com as alterações posteriores) restringe substâncias perigosas, como o chumbo, nos equipamentos elétricos e eletrónicos e transpõe a Diretiva 2011/65/UE (RoHS). Por isso os componentes e a solda modernos são "sem chumbo".
• O Decreto-Lei n.º 152-D/2017 (com as alterações posteriores) regula os fluxos específicos de resíduos, incluindo os resíduos de equipamentos elétricos e eletrónicos (REEE). Componentes, placas, pilhas e fontes avariadas não vão para o lixo comum: vão para o circuito próprio de recolha.

13.5 Aplicar as regras na bancada

Exemplo resolvido · descarregar o condensador e escolher o fusível

Fonte com C = 4700 µF carregado a 20 V e resistência de descarga de 10 kΩ.

1. Energia armazenada: ½ × 0,0047 × 20² = 0,94 J.
2. τ = RC = 10 000 × 0,0047 = 47 s. Tensão ao fim de 60 s: 20 × e^(−60/47) = 5,6 V; ao fim de 120 s, 1,6 V; ao fim de 5τ (235 s), 0,13 V.
3. Potência inicial na resistência: 20²/10 000 = 40 mW, que uma resistência de 1/4 W suporta bem.
4. Fusível do primário de um transformador de 9 VA: a corrente nominal é 9/230 = 39 mA. O fusível tem de ser de ação lenta, por causa da corrente de arranque, e acima desse valor; o valor comercial retira-se da datasheet do transformador e do fusível.

14. Casos práticos e diagnóstico

Caso prático · fonte de 5 V com ripple de 50 Hz

Uma fonte de 5 V com ponte de Graetz tem à entrada do regulador um ripple de 2,2 V a 50 Hz, e o regulador sai a 4,3 V em carga.

1. Ripple a 50 Hz numa ponte indica funcionamento em meia onda: um dos quatro díodos está aberto.
2. No modo díodo do multímetro, um dos díodos mostra "OL" nos dois sentidos: confirmado.
3. Substituído o díodo, o ripple desce para cerca de 1,1 V a 100 Hz.
4. O mínimo do ripple volta a exceder os 7 V que o regulador exige e a saída é 5,0 V.

Caso prático · LED que dura pouco

Um LED vermelho de sinalização, a 5 V com uma resistência de 100 Ω, queimou em poucas semanas. Corrente real = (5 − 2)/100 = 30 mA, acima dos 20 mA nominais. Passando para 220 Ω, I = 3/220 = 13,6 mA, com brilho ainda bom e sem sobreaquecimento.

Erros comuns

Glossário

Aceitador: átomo trivalente que cria uma lacuna no cristal.

Avalanche: ruptura por multiplicação de portadores por colisão.

Camada de depleção: zona da junção PN sem portadores livres.

Dador: átomo pentavalente que cede um eletrão livre.

Dopagem: introdução controlada de impurezas num semicondutor.

Dropout: diferença mínima entre entrada e saída para o regulador funcionar.

ESD: descarga eletrostática, perigosa para componentes de porta isolada.

Hiato de energia: energia entre as bandas de valência e de condução.

Lacuna: ausência de eletrão numa ligação, comporta-se como carga positiva.

PIV (VRRM): tensão inversa de pico que o díodo suporta repetidamente.

Potencial de barreira (Vbi): diferença de potencial na zona de depleção em equilíbrio.

REEE: resíduos de equipamentos elétricos e eletrónicos.

Retificação: conversão de tensão alternada em unidirecional.

Ripple: ondulação residual da tensão contínua.

Schottky: díodo metal-semicondutor de queda baixa e comutação rápida.

Zener: díodo que opera em ruptura inversa controlada para regular tensão.

Síntese

Semicondutores: o silício conduz mais quando aquece; dopado com pentavalente é tipo N, com trivalente é tipo P, e np = ni². A junção PN tem camada de depleção e barreira de 0,6 a 0,7 V.

Díodos: conduzem a partir de 0,6 a 0,7 V e bloqueiam em inversa. O Zener regula em ruptura; o LED exige resistência de limitação; o Schottky comuta depressa com menos queda.

Retificação e filtragem: a ponte aproveita os dois semi-ciclos, dobra a frequência de ripple para 100 Hz e custa 1,4 V. O condensador limita o ripple a Vr = I/(f·C), com corrente de pico elevada nos díodos.

Regulação e fonte: o Zener dimensiona-se pelo pior caso; o 78xx exige Vin ≥ Vout + dropout e dissipa (Vin − Vout) × I. Dimensiona-se com a rede a −10 % e verifica-se a +10 %.

Díodos especiais e circuitos com díodos: o Schottky troca tensão inversa por menor queda; o fotodíodo dá I ≈ R × Φ; o varicap é um condensador controlado por tensão; os multiplicadores dão ≈ n × (Vp − 0,7 V) com pouca corrente; os limitadores cortam em Vref + 0,7 V.

Bancada: breadboard sem rede e sem correntes de ampere, osciloscópio com uma só massa, modo díodo, simulação antes da montagem, condensadores descarregados, e as regras da Lei 102/2009, do DL 79/2013 e do DL 152-D/2017.

Para reter de cor: 0,7 V; 100 Hz; Vr = I/(f·C); P = (Vin − Vout) × I.

Exercícios resolvidos

1. Um LED verde (Vf = 2,2 V) é alimentado a 9 V com 15 mA. Qual a resistência e a corrente real?

Resolução: R = (9 − 2,2)/0,015 = 453 Ω → E24 470 Ω; I = 6,8/470 = 14,5 mA; PR = 0,0145² × 470 = 99 mW.

2. Uma ponte alimenta 150 mA com C = 3300 µF a partir de 12 V rms. Qual o ripple e a tensão nominal do condensador?

Resolução: Vr = 0,15/(100 × 0,0033) = 0,45 V; pico no pior caso (rede +10 %) = 12 × 1,1 × 1,414 − 1,4 = 17,3 V; 1,25 × 17,3 = 21,6 V → 25 V.

3. Um Zener de 6,2 V tem TK = +0,06 %/K. Quanto varia a tensão se aquecer 40 K?

Resolução: 0,0006 × 40 × 6,2 = 0,149 V.

4. Um secundário de 12 V rms alimenta uma ponte sem filtro. Qual a tensão média e a frequência da pulsação?

Resolução: pico = 16,97 − 1,4 = 15,57 V; média = 2 × 15,57/π = 9,91 V; pulsação a 100 Hz.

5. Um fotodíodo (R = 0,5 A/W) recebe 50 µW de luz e alimenta uma resistência de 20 kΩ. Qual a corrente e a tensão de saída?

Resolução: I = 0,5 × 50 × 10⁻⁶ = 25 µA; V = 25 µA × 20 kΩ = 0,5 V.

6. Um 7805 fornece 800 mA com 10 V à entrada. Que potência dissipa?

Resolução: P = (10 − 5) × 0,8 = 4,0 W; com Tj = 125 °C, Ta = 40 °C e Rθjc + Rθcs = 6 °C/W (valores ilustrativos), exige Rθsa ≤ (125 − 40)/4,0 − 6 ≈ 15 °C/W.