Potenciômetros e Trimpots

   Olá galera. Tudo bem com vocês? Hoje quero falar um pouco sobre esse componente importante e conhecido. O resistor variável conhecido por potenciômetro. Também abordarei o não tão popular trimpot, que se comporta de maneira parecida, mas tem outras utilidades. Vamos lá então!

   Falarei aqui sobre os potenciômetros analógicos, então que fique subentendido que, ao me referir ao potenciômetro, será o analógico. O potenciômetro não passa de um componente elétrico que possui uma resistência variável. Ele possui três terminais, sendo que a resistência máxima se encontra entre os dois da extremidade. Entre um dos terminais da ponta e o do meio se encontra a resistência que é variável através do deslocamento de um cursor. Suponhamos um potenciômetro de resistência nominal (máxima) de 10 \(k\Omega\). Se entre o terminal de uma ponta e o central eu tenho 6 \(k\Omega\), entre o terminal central e o da outra ponta eu terei os 4 \(k\Omega\) restantes.

   Os potenciômetros analógicos são compostos por uma pista de material resistivo, como filme de carbono. O eixo central possui um contato com esta pista, que conforme desliza altera a resistência, devido a mudança da distância entre este terminal (o central) com um da ponta. Sendo assim a alteração da resistência é proporcional ao deslocamento do cursor. Sua precisão depende do material com que a pista é feita.

   Há alguns fatores que influenciam na resistência do potenciômetro. Alguns tipos, por possuírem uma entrada aberta para a trilha, acumulam poeira e com isso ocorrem aumentos na resistência. Por possuir partes mecânicas móveis que regulam a resistência, o seu uso em máquinas que possuam vibração pode ocasionar, com o tempo, uma variação na mesma.

   Uma das aplicações mais populares do potenciômetro é aquele botão rotativo de volume dos rádios e das caixinhas de som. Porém aqui introduziremos o conceito de dois tipos de potenciômetros analógicos: o linear e o logarítmico.

   O funcionamento do linear é bastante fácil de entender, pois comportamentos lineares costumam ser bastante intuitivos. No potenciômetro linear, se eu rotacionar metade do cursor, eu vou obter metade da resistência para cada "lado". Se eu rotacioná-lo 75% do curso total, eu terei 75% da resistência total de um lado, e os 25% restantes do outro.

   Porém, como nossos ouvidos não seguem uma escala linear, e sim logarítmica, foram inventados os potenciômetros logarítmicos para aplicações sonoras, em geral. Nele, se eu colocá-lo na metade do cursor eu não obtenho metade da resistência, mas obtenho metade do som. Isso pois, como já mencionei, nossos ouvidos não obedecem uma escala linear, mas sim logarítmica. Mas isso vai ficar de assunto para outra postagem.

   Quanto a simbologia, o potenciômetro é desenhado da forma ilustrada na figura abaixo. Perceba que na simbologia há os terminais da extremidade, onde se encontra a resistência máxima nominal, e a terminação central de resistência variável.

   Agora vamos falar um pouco do trimpot. Não foi puramente preguiça que me impediu de fazer um post separado para o trimpot. A verdade é que eles são muito parecidos, porém usados para funções diferentes.

   O trimpot também consiste de uma resistência variável (na verdade, o termo mais apropriado seria ajustável). Porém difere do potenciômetro no modo como alteramos o valor de sua resistência. O ajuste do trimpot (pelo menos do tipo mais comum) é dado pelo aperto de um pequeno parafuso, que geralmente fica na sua parte superior ou frontal.

   A grande aplicação do trimpot é o uso para a calibração de aparelhos. Isso pois ele atinge valores mais precisos e é mais difícil alterar seu valor de resistência através de vibração. Quanto ao problema do pó, ele é mais resistente por não possuir aberturas tão salientes quanto o potenciômetro.

   Também é usado quando precisamos de uma resistência de valor não comercial. Por exemplo, se precisamos para o bom funcionamento de um aparelho uma resistência de 15 192 \(\Omega\), podemos usar um trimpot de 96 \(k\Omega\) e ajustá-lo precisamente nesse valor. E se depois eu descobrir que era melhor usar 17 576 \(\Omega\)? Simples, basta fazer alguns pequenos ajustes no trimpot. Simples, porém fascinante, não?

   E por hoje é isso. Sempre lembrando que a dissipação máxima de potência nestes componentes não deve passar de (no MÁXIMO!!!) 0,5 W, pois eles NÃO são feitos para dissipação de calor (experiência própria!). Lembre-se disso, e tudo funcionará maravilhosamente bem! Então estudem bastante, se cuidem e até a próxima...

Transistor BJT: Introdução

   Olá a todos. Hoje vamos falar do mais importante componente da eletrônica moderna: O Transistor. Então, sem mais delongas, vamos falar dele!

   Porém (xiiii, mas tu não disse "sem mais delongas"???), antes de falar do Transistor, vamos falar da era AT ("Antes do Transistor"). Para fazer uma comparação, e tendo em mente que o transistor foi inventado no final de 1947, vamos pensar: o que existia antes disso? Havia telefones, rádios e televisão, mas todos esses aparelhos eram primitivos, nada elegantes e ainda menos práticos. E o que ocorreu depois de 1947, na era PT ("Pós Transistor")? Bem, na década de 50 surgiu a televisão em cores nos Estados Unidos, em 1969 o homem foi para a Lua, em 1976 surgiu a Apple com sua ideia de computador pessoal. Tudo isso (e muito mais!) foi possibilitado ou facilitado pela invenção do transistor que substituiu as válvulas, permitiu a construção de CI's, da eletrônica digital e assim por diante. Abaixo está a imagem do primeiro transistor inventado:

   Felizmente com o tempo ele foi bastante diminuído. Existem transistores dentro de circuitos como processadores que não possuem mais que alguns átomos na sua constituição. Mas qual a ideia deste componente tão importante? Na verdade, a ideia é bem simples. No transistor BJT (Transistor de Junção Bipolar, a sigla do inglês para Bipolar Junction Transistor) a ideia é controlar uma corrente grande através de uma corrente pequena. Ele possui três terminais, chamados de coletor, base e emissor e sua construção interna assim como sua representação no esquema elétrico são mostradas na figura abaixo:

   Veja que ele é um sanduíche de cristais. Se tivermos um cristal N entre dois cristais P, chamamos o transistor de PNP. Se tivermos um cristal P entre cristais N, chamamos o transistor de NPN. É curioso saber que a região do emissor é maior que a região do coletor. Para analisar seu funcionamento, vamos tomar, por exemplo, um transistor NPN:

   Vamos remover mentalmente a fonte Vbe e ver o que acontece: Sem Vbe, podemos analisar o transistor como dois diodos ligados em antisérie, sendo que o "diodo" superior (a parte NP) está reversamente polarizado. Dessa forma o componente não conduz corrente alguma.

   Porém quando eu coloco uma tensão positiva na Base (através da fonte Vbe) e forço um fluxo de corrente entre a Base e o Emissor, eu estreito aquela junção P, pois eu mando elétrons para preencherem as lacunas que lá estão. Como aquela junção está menor, os elétrons que vem pelo Coletor conseguem saltar essa barreira, indo parar no Emissor, cujo potencial é o terra. Dessa forma a corrente do emissor é igual a soma da corrente aplicada na base com a corrente circulando no coletor. Porém como a corrente na Base é geralmente muito pequena se comparada a corrente do coletor, muitas vezes a desconsideramos.

   De forma simplificada, o transistor BJT é um dispositivo que amplifica a corrente. Agora que este dispositivo está um pouco mais explicado, vamos tentar um exemplo prático. Tente acompanhar os cálculos e as ideias por trás da análise do circuito a seguir:

   Este é uma das aplicações mais clássicas do transistor BJT: um Amplificador. Embora esta configuração não seja muito usada, ela irá servir de exemplo para entendermos melhor o funcionamento do BJT. Vamos fazer uma análise CC. Isso quer dizer que vamos ignorar a entrada de sinal e o capacitor C, ignorando sua existência para nossos propósitos.

   Vamos supor um transistor com ganho 300. Isso significa que a corrente entre o coletor e o emissor será 300 vezes maior que a corrente que entrar na base. Então vou mostrar como fazer a análise do circuito, dando valores como Vcc = 12V, \(R_1\) = 10K, \(R_2\) = 15R, \(R_3\) = 150R e um \(h_{fe}\) (ganho do transistor) = 300.

   Vamos considerar que em \(R_1\) passe uma corrente, cujo valor não sabemos, e que chamaremos de I1. Essa corrente, ao passar pela base do transistor, fará aparecer uma corrente 301 vezes maior no emissor. Pois temos 300\(I_1\) (corrente amplificada do transistor) mais \(I_1\) (corrente que entrou originalmente pela base saindo pelo emissor). Isso totaliza nossos 301\(I_1\), que é a corrente que passará por \(R_3\). Considerando que entre a base e o emissor temos uma configuração análoga a um diodo diretamente polarizado, também podemos considerar uma queda de tensão de 0,7V, tomando, por exemplo, um transistor de silício.

   Aplicando a análise de malha de Kirchoff, saímos com 12 V da nossa fonte. Temos, em \(R_1\), uma queda de tensão de \(I_1 R_1\). Depois perdemos mais 0,7 V para a polarização da base do transistor e, por fim, temos uma queda de tensão de 300\(I_1 R_3\). Substituindo \(R_1\) e \(R_3\) por seus respectivos valores e equacionando toda essa confusão, obtemos:

$$ \Large 12V - 10000I_1 - 0.7V -301 \times 150 I_1 = 0 $$

$$ \Large 10000 I_1 + 45150 I_1 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 (10000 + 45150) = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 \times 55150 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 = 204 \mu A $$

   Quem é \(I_1\)? Definimos \(I_1\) como sendo a corrente que passa por \(R_1\), que é a mesma corrente que entrará na base no transistor. Sabendo essa corrente, podemos inferir as demais do circuito como, por exemplo, a corrente que passa por \(R_2\) é trezentas vezes maior que a corrente que entra na base. Sabendo que a corrente da base vale 204 uA podemos descobrir facilmente que a corrente que atravessa \(R_2\) é de 61,4 mA. Sabendo que a corrente no emissor é a soma da corrente do coletor com a corrente da base (ou, nesse caso, poderíamos entender como sendo 301 vezes maior que a corrente da base), podemos ver que a corrente em \(R_3\) é de 61,6 mA. Com os valores das correntes e dos resistores podemos calcular as tensões no circuito como sendo:

$$ \Large V_{R_1} = I_1 R_1 = 204 \mu A \times 10000 \Omega = 2.04 V $$

$$ \Large V_{R_2} = 300 I_1 R_2 = 61.4 mA \times 15 \Omega = 0.921 V $$

$$ \Large V_{R_3} = 301 I_1 R_3 = 61.6 mA \times 150 \Omega = 9.24 V $$

   Por fim, vamos fazer a análise das malhar para verificar nossa resposta:

   Saindo da fonte eu tenho uma queda de 2,04 V em \(R_1\), mais uma queda de 0,7 V na base do transistor e outra queda de 9,24 V no \(R_3\). A soma dessas quedas de tensão devem totalizar a tensão original da fonte, que é 12 V. Realmente, somando todas as quedas obtemos um valor de 11,98 V, que só não é exato devido a questões de arredondamento.

   Fazendo a outra malha, saindo da fonte, temos uma queda de 0,921V em \(R_2\) e 9,24 V em \(R_3\). Somando isso obtemos 10,161 V! Mas cadê os outros 1,839 V que faltam para completar os 12 V? Será que nossa análise está errada? Não, na verdade essa tensão está entre os terminais coletor e emissor do transistor.  O que acontece é que com a corrente que estamos injetando na base o transistor só deixa passar determinada quantidade de corrente. Essa corrente produz uma queda de tensão nos resistores e a queda de tensão que falta para completarmos a tensão da fonte é retida pelo transistor. Vemos que, apesar do transistor estar no coração da eletrônica moderna, ele pode ser analisado usando regras simples, como as Leis de Kirchoff e a tradicional e conhecida Lei de Ohm.

   Mas se lembram que eu disse que essa configuração não é usada na prática? Vocês estão curiosos para saber o porquê? Nessa configuração a corrente que entra na base é sempre a mesma, pois depende exclusivamente dos resistores de polarização \(R_1\) e \(R_3\). Porém a fabricação de transistores não é precisa. O que eu quero dizer com isso? Que se você tem um transistor BC-337 queimado e você trocar por outro BC-337 este circuito pode não funcionar. Isso se dá pelo fato de que o BC-337 tem um ganho entre 100 e 630. Ou seja, dois transistores iguais podem ter ganhos muito diferentes. Como nessa configuração o ganho do transistor influencia na polarização do circuito (nas tensões e correntes), e devido ao fato de ser difícil encontrar dois transistores com mesmo ganho, esse arranjo não é muito utilizado. Porém há configurações que veremos mais adiante que não tem esse problema, como a polarização por divisor de tensão.

   Claro que esperar falar de toda a teoria do transistor em um post é uma proposta utópica. Capítulos inteiros são dedicados ao BJT e as suas aplicações como amplificador, sem falar nos outros tipos de transistores, como o JFET, MOSFET, IGBT, etc. Há também outros conceitos que serão abordados mais adiante, como saturação do transistor, avalanche térmica, e também outros circuitos abordando os transistores. Mas acredito que esse post tenha servido para dar uma visão geral do que é um transistor e por que ele foi criado. E por hoje era isso. Até a próxima postagem e se cuidem.

CI Timer 555

   Hoje vou falar sobre o mais simpático circuito integrado da eletrônica: o timer 555. Comentarei um pouco da sua história, sobre suas funções e também traduzirei o seu datasheet, para obtermos informações precisas sobre seu funcionamento.

   O timer 555 é um circuito integrado que encontra uma variedade de aplicações em timers, geradores de pulso e osciladores. Apesar de antigo, continua muito usado. Em 2003 foi estimada uma produção de 1 bilhão de unidades desse componente.

   A ideia do circuito foi proposta em 1970 por Hans R. Camenzind e Jim Ball. Há boatos que o nome 555 deriva da associação de 3 resistores de 5K em série que existem dentro do CI, que dividem a tensão para servir de referência para os comparadores. Agora, sem mais delongas, vamos ao datasheet...

LM555

Timer

Encapsulamentos 8-DIP (Ilustrado abaixo, por ser mais comum)  e 8-SOIC.

Características:

* Capacidade de alta corrente na saída (200mA);

* Ajuste do Duty Cicle;

* Estabilidade de temperatura de 0,005%/°C;

* Temporiza desde microsegundos até horas;

* Tempo de desligamento menor que 2 microsegundos.

Abaixo há a ilustração do seu diagrama de blocos interno:

Aplicações:

* Temporizador de precisão;

* Gerador de pulsos;

* Gerador de Atraso de tempo;

* Timer Sequenciador.

Descrição:

O LM555 é um controlador altamente estável capaz de produzir pulsos precisos. No modo monoestável, o atraso no tempo é controlado por um resistor externo e um capacitor. No modo astável, a frequência e o ciclo duty são precisamente controlados por dois resistores externos e um capacitor.

Valores Máximos Absolutos (considerando a temperatura ambiente de 25°C)

* Tensão de Alimentação: 16V;

* Temperatura de Chumbo (soldagem de 10 segundos): 300°C

* Dissipação de Potência: 600mW;

* Faixa de Temperatura de Operação: de 0°C a 70°C;

* Faixa de Temperatura para Armazenamento: de -65°C até 150°C.

Características Elétricas (Ta = 25°C e Vcc = 5~15V, quando não especificado)

* Tensão de Operação: Min: 4,5 V; Máx: 16 V;

* Corrente de Operação: (p/ Vcc = 5 V) Min: 3 mA; Máx: 6mA; (p/ Vcc = 15 V): Min: 7,5 mA; Max: 15 mA. Em ambos os casos, se considera uma resistência de carga infinita.

* Erro de Temporização (Modo Astável):

- Desvio devido a temperatura: 150 ppm/°C

- Desvio devido a tensão de alimentação: 0,3 %/V

* Tensão de Controle:

- Para Vcc igual a 15 V: Mín: 9  V; Tip: 10 V; Máx:11 V.

- Para Vcc igual a 5 V: Mín: 2,6V; Tip: 3,33 V; Máx: 4 V.

* Tensão de Threshold:

- Para Vcc igual a 15 V: 10 V.

- Para Vcc igual a 5 V: 3,33 V.

* Corrente de Threshold: Tip: 0,1 uA; Máx: 0,25 uA.

* Tensão de Gatilho:

-Com Vcc igual a 15 V: Mín: 4,5 V; Tip: 5 V; Máx: 5,6 V.

-Com Vcc igual a 5 V: Mín: 1,1 V; Tip:1,67 V; Máx: 2,2 V.

* Corrente de Gatilho (com 0 V no Gatilho): Tip: 0,01 uA; Máx: 2 uA.

* Tensão de Reset: Mín: 0,4 V; Tip: 0,7 V; Máx: 1 V.

* Corrente de Reset: Tip: 0,1 mA; Máx: 0,4 mA.

* Tensão de Saída Baixa:

-Com Vcc igual a 15 V: Tip: 0,3 V; Máx: 0,75 V.

-Com Vcc igual a 5 V: Tip: 0,05 V; Máx: 0,35 V.

* Tensão de Saída Alta:

-Com Vcc igual a 15 V: 12,5 V (para Isource = 200 mA) e 13,3 V (para Isource = 100mA).

-Com Vcc igual a 5 V: Entre 2,75 V e 3,3 V (para Isource de 100 mA)

* Tempo de Subida: 100ns.

* Tempo de Descida: 100ns.

* Corrente de Fuga de Descarga: Tip: 20nA; Máx: 100nA.

   Claro que o datasheet contém várias outras informações, mas as que eu considero principais estão aí. Espero ter ajudado quem precisava de informações básicas sobre esse componente e, pra quem quer informações mais detalhadas, ou tiver alguma dúvida quanto a tradução, procure no google o datasheet desse CI, ou deixe um comentário. Então fiquem com aquele abraço e não se esqueçam de continuar estudando muito. Até a próxima. ;)

Indutor: Uma Visão Básica

   Olá a todos os leitores deste blog. Hoje falarei sobre um famoso componente da eletrônica: o indutor. Apesar de sua importância, muitas vezes ele é visto como um coadjuvante da eletrônica, mas garanto que não o é. Ele é um componente passivo chamado reativo. Mas, afinal, o que ele é? Como ele funciona? Essas dúvidas serão respondidas nesse post.

   Fisicamente, o indutor consiste de um fio enrolado, que é conhecido por bobina. Cada volta dessa bobina é chamada de espira. Quando uma corrente elétrica atravessa o fio dessa bobina cria um campo magnético nessas espiras. Dessa forma a energia elétrica é convertida na energia desse campo magnético. Podemos dizer então que a função do indutor é armazenar energia em forma de campo magnético. A capacidade do indutor de criar um fluxo de campo magnético com uma determinada corrente é denominada indutância, e medida em Henrys, cujo símbolo é H, onde:

$$ \Large L = \frac{\phi}{i}$$

Onde:

L é a indutância, medida em Henrys [H];

\(\phi\) é o fluxo magnético, medida em Webers [Wb];

i é a corrente elétrica que atravessa o condutor, medida em Ampères [A];

Por ser constituído simplesmente de um fio enrolado, o seu símbolo nos diagramas esquemáticos é o seguinte:

   O primeiro símbolo é o indutor com núcleo de ar. Núcleo é a parte onde o fio é enrolado. Nesse caso, o fio não é enrolado em nada, ou seja, seu núcleo é de ar. Essa simbologia também é usada para representar um indutor qualquer, quando a informação do tipo de núcleo não é relevante. O segundo é usado para representar o indutor com núcleo de ferro e, o último, para representar os indutores com indutância variável. Eu admito nunca ter visto um desse último tipo, mas em todo caso, é melhor conhecer...

   Enfim, vamos analisar o comportamento do indutor. Quando uma corrente em CC atravessa o indutor, cria nele um campo magnético \(\vec{B}\) em cada espira. O campo formado por cada espira individualmente se soma, criando assim o campo da bobina. Dessa forma são gerados um pólo norte e um pólo sul e a bobina passa a se comportar como um eletroímã. É interessante observar que quando a corrente passa pela primeira espira (por enquanto, apenas pela primeira) do indutor, é gerado um pequeno campo magnético. Essas linhas de campo magnético criadas pela primeira espira cortam as outras espiras, induzindo algo conhecido como Força Contra-Eletromotriz (FCEM). Essa força contra-eletromotriz tenta impedir a passagem da corrente que a criou. Isso gera uma oposição extra a passagem de corrente. Então para o indutor, não temos apenas a resistência ôhmica do fio. Temos também essa FCEM induzida, cuja oposição a passagem de corrente é chamada de reatância indutiva.

   Mas essa oposição se dá devido a variação do campo magnético causado pela variação da corrente no indutor. No exemplo do caso CC, perceba que o indutor só apresenta essa reatância quando a corrente por ele aumenta, que é o momento em que começamos a alimentar a bobina. . Por isso, na corrente contínua, esse efeito logo se cancela e a fonte passa a "enxergar" apenas a resistência ôhmica do fio do enrolamento, que muitas vezes equivale a um curto-circuito. Porém, quando o assunto é corrente alternada, a história é diferente...

   Como na corrente alternada, a corrente está sempre variando (por isso se chama corrente ALTERNADA), esse efeito chamado reatância indutiva não termina. Dessa forma não podemos considerar somente a resistência ôhmica do fio, devemos incluir os efeitos da reatância indutiva. Quanto maior a frequência do sinal aplicado, mais rápida é a variação da corrente e com mais intensidade se dá o fenômeno de oposição a passagem de corrente. A expressão para o cálculo da reatância indutiva é bastante simples, sendo mostrada abaixo:

$$ \Large X_L = 2 \pi f L $$

Onde:

\(X_L\) é a reatância indutiva, medida em ohms [\(\Omega\)];

f é a frequência do sinal, medida em Hertz [Hz;];

L é a indutância da bobina, medida em Henrys [H].

   Mas, fisicamente, o que define a indutância de uma bobina? Vamos responder essa pergunta pensando. A indutância aumenta quando o fluxo magnético aumenta. O fluxo total é a soma do fluxo de cada espira separada. Então, quanto mais espiras tivermos, mais fluxo teremos e, assim, mais indutância. A indutância também aumenta em proporção direta com a área da seção transversal do fio. Ou seja, se o diâmetro aumenta, a indutância aumenta. O núcleo da bobina também faz a diferença. Se enrolarmos a bobina em uma barra de ferrite, que permite facilmente a passagem do campo magnético, teremos um fluxo melhor do campo e, dessa forma, maior indutância. Enrolar a bobina em camadas também aumenta a indutância, pois cada camada ajuda na "somatória" do campo criado independentemente por cada espira.

   Um fator que diminui a indutância é aumentar o comprimento da bobina sem aumentar o número de espiras. Pois, dessa forma, estaremos afastando as espiras entre si, de forma que o campo criada por uma está mais afastado do campo criado pela outra. Assim a soma dos campos se torna mais difícil, o fluxo total final se torna menor e, com isso, a indutância também diminui.

   Isso é basicamente tudo o que precisamos saber por enquanto sobre a construção e o funcionamento dos indutores. Para encerrar, irei falar um pouco de suas aplicações. A principal delas é o transformador, que usa enrolamentos para aumentar ou rebaixar tensões alternadas. Você perceberá que um transformador não funciona com tensão contínua (não faça o teste, pois isso danifica o enrolamento primário do trafo), pois o transformador funciona quando o primário induz uma tensão no secundário. O secundário só irá ter uma tensão induzida quando for atravessado por um campo magnético variável criado pelo primário, e o campo do primário só será variável se a corrente que o atravesse também for. Assim o transformador só funciona com corrente alternada. Quem sabe, futuramente iremos estudar esses conceitos mais afundo...

   Outra aplicação das bobinas são eletroímãs. Eles ocorrem quando passamos uma corrente CC por um indutor. Assim, o campo magnético criado pelo indutor será fixo, apresentando um pólo sul e um pólo norte e se comportando como um imã. Esse princípio é aplicado em trancas acionadas eletronicamente, em relés e até em motores, embora nesse último caso seja de uma forma um pouco diferente. Quem sabe um dia eu fale sobre motores...

   Mas, por enquanto, o melhor que faço é me despedir. Vimos que as bobinas são componentes muito úteis em diversas aplicações. No próximo post eu vou comentar sobre o comportamento da corrente e da tensão na presença de uma reatância indutiva e também sobre a associação de indutâncias. Existe a associação série, paralelo e a indutância mútua, que é quando o campo de uma bobina interfere nas espiras de outra. Enfim, tudo isso é assunto para uma outra hora. Até lá se cuidem e continuem estudando. Abraço!

Introdução ao Diodo Zener

   Olá a todos. Hoje vamos falar desse carinha especial que é o diodo zener. O que ele é? O que ele faz? Como ele faz? Todas essas informações valiosas você encontra aqui, no melhor blog de eletrônica do Brasil! (ahhhh, eu tenho que vender meu peixe né gente!)...

   O diodo zener (nomeado em homenagem ao cientista norte-americano Clarence M. Zener) é um diodo de aplicação especial projetado para operar no que se chama de "região zener". Ele é especialmente dopado para operar acima da região de ruptura reversa. Mas, antes de analisar esses detalhes de sua construção, vamos estudar seu funcionamento. E, para começar tal análise, vamos olhar para sua curva característica.

   Veja que, quando polarizado diretamente ele se comporta como um diodo comum, dando a queda de 0,7 V usual dos diodos de silício. A questão é que quando ele é polarizado reversamente ele tenderá a segurar uma tensão reversa chamada de tensão zener. Vamos analisar melhor esse fato estudando a montagem abaixo:

   Imagine que temos um diodo zener de 12 V, um resistor em série de 1 K e que a fonte de tensão \(V_{in}\) tenha uma tensão variável de 0 a 30 V, por exemplo. Começando com a fonte em 0 V e aumentando, nada acontece antes de chegar nos 12 V. Isso pois o diodo zener vai estar reversamente polarizado, segurando para si toda tensão e não haverá circulação de corrente no circuito. Quando a tensão passar de 12 V o diodo zener começa a conduzir mesmo estando reversamente polarizado. Suponha uma tensão de 15 V na fonte \(V_{in}\). Em cima do diodo zener estará a tensão zener, que é de 12 V. Os outros 3 V restantes estarão sobre o resistor R, que dissemos ser de 1000 Ohms, por exemplo. Assim, uma tensão de 3 V sobre um resistor de 1 K nos dá uma corrente de 3 mA. Se a tensão aumentar para 20 V, em cima do zener ainda estarão os 12 V, estando os 8 V restantes sobre o resistor. Assim a corrente que circulará pelo circuito será de 8 mA. Chegando, por fim, ao extremo máximo da fonte, estaremos aplicando 30 V sobre todo o circuito. Em cima do zener ainda estarão os mesmo 12 V, estando os 18 V restantes sobre o resistor de 1 K, por onde circula uma corrente de 18 mA.

   Ou seja, o diodo zener tem a capacidade de reter para si uma tensão, chamada de tensão zener, desde que ele seja ligado em série com um resistor e sobre esse conjunto seja aplicada uma tensão maior que a tensão zener.

   Por que ele deve ser ligado em série com um resistor? Pois o diodo zener irá reter para si a tensão zener. A tensão que sobra, ou seja, esse excesso de tensão deve ser "absorvido" por outro componente, que, nesse caso, é o resistor em série.

   Por que a tensão no conjunto (ou seja, na série) deve ser maior que a tensão zener? Pois o diodo zener não tem como segurar 12 V, por exemplo, se não houver 12 V para serem segurados. O mesmo se aplica a qualquer diodo zener de qualquer tensão. Deve ser aplicada uma tensão maior que a zener para que o diodo segure a tensão zener, jogando o excesso para o resistor. Como regra geral, para uma boa regulação zener, deve ser aplicada sobre a série uma tensão de, no mínimo, 20% maior que a tensão zener. Ou seja, com um diodo zener de 12 V devemos aplicar na associação série uma tensão de, no mínimo, 14,4 V. Dessa tensão, 12 V ficarão no diodo zener e os 2,4 V restantes no resistor.

   O que acontece se ligarmos o diodo zener sem o resistor série? Pense que, quando a tensão excede o valor de tensão zener, o diodo passa a conduzir intensamente. A única coisa que limita a corrente do circuito é o resistor em sére. Assim se aplicarmos uma tensão superior a tensão zener sobre um diodo zener sem um resistor em série ele irá se danificar devido ao excesso de corrente que irá fluir por ele. Por isso o resistor em série tem grande importância nos circuitos com zener.

   Quais são as outras características do zener? Bem, como ele segura uma tensão em cima dele, e por ele circula uma corrente elétrica, existe uma potência dissipada. Assim, existe dois fatores que devem ser levados em conta ao comprar um diodo zener: a tensão zener e a potência nominal. Por exemplo, existe um diodo zener chamado 1N4742A. Sua tensão zener é de 12 V e a potência nominal é de 1 W. Dividindo a potência pela sua tensão zener, descubriremos a corrente máxima que ele suporta: 83,3 mA. Para maior durabilidade dos componentes usamos um fator de segurança 2. Isso quer dizer que se o diodo suporta, no máximo, 83,3 mA, nós usaremos, no máximo, metade disso. Então, a corrente que usaríamos seria de 41,6 mA. Isso garante que o diodo zener, por operar com bastante "folga", dure muito tempo em ótimo estado de funcionamento.

   Porém falamos até agora de um diodo zener ideal, ou seja, não importa a tensão em sua malha, sua tensão é sempre exatamente igual a tensão zener. Mas, porém, entretanto e todavia, um diodo zener ideal não existe. Isso por que o diodo zener possui um determinado valor de resistência de corpo, ou seja, a resistência que ele apresenta para a corrente que passa através dele. Então, conforme passa corrente por ele, a tensão que fica em cima dele é a tensão zener mais o produto dessa corrente por sua resistência de corpo, ou seja:

$$ \huge V_D = V_Z + I \times R_B $$

onde:

 \( V_D \)é a tensão sobre o diodo zener;

 \( V_Z \)é a tensão zener;

 \( I \)é o valor da corrente elétrica que atravessa o diodo;

 \( R_B \)é a resistência de corpo que o diodo apresenta.

   Em geral a resistêcia de corpo é baixa, apresentando assim uma pequena variação na tensão zener. Então a fórmula que nos permitia calcular a corrente com um diodo zener ideal, que era:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R} $$

   Transforma-se na seguinte fórmula, que nos permite calcular a corrente em um circuito considerando um diodo zener real que possui resistência de corpo:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R + R_B} $$

  Deixe-me dar um exemplo, para ilustrar a ideia com números. O datasheet do diodo 1N4742A informa que a resistência de corpo do diodo é de 9 Ohms. Supondo uma tensão de 30 V aplicada sobre o diodo em série com um resistor de 1000 Ohms a corrente ideal, já calculada por nós, foi de 18 mA. Usando a fórmula do diodo ideal, vamos ter uma corrente um pouco menor, de 17,8 mA. A variação foi baixíssima, mas é sempre bom saber que ela existe, até para entender melhor o funcionamento do componente. E perceba que quanto menor o valor do resistor em série, mais significativo se torna a resistência do diodo. Quanto maior a corrente absorvida pelo zener, maior se torna a diferença também. Se usarmos a corrente máxima nominal do diodo zener 1N4742A, que é de 83,3 mA, a tensão sobre o zener passa de 12 V para 12,75 V. Essa tensão extra é a tensão segurada pela resistência de corpo [9 Ohms] com a corrente nominal [83,3 mA].

   O diodo zener é excelente para manter uma tensão fixa de referência em algum ponto do circuito. Seu único problema é que por ele não pode circular muita corrente. Isso limita alguns de seus usos, embora existam diodos zener que suportem correntes maiores.

   E agora que entendemos o funcionamento do diodo, eu encerro esta postagem. No próximo post eu quero falar mais dos mecanismos de funcionamento do diodo zener, que são o efeito avalanche e o efeito zener. Também queria até falar um pouquinho sobre o Clarence Zener, mas aí já não prometo nada. Mas, enfim,  isso é assunto para um futuro próximo. Até lá, se cuidem e estudem bastante.

Diodos Retificadores: Família 1N4000

Olá a todos. Hoje vou fazer a tradução do datasheet dos diodos retificadores de uso geral da (conhecida) família 1N4000. Essa família é amplamente utilizada nos estágios de retificação dos circuitos, e é por isso que estudaremos esses diodos hoje.

1N4001-1N4007 (Retificadores para Aplicações Gerais)
Encapsulamento de vidro tipo DO-41 (faixa colorida indica o catodo).

Valores Máximos Absolutos (considerando a temperatuda ambiente [Ta] como sendo 25°C, quando não especificado).

* Tensão Máxima de Pico Reverso Repetitivo (PIV ou Vrrm):
-1N4001 até 50V
-1N4002 até 100V
-1N4003 até 200V
-1N4004 até 400V
-1N4005 até 600V
-1N4006 até 800V
-1N4007 até 1000V

* Corrente Média Direta Retificada (Ta=75°C): 1A;

* Corrente Direta Máxima de Pico Não-repetitivo (8,3ms com meia senóide): 30A;

* Faixas de Temperatura para Armazenamento: -55°C até 175°C;

* Faixas de Temperatura para Operação: -55°C até 175°C;

Caracterísitcas Térmicas.
Obs.: Os valores a seguir servem para todos os diodos entre 1N4001 até 1N4007.


* Dissipação de Potência: 3W

* Resistência Térmica, da Junção para o Ambiente: 50°C/W

Caracterísiticas Elétricas (Ta= 25°C quando não especificado).
Obs.: Os valores a seguir servem para todos os diodos entre 1N4001 até 1N4007.

* Tensão Direta em 1A: 1,1V;

* Corrente Reversa Máxima com Carga Total, em um Ciclo Completo (Ta=: 75°C): 30uA;

* Corrente Reversa medida em Vr: 5,0uA (Ta=25°C) e 500uA (Ta=100°C);

* Capacitância Total (Vr = 4V, f = 1,0MHz): 15pF;

Bem pessoal, esses são os dados traduzidos da primeira página do datasheet da Fairchild Semiconductors sobre seus diodos da família 1N4000. Mas, em geral, todos os diodos dessa família devem obedecer as caracterísiticas acima comentadas. E, de "brinde", vocês ganham a seguir as dimensões do encapsulamento DO-41. Abraço e até a próxima!

Capacitor: Matemática e Circuito RC Série

Em outro post eu falei de forma mais qualitativa sobre esse componente. Agora, neste post, me proponho a analisar o capacitor com um maior rigor, só obtido através da matemática. Também comentarei sobre o circuito RC série, o comportamento do capacitor em corrente alternada e também a forma como associamos eles.

Quando ligado corretamente em tensão contínua ele se carrega quase instantaneamente. Porém acontece algo interessante quando ele é ligado em série com um resistor. O comportamento do capacitor descarregado é equivalente a um curto-circuito. Portanto, toda a tensão da fonte estará sobre o resistor e a corrente do circuito será a tensão da fonte dividida pela resistência do resistor (cálculo a partir da Lei de Ohm). Porém essa corrente do circuito começa a carregar o capacitor. Com isso a tensão do resistor passa a diminuir e a do capacitor a aumentar. Isso ocorre até que o capacitor esteja completamente carregado. No final desse período (que se chama período transitório) o capacitor está carregado com a mesma tensão da fonte, não há tensão no resistor e nem corrente circulando pelo circuito. Abaixo há alguns gráficos que ilustram esse comportamento.



Mas qual o tempo do período transitório? Isso depende de dois fatores: a resistência e a capacitância do circuito. Se multiplicarmos esses dois parâmetros (resistência x capacitância) obteremos algo conhecido como constante de tempo (cujo símbolo é a letra grega minúscula tau []). Quanto maior o resistor, menos corrente inicial passará e por isso o capacitor se carregará mais lentamente. Quanto mais capacitância o capacitor possuir, mais "espaço interno" terá para depositar as cargas, aumentando o tempo de carga. Em cerca de 5o capacitor estará completamente carregado e o período transitório terá sido finalizado.

Por exemplo, um circuito de 24V possui, em série, um resistor de 3300 ligado em série com um capacitor de 2200 , qual o tempo necessário para que o capacitor esteja completamente carregado? Primeiro devemos calcular a constante de tempo, multiplicando os 3300 pelos 0,0022 Farads. Isso nos dá uma constante de tempo de 7,26 segundos. Como é necessário 5 para carregar o capacitor, serão necessários algo em torno de 36 segundos para atingir a carga plena do capacitor.

As equações da curva dos gráficos acima são as seguintes:








Onde:

é a tensão no resistor, medido em Volts;
é a tensão no capacitor, medido em Volts;
é a corrente inicial, medida em Ampères, que corresponde a: ;
é o valor da resistência do resistor associado em série, medido em ohms;
é a tensão total da fonte, medido em Volts;
é o número de napier, constante adimensional, irracional, igual a aproximadamente 2,72;
é a constante de tempo, medida em segundos, que corresponde a: ;
é o tempo decorrido, medido em segundos.

Outras equações relacionam a corrente e a tensão no capacitor. São elas:



De forma equivalente, podemos dizer que:



Vamos fazer a interpretação das equações acima. A primeira fala que a tensão no capacitor é proporcional a integral da corrente. A integral da corrente é a carga. Assim, a tensão do capacitor é proporcional a carga armazenada por ele e inversamente proporcional a sua capacitância.

A segunda equação envolve a derivada da tensão, ou seja, a velocidade com que a tensão varia. Isso significa que quanto mais rápido varia a tensão, mais corrente "atravessa" o capacitor. Isso poderá ser visto como a variação da reatância capacitiva conforme a frequência de variação da tensão.

Vimos que, depois de carregado, o capacitor se comporta como um circuito aberto em tensão contínua. Isso significa que não há corrente no circuito pois sua "resistência" é "infinita". Já se ligarmos o capacitor em tensão alternada, passará uma corrente que depende da frequência do sinal. Essa corrente é limitada pela "resistência" do capacitor, que se chama reatância capacitiva. A expressão que calcula a reatância (representada por ) é a seguinte:



Onde:

é a reatância capacitiva, medida em ohms;
é a capacitância do capacitor
é a frequência do sinal de tensão, medido em Hertz.

Vemos que quanto maior a frequência, menor a reatância e, portanto, maior a corrente. Para altas frequências o capacitor se comporta como um curto-circuito. Para baixas frequências ele apresenta alta reatência, se comportando como um circuito aberto para frequências muito baixa ou para corrente contínua (onde a "frequência é nula).

Quanto a associação de capacitores, se procede da seguinte maneira. Se calcularmos a reatância capacitiva de cada capacitor, associaremos essas reatâncias da mesma forma como associamos os resistores. Em série é a soma e em paralelo é o inverso da soma dos inversos. Já se nossa intenção for associar as capacitâncias, procederemos de forma contrária ao capacitor. Quando eles estiverem em paralelo, somaremos as capacitâncias dos dois ou mais. Quando estiverem em série, então faremos o inverso da soma dos inversos. E lembre-se de não confundir a associação das reatâncias capacitivas com a associação das capacitâncias, pois isso geralmente causa confusão no início. Caso você não saiba como se faz a associação dos resistores, de uma olhada no post "Associação de Resistores: Série, Paralela e Mista".

E por hoje é isso. Eu ainda não concluí satisfatoriamente uma explicação de capacitores, então acredito ser necessário mais um post. No próximo post vou me aprofundar ainda mais sobre o comportamento do capacitor em corrente alternada, falarei mais detalhadamente sobre sua associação e demonstrarei um uso dele, que é a filtragem que se faz após a retificação de um sinal alternado. Não sabe o que é isso? Ficou curioso? Então não se esqueça de ler o próximo post na semana que vem. Abraço!