UC02926

Electrónica analógica simples

Díodos, transistores, AOP, filtros, rectificação

Técnico de Manutenção Industrial / Mecatrónica · 25h

Plano da unidade

  1. O que é electrónica analógica
  2. Díodos e rectificação
  3. Transistor bipolar (BJT)
  4. Transistor MOSFET
  5. Amplificadores operacionais (AOP)
  6. Filtros RC
  7. Fontes lineares
  8. Diagnóstico

Bloco 1 · Conceito

Analógica vs digital

Analógica — sinais com valores contínuos numa gama (ex.: tensão de 0 a 5 V em qualquer valor intermédio: 1,23 V, 3,7 V…).

Digital — sinais com valores discretos (tipicamente 0 ou 1; LOW ou HIGH).

Mundo físico (temperatura, pressão, som) é analógico. Computadores são digitais. Electrónica analógica faz a interface entre os dois.

Aplicações

  • Amplificação de sinais fracos (microfone, sensor).
  • Filtragem (eliminar ruído, separar bandas).
  • Conversão AC ↔ DC (fontes de alimentação).
  • Reguladores de tensão.
  • Sensores condicionados (termopar, fotodiodo).
  • Controlo de motores (drivers).

Bloco 2 · Díodos

Função

Permite passar corrente num só sentido (do ânodo para cátodo). No sentido inverso, bloqueia (até tensão de rotura).

Símbolo:       ─►├─
              ânodo  cátodo

Tipos:

  • Rectificador (1N4007, etc.) — converter AC→DC.
  • Schottky — queda baixa (~0,3 V), rápido.
  • Zener — usa tensão inversa de rotura para regular.
  • LED — emite luz quando conduz.
  • Foto-díodo — gera corrente com luz.

Curva I-V

        I
        │      ╱
        │    ╱
        │  ╱  (condução, ≥ 0,7 V em Si)
 ───────●─────── V
   bloqueia      0,7 V
   ────│
       │ rotura (Zener)

Queda directa Si: ~0,7 V. Germânio: 0,3 V. Schottky: 0,3 V.

Rectificação

Meia onda (1 díodo): só passa metade da sinusoide. Eficiência baixa.

Onda completa em ponte (4 díodos): converte toda a sinusoide; usa-se em fontes.

AC ──┬─►├─┬── DC+
     │    │
     ├─◄│─┤
     │    │
   ──┴─►├─┴── DC−
       ◄│─

Com condensador filtro suaviza para DC quase constante.

Bloco 3 · Transistor bipolar (BJT)

Anatomia

3 terminais: Base (B), Colector (C), Emissor (E).

Tipos:

  • NPN — mais comum. Corrente B→E controla C→E.
  • PNP — invertido.
NPN:   C    Símbolo:     C
       │                  │
       │                  │
   B───┤                B──┤
       │                  ╲↓
       │                  E
       E

Funcionamento

3 zonas de operação:

  • Corte: I_B = 0 → I_C = 0 (interruptor aberto).
  • Saturação: I_B grande → I_C limitado pela carga; V_CE ≈ 0,2 V (interruptor fechado).
  • Activa: I_C = β × I_B (amplificação; β = ganho ~ 100-500).
I_C = β × I_B

Aplicações típicas

  • Interruptor electrónico — controlar carga grande com sinal pequeno.
  • Amplificador de áudio, RF.
  • Driver de motor pequeno (com resistor de protecção na base).
  • Andares de saída lineares (push-pull NPN+PNP).

Exemplo: relé controlado por Arduino → pino digital → resistor 1k → base BJT → relé entre colector e +12V.

Bloco 4 · MOSFET

Diferenças do BJT

3 terminais: Gate (G), Drain (D), Source (S).

  • Controlado por tensão V_GS (não por corrente).
  • Impedância de entrada infinita (não puxa corrente da fonte do sinal).
  • Tipos N (mais comum) e P.
  • Sub-tipos: enhancement (off por defeito) e depletion (on por defeito).

Aplicações

  • Comutação rápida de cargas (motores, LEDs de potência) — drivers PWM.
  • Reguladores switching (fontes modernas).
  • Andares de potência em amplificadores classe D.
  • Lógica digital (todos os chips digitais usam CMOS = pares MOSFET).

Para usar como interruptor:

  • V_GS > V_threshold (~ 2-4 V) → fortemente conduz.
  • V_GS = 0 → corta.

Logic-level MOSFETs (IRLZ44N, IRLB3034) ligam directamente a Arduino (5 V chega).

Bloco 5 · AOP

Amplificador Operacional

Chip integrado com 8 pinos (LM358, TL072, LM741):

  • 2 entradas: inversora (−) e não-inversora (+).
  • 1 saída.
  • 2 alimentações (V+ e V−, ou apenas + e GND).
        ┌──────┐
   V+ ──┤+     │
        │      ├── Vout
   V− ──┤−     │
        └──────┘

Ganho enorme em laço aberto (10⁵). Usa-se sempre com realimentação para definir ganho preciso.

Configurações típicas

Não-inversor (amplifica sem inverter):

Vout = Vin × (1 + R2/R1)

Inversor (amplifica e inverte sinal):

Vout = − Vin × (R2/R1)

Seguidor (buffer, ganho = 1, alta impedância de entrada):

Vout = Vin

Comparador (sem realimentação):

  • Vout = V_alta se V+ > V−.
  • Vout = V_baixa caso contrário.

Aplicações

  • Condicionamento de sensores (termopar → ampliar a níveis utilizáveis).
  • Filtros activos (combinar AOP + R + C).
  • Buffers (separar etapas sem perda de sinal).
  • Comparadores (decisões on/off a partir de sinais analógicos).
  • Geradores de sinais (oscilador, gerador rampa).

Bloco 6 · Filtros RC

Passa-baixo (LPF)

Vin ──[R]──┬── Vout
           │
          [C]
           │
          GND

Frequência de corte: fc = 1 / (2π·R·C)

Acima de fc: atenuação 20 dB/década.

Aplicação: remover ruído de alta frequência.

Passa-alto (HPF)

Vin ──[C]──┬── Vout
           │
          [R]
           │
          GND

Aplicação: desacoplar componente DC dum sinal AC (em áudio, etc.).

Exemplo de cálculo

R = 10 kΩ, C = 1 µF, passa-baixo.

  • fc = 1 / (2π × 10 000 × 1e-6) = 1 / 0,0628 = 15,9 Hz.

Aplicação: filtrar ruído > 16 Hz de um sensor lento (ex.: temperatura).

Bloco 7 · Fontes lineares

Estrutura

AC 230V → Transformador 24V → Ponte rectificadora → 
       Condensador filtro → Regulador linear → DC estável

Reguladores 78xx (positivo) / 79xx (negativo):

  • 7805 → +5 V.
  • 7812 → +12 V.
  • 7905 → −5 V.

Características:

  • Simples e fiável.
  • Ineficiente (dissipa calor; eficiência 30-60%).
  • Pouco ruído na saída → bom para áudio.

Linear vs switching

Linear (78xx) Switching (buck/boost)
Eficiência 30-60% 80-95%
Calor Muito (precisa dissipador) Pouco
Ruído Baixo Alto (kHz-MHz)
Custo Baixo Médio
Tamanho Maior (transformador grande) Pequeno
Aplicação Áudio, lab Comum hoje (telefones, computadores)

Bloco 8 · Diagnóstico

Multímetro em díodos

Modo díodo: aplica ~0,7 V e mede.

  • Sentido directo: mostra ~0,7 V (Si conduzir).
  • Sentido inverso: OL (não conduzir).

Se mostra 0 V em ambos sentidos: curto-circuito (díodo queimado).
Se mostra OL em ambos: aberto (também queimado).

Transistor BJT com multímetro

Modo díodo:

  • B-E: deve mostrar 0,7 V num sentido, OL no outro (díodo BE).
  • B-C: idem (díodo BC).
  • C-E: OL em ambos (isolado em corte).

Se qualquer destes mostra 0 V (curto) ou OL nos 2 sentidos onde devia conduzir: transistor queimado.

Falha comum

  • Condensador electrolítico inchado → substituir.
  • Resistor queimado (cor escura, cheiro a queimado).
  • Soldadura fria (junta baça, intermitente).
  • MOSFET queimado em curto (G-D-S todos ligados).
  • Regulador 78xx com saída errada — queimado.

UC02926 · resumo

  • Analógica = sinais contínuos; faz ponte para o mundo digital.
  • Díodo passa num só sentido (~0,7 V Si); rectificação AC→DC.
  • BJT amplifica/comuta (I_C = β·I_B); MOSFET controlado por tensão.
  • AOP + realimentação = amplificador preciso, filtro, buffer, comparador.
  • Filtros RC: fc = 1/(2π·R·C).
  • Fontes lineares (78xx) simples e silenciosas; switching mais eficientes.
  • Diagnóstico: multímetro modo díodo + multímetro Ω.

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Sinal contínuo vs discreto A distinção entre contínuo e discreto é o alicerce de toda a unidade. Ajuda perceber que nenhum dos dois mundos é "melhor": o sensor que está a medir é analógico, mas a decisão que o autómato toma é digital. Convém ancorar isto num exemplo do chão de fábrica que os formandos conheçam, como um termopar a alimentar um PLC. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Pedir exemplos do dia-a-dia industrial de grandezas analógicas (pressão, caudal, vibração) • Mostrar que a electrónica analógica não desapareceu — vive nas interfaces de cada equipamento • Explicar porque um técnico de manutenção precisa de dominar os dois domínios

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Funções fundamentais da electrónica analógica Estas seis aplicações são, na prática, o mapa de tudo o que se segue na unidade. Vale a pena dizer que cada bloco do curso responde a uma destas necessidades: o díodo serve a conversão AC/DC, o AOP serve a amplificação e o condicionamento, os filtros servem a filtragem. Mostrar a ligação evita que os formandos vejam os tópicos como temas soltos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Associar cada aplicação a um equipamento concreto da oficina ou da linha • Sublinhar que amplificar um sensor fraco é tarefa diária na manutenção • Antecipar que a conversão AC/DC reaparece no bloco das fontes lineares

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O díodo como válvula de sentido único A metáfora da válvula de não-retorno (que reaparece na pneumática e hidráulica deste curso) ajuda a fixar o comportamento do díodo. Importa que os formandos distingam os tipos pela aplicação: o rectificador para fontes, o Zener para regular, o Schottky onde a rapidez e a baixa queda contam. Mostrar fisicamente os componentes e identificar a marca do cátodo é um exercício rápido e útil. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Identificar o cátodo num díodo real pela faixa impressa • Comparar a queda de tensão de Si, Schottky e LED com um díodo na bancada • Dar um caso de uso para cada tipo num equipamento industrial

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Leitura da curva característica A curva I-V traduz em gráfico aquilo que o multímetro mede na bancada: nada acontece até aos ~0,7 V, depois a corrente dispara. Convém explicar que esta não-linearidade é exactamente o que torna o díodo útil e, ao mesmo tempo, o que obriga a contar com a queda de 0,7 V nos cálculos de circuito. A zona de rotura à esquerda é o princípio de funcionamento do Zener. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Relacionar a "subida" da curva com a queda de 0,7 V que se mede em modo díodo • Explicar porque a queda quase não varia com a corrente uma vez em condução • Mostrar que a zona de rotura é defeito num rectificador mas função num Zener

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Rectificação de onda completa A ponte de quatro díodos é o circuito que os formandos mais vão encontrar dentro de fontes e carregadores avariados. Vale a pena seguir o percurso da corrente em cada meia-onda para mostrar porque a ponte aproveita as duas metades da sinusoide. O condensador de filtro é a peça que mais falha por envelhecimento, por isso convém ligar já aqui à secção de diagnóstico. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Desenhar o percurso da corrente em cada meio-ciclo na ponte • Comparar a ondulação (ripple) com e sem condensador de filtro • Antecipar que o condensador inchado é a avaria nº 1 em fontes

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Os três terminais do bipolar Antes de falar de zonas de operação, é essencial que os formandos saibam nomear e localizar Base, Colector e Emissor e distinguir NPN de PNP. A regra prática "no NPN a seta do emissor aponta para fora" evita trocas na montagem. Identificar a pinagem pelo datasheet é uma competência que se usa sempre que se substitui um transístor. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar como a seta do símbolo distingue NPN de PNP • Explicar porque a Base é o terminal de controlo e o Emissor o de referência • Consultar a pinagem real de um BC547 ou TIP120 no datasheet

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Corte, saturação e zona activa Esta é a noção mais importante do bloco: o mesmo transístor comporta-se como interruptor (corte/saturação) ou como amplificador (zona activa) conforme o projecto do circuito. Na manutenção industrial, o uso esmagador é como interruptor a comandar relés e cargas a partir de um sinal pequeno. Convém deixar claro que a saturação dá V_CE ≈ 0,2 V, ou seja, quase um curto, e por isso aquece pouco. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Associar corte e saturação ao funcionamento como interruptor on/off • Explicar o significado prático do ganho β num exemplo numérico • Avisar que dimensionar mal a resistência de base deixa o transístor na zona activa e a aquecer

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O BJT como driver de carga Este exemplo do relé é o caso de uso que os formandos vão reproduzir mil vezes: um sinal digital fraco a comandar uma carga que exige mais corrente. Importa explicar o papel da resistência de base (limita a corrente e protege o pino) e do díodo de roda-livre em paralelo com a bobina do relé, que protege o transístor do pico de tensão ao desligar. Sem esse díodo, o transístor queima. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Justificar a resistência de 1k como protecção do pino e do transístor • Introduzir o díodo de roda-livre na bobina do relé e o seu papel • Mostrar a fronteira entre o mundo de comando (sinal) e o de potência (carga)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 MOSFET: comando por tensão A diferença essencial face ao BJT é que o MOSFET se comanda por tensão na gate e quase não consome corrente da fonte de sinal. Isto torna-o ideal para comutar cargas grandes (motores, iluminação) com perdas mínimas. Convém alertar para a sensibilidade à electricidade estática da gate, um cuidado de manuseamento que se repete na electrónica digital CMOS. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Contrastar "controlo por corrente" (BJT) com "controlo por tensão" (MOSFET) • Explicar a vantagem da impedância de entrada elevada para o circuito de comando • Alertar para o cuidado com descargas electrostáticas na gate

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Aplicações de potência e PWM O MOSFET é a peça que torna possível controlar a velocidade de um motor ou o brilho de uma carga via PWM, com aquecimento reduzido. A distinção entre um MOSFET normal e um "logic-level" é prática e importante: muitos formandos falham montagens porque escolhem um modelo cuja gate não abre totalmente com 5 V. Ligar este ponto ao comando de motores por autómato fecha a ideia. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar como o PWM regula potência ligando e desligando rapidamente • Distinguir MOSFET "logic-level" do convencional pela tensão de gate necessária • Referir o dissipador quando a corrente é elevada

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O conceito de realimentação A ideia-chave do AOP é contra-intuitiva: o ganho em laço aberto é tão alto que é inútil sozinho; é a realimentação que o domestica e fixa um ganho previsível com duas resistências. Convém apresentar o AOP como um bloco "ideal" (entradas que não consomem corrente, ganho infinito) e mostrar que esta idealização simplifica imenso os cálculos. As entradas inversora e não-inversora são o vocabulário base para tudo o que se segue. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque um ganho enorme em laço aberto é inutilizável sem realimentação • Introduzir o conceito de "AOP ideal" e as suas duas regras práticas • Mostrar exemplos físicos de LM358 e TL072 e a sua pinagem

NOTAS DO PROFESSOR 📖 As montagens canónicas do AOP Estas quatro configurações cobrem quase tudo o que se faz com AOPs na prática. Vale a pena treinar a fórmula do ganho em cada uma com valores concretos de R1 e R2, porque é cálculo que aparece em prova e em campo. O seguidor (buffer) merece destaque: parece inútil por ter ganho 1, mas é o que isola etapas e evita que uma carga "puxe" o sinal anterior. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Calcular o ganho do não-inversor e do inversor com valores reais • Explicar a utilidade do buffer apesar do ganho unitário • Contrastar o comparador (sem realimentação) com as restantes montagens

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O AOP no condicionamento de sinal Na manutenção industrial, o AOP aparece sobretudo a condicionar sensores: amplificar e adaptar um sinal fraco para a gama que o autómato ou o conversor A/D consegue ler. Convém ligar esta lista de aplicações ao bloco seguinte dos filtros, já que filtros activos combinam AOP com R e C. Mostrar uma placa de condicionamento real ajuda a tornar concreto. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Dar o exemplo do termopar amplificado para entrada de PLC • Antecipar a ligação aos filtros activos do bloco seguinte • Realçar o buffer como solução para problemas de carga entre etapas

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Filtro passa-baixo RC O passa-baixo é o filtro mais usado para limpar ruído de leituras de sensores. A frequência de corte fc é o ponto onde o sinal já caiu 3 dB; importa que os formandos percebam que abaixo de fc o sinal passa quase intacto e acima é progressivamente atenuado. A inclinação de 20 dB/década é suave, pelo que para cortes mais agressivos se encadeiam andares ou se usam filtros activos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Definir frequência de corte como o ponto de queda de 3 dB • Explicar o significado prático de 20 dB/década na atenuação • Dar o exemplo de filtrar ruído eléctrico de um sinal de sensor lento

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Filtro passa-alto RC O passa-alto é o "espelho" do passa-baixo: troca-se a posição do R e do C e passa-se a deixar passar as frequências altas. A aplicação mais intuitiva é o desacoplamento, isto é, deixar passar a variação (AC) e bloquear a componente contínua (DC). Convém pedir aos formandos que comparem os dois esquemas lado a lado para fixarem a regra de qual componente fica em série. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar que trocar R e C transforma um filtro no outro • Explicar o desacoplamento DC com um exemplo de medição • Reforçar que a mesma fórmula de fc se aplica aos dois filtros

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Aplicar a fórmula de fc Este exemplo numérico é o tipo de cálculo que deve ser resolvido com os formandos passo a passo, atenção às unidades (o µF em farads, o kΩ em ohms). Vale a pena propor a inversão do problema: dada uma fc desejada, escolher R e C. Mostrar que para sinais lentos como a temperatura uma fc baixa é suficiente liga a teoria à prática da instrumentação. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Resolver o cálculo destacando a conversão de unidades • Propor o problema inverso: escolher R e C para uma fc-alvo • Discutir que fc escolher consoante a velocidade do sinal a medir

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Anatomia de uma fonte linear Esta cadeia transformador-ponte-condensador-regulador reúne tudo o que se viu na unidade num único circuito real. É um excelente momento de síntese: cada bloco já foi estudado isoladamente e aqui ganha sentido em conjunto. Os reguladores 78xx são baratos e simples, mas a sua ineficiência traduz-se em calor, daí precisarem de dissipador; este detalhe prático é frequente origem de avarias. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Percorrer a cadeia ligando cada etapa ao bloco da unidade onde foi estudada • Explicar porque o 78xx aquece e quando precisa de dissipador • Justificar a preferência das fontes lineares em áudio pelo baixo ruído

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Linear versus comutada Esta comparação resume um compromisso de engenharia que os formandos vão reencontrar sempre: simplicidade e baixo ruído contra eficiência e tamanho. Praticamente todas as fontes modernas são comutadas, por isso é o que mais se vai encontrar em reparação, mas convém explicar que o ruído de alta frequência da comutada pode ser um problema em medição sensível. Saber identificar o tipo de fonte ajuda no diagnóstico. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Discutir por que motivo a comutada dominou em equipamentos portáteis • Relacionar o ruído da comutada com problemas em circuitos de medição • Ajudar a reconhecer, na bancada, se uma fonte é linear ou comutada

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Testar díodos com o multímetro O modo díodo do multímetro é a ferramenta de diagnóstico mais usada nesta área e deve ser praticado na bancada com componentes bons e queimados. A regra é simples: conduz num sentido (~0,7 V), bloqueia no outro. Os dois modos de falha (curto e aberto) são igualmente fáceis de detectar. Insistir que o componente deve ser testado fora de circuito sempre que possível evita leituras enganadas pelos componentes vizinhos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Demonstrar a leitura nos dois sentidos num díodo bom • Mostrar o que dá um díodo em curto e um aberto • Alertar para o erro de testar em circuito sem desligar a alimentação

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Testar o BJT como dois díodos A chave deste teste é encarar o transístor bipolar como dois díodos costas-com-costas a partir da base. Uma vez interiorizada essa imagem mental, o procedimento de teste das junções B-E e B-C torna-se intuitivo e é igual ao do díodo. Convém praticar com transístores reais e identificar a pinagem antes de testar, para não confundir terminais. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Reforçar o modelo "dois díodos" para localizar as junções • Praticar o teste B-E, B-C e C-E num componente real • Lembrar a consulta da pinagem no datasheet antes de medir

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Avarias visíveis e inspecção Antes de pegar no multímetro, muita avaria revela-se à vista e ao olfacto: condensadores inchados, resistências carbonizadas, soldaduras frias baças. Treinar esta inspecção visual sistemática poupa tempo e é o primeiro passo de qualquer diagnóstico. Convém sublinhar que o condensador electrolítico é o componente que mais envelhece e que a soldadura fria explica muitas avarias intermitentes difíceis de apanhar. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Criar o hábito da inspecção visual antes da medição • Mostrar fotos ou amostras de condensadores inchados e soldaduras frias • Explicar porque as falhas intermitentes são as mais traiçoeiras

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Síntese da electrónica analógica Este resumo serve para o formando arrumar mentalmente os blocos e perceber como se encaixam: o díodo rectifica, o transístor amplifica ou comuta, o AOP condiciona, o filtro limpa e a fonte alimenta tudo. Vale a pena fechar voltando à ideia inicial de que a analógica faz a ponte com o mundo físico. Reforçar que o multímetro em modo díodo é a ferramenta transversal de diagnóstico deixa o formando com um método prático. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Pedir aos formandos que liguem cada bloco a uma das funções fundamentais • Recapitular o método de diagnóstico com multímetro como fio condutor • Sugerir um pequeno projecto-síntese (fonte + sensor + AOP) para consolidar