Eletrônica Analógica - Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA PDF

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parei MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEMAT – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS COORDENAÇÃO DE MECATRÔNICA Vin Vcomp Vcc -Vcc Vout Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA – TEORIA PROF. ANDRÉ BARROS DE MELLO OLIVEIRA Campus I – Belo Horizo...

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Eletrônica Analógica - Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA Mellogalo Oliveira

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parei

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS

DEMAT – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

COORDENAÇÃO DE MECATRÔNICA

Vin Vcomp Vcc

-Vcc

Vout

Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA – TEORIA

PROF. ANDRÉ BARROS DE MELLO OLIVEIRA

Campus I – Belo Horizonte  MINAS GERAIS Fevereiro de 2017

Departamento de Engenharia de Materiais

Campus I – Belo Horizonte Av. Amazonas 5253 - Nova Suíça - Belo Horizonte - MG - Brasil CEP 30.421-169 - Telefone: +55 (31) 3319-7000

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Lista de alguns termos e siglas da área Eletroeletrônica

A - Abbreviation for "ampere" a unit of electrical current. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. Órgão responsável pela normalização técnica no Brasil, fornecendo a base necessária ao desenvolvimento tecnológico brasileiro. Trata-se de uma entidade privada e sem fins lucrativos e de utilidade pública, fundada em 1940. AC/DC - Equipment that will operate on either an AC or DC power source. AC generator - Device used to transform mechanical energy into AC electrical power. AC voltage - A voltage in which the polarity alternates. AC – Alternating Current. Polarity current moving from positive to negative. Amplitude - the strength of an electronic signal. AOP ou Amp-Op – Amplificador Operacional. ANSI – American National Standards Institute, Instituto de normas dos Estados Unidos que publica recomendações e normas em praticamente todas as áreas técnicas. AWG - Abbreviation for "American wire gauge". A gauge that assigns a number value to the diameter of a wire. Beta - (b) The ratio of collector current to base current in a bipolar junction transistor (BJT). Bipolar junction transistor - (BJT), A three terminal device in which emitter to collector current is controlled by base current. BJT – Bipolar Junction Transistor. CA – Corrente Alternada. CAD - Abbreviation for "computer aided design" Center TAP - Midway connection between the two ends of a winding. Center tapped rectifier - Circuit that make use of a center tapped transformer and two diodes to provide full wave rectification. Center tapped transformer - A transformer with a connection at the electrical center of a winding. CC – Corrente Contínua. DC – Direct Current (corrente contínua). Direct Current / DC - consistent current that moves in one direction. Earth - a source that grounds the rest of the electronics. Farad - a unit of measurement used with capacitance. GND – de Ground (terra). Potencial de referência de um circuito elétrico, tomado como nível zero (0 V). IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) LCD – Liquid Cristal Display (Tela de Cristal Líquido) LDR – Light Dependent Resistor LED - Light Emitting Diode (diodo emissor de luz) MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.  - Rendimento. Op-Amp – Operational amplifier. RMS – Root Mean Square (valor médio quadrático). RPM (ou rpm) – Rotações por minuto. TJB - transistor (ou transistor) de junção bipolar. VCC – Tensão Contínua (o mesmo que VDC). RMS - acronym meaning Root Mean Squared. Volt - unit measuring electromotive force. Watt - unit measuring power. Fontes: 1) Glossary / Dictionary of Electronics Terms, em http://www.hobbyprojects.com/dictionary/a.html 2) Glossary of Electronic Terms - http://www.datarecoverylabs.com/electronic-glossary.html 3) Electronic Engineering Electronic - http://www.interfacebus.com/Glossary-of-Terms.html INTERESSANTE! Dicionário Inglês-Português online: http://www.linguee.com.br/ingles-portugues/traducao/

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Eletrônica Analógica – Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA

Alfabeto Grego

Maiúsculas A B   E Z H  I K  M N  O  P  T Y  X  

Minúsculas                        

Nome Clássico Alfa Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda Mu Nu Xi (ksi) Omicrón Pi Rho Sigma Tau Upsilón Phi Chi Psi Ômega

Prefixos SI* Fator 10-3 10-6 10-9 10-12 103 106 109 1012

Prefixo mili micro nano pico quilo mega giga tera

Símbolo m  n p k M G T

* SI: Sistema Internacional de Unidades, é um conjunto sistematizado e padronizado de definições para unidades de medida, utilizado em quase todo o mundo moderno, que visa a uniformizar e facilitar as medições e as relações internacionais daí decorrentes. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

Fonte: http://itp.nyu.edu/physcomp/uploads/arduino_bb_pot_transistor_motor_diode.png

O primeiro transistor. Shockley, Bardeen e Brattain ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1956, por suas pesquisas sobre semicondutores e sua descoberta do efeito transistor. CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Técnico de Mecatrônica. Edição 2013.

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SUMÁRIO Capítulo 1 – Diodos: características, operação, circuitos e aplicações ..................................................................... 9 1.1 - Histórico da Eletrônica - Fatos Relevantes ....................................................................................................... 9 1.2 – Diodos: características construtivas e operação ............................................................................................ 13 1.2.1 – Condutores e Semicondutores ................................................................................................................. 13 1.2.2 – Estrutura Cristalina .................................................................................................................................. 14 1.2.3 – Alteração das propriedades elétricas de um material semicondutor ........................................................ 17 1.2.4 – Materiais Extrínsecos - Tipos p e n ......................................................................................................... 17 1.2.5 - Fluxo de Elétrons x fluxo de Lacunas ...................................................................................................... 18 1.2.6 – Junção PN: a construção do diodo ........................................................................................................... 19 1.2.7 – Curva Característica do diodo. Aproximações e modelos ....................................................................... 22 1.2.8 – Especificações Técnicas e Teste do Diodo .............................................................................................. 27 1.3 – Portas Lógicas com Diodos ............................................................................................................................ 30 1.3.1 – Porta Lógica E (AND) ............................................................................................................................. 30 1.3.2 – Porta Lógica OU (OR) ............................................................................................................................. 31 1.4 – Circuitos com Diodos e análise por reta de carga .......................................................................................... 34 1.4.1 – Configurações em SÉRIE ........................................................................................................................ 34 1.4.1.1 – Análise por Reta de Carga .................................................................................................................... 35 1.4.2 – Configurações em paralelo e mistas (série-palarela) ............................................................................... 39 1.5 – Dispositivos Especiais ..................................................................................................................................... 41 1.5.1 – Diodos LED e Display de 7 Segmentos .................................................................................................. 41

 Recommended Reading: Colours of LEDs. .................................................................................................... 48

1.5.2.2 – O Dispositivo Optoacoplador ............................................................................................................... 52 1.5.3 – Sensores de Temperatura: NTC e PTC .................................................................................................... 53 1.6 – Circuitos Retificadores (CA-CC) .................................................................................................................... 54 1.6.1 – O Transformador ..................................................................................................................................... 55 1.6.2 – Retificador de meia-onda (MO)............................................................................................................... 56 1.6.3 - Retificador monofásico de Onda-Completa (OC) .................................................................................... 62 1.7 – Projeto de Filtro Capacitivo em Retificadores ................................................................................................ 69 1.7.1 – Filtro capacitivo em um retificador – operação e parâmetros .................................................................. 69 1.8 – Circuitos Ceifadores e Grampeadores ............................................................................................................ 74 1.8.1 – Ceifador tipo série ................................................................................................................................... 74 1.8.2 – Ceifador tipo paralelo .............................................................................................................................. 77 1.8.3 – Circuitos Grampeadores .......................................................................................................................... 80 1.9 – Diodos Zener ................................................................................................................................................... 86 1.9.1 - Diodo Zener: conceito, simbologia e aplicações ...................................................................................... 86 1.9.2 – Topologias de regulação de tensão com o diodo Zener ........................................................................... 86 vi

Eletrônica Analógica – Fundamentos para o Ensino Técnico de MECATRÔNICA

Capítulo 2 - Transistor de Junção Bipolar (TJB): operação, características e aplicações.................................... 93 2.1 – Construção e operação básica do transistor ................................................................................................... 93 2.1.1 – Introdução: antes do transistor, a válvula ................................................................................................ 93 2.1.3 - Polarizando as junções do TJB ................................................................................................................. 97 2.2 – Configuração Base Comum (BC) do TJB ..................................................................................................... 99 2.2.1 - Operação Básica do Transistor em função da Polarização (conexão BC) ................................................ 99

2.2.2 – O parâmetro  (alfa) do TJB ................................................................................................................. 102 2.2.3 – Polarização do TJB na configuração BC ............................................................................................... 102 Figura 2.27 – Nome transistor: TRANSFERÊNCIA DE RESISTÊNCIA, .............................................................. 103 “resistor de transferência", em inglês, TRANsfer reSISTOR. ................................................................................ 103 2.3 – Configuração Emissor Comum (EC)........................................................................................................... 103 2.3.1 – O fator de amplificação de corrente do TJB () .................................................................................... 107

2.3.2 – A relação entre os ganhos  e  ............................................................................................................ 109

2.4 – Configuração coletor-comum (CC) ............................................................................................................. 110 2.4.1 – Ganhos de corrente e de tensão na configuração CC ............................................................................. 111 2.5 – Limites de operação e Folha de Dados do TJB ........................................................................................... 111 2.6 – Teste do Transistor ....................................................................................................................................... 113 2.6.1 – Identificação dos Terminais ................................................................................................................... 113 2.6.2 – Identificação do tipo do Transistor (npn ou pnp) com o ohmímetro ..................................................... 115 2.6.3 – Medição do ganho de corrente (hFE) ...................................................................................................... 115 2.7 – Polarização do TJB – configurações básicas e análise de estabilidade ...................................................... 116 2.7.1 – Polarização fixa pela base (corrente IB constante) ................................................................................. 117 2.7.2 – Saturação do transistor e reta de carga................................................................................................... 120 2.7.3 – Deslocando o ponto de operação na reta de carga ................................................................................. 123 2.7.4 – Polarização estável do emissor .............................................................................................................. 124 2.7.5 – Polarização por Divisor de Tensão ........................................................................................................ 127 2.7.6 – Estabilidade do ponto quiescente com relação ao tipo de polarização do TJB ...................................... 130 2.7.7 – Polarização de transistores pnp ............................................................................................................. 132 2.8 – Transistores como chave – projeto ............................................................................................................... 133 2.8.1 – Circuitos de chaveamento com TJB ...................................................................................................... 133 2.8.2 – Intervalos de Tempo no Chaveamento de TJBs .................................................................................... 137 2.9 – Aplicações básicas do TJB ............................................................................................................................ 138 2.9.1 – Conexão Darlington e em par realimentado .......................................................................................... 138 2.9.2 – O Uso do TJB como fonte de corrente .................................................................................................. 140 2.9.3 – Ponte H – Acionamento de motor DC e inversor em ponte................................................................... 141 2.9.4 – Regulação de tensão por transistor ........................................................................................................ 143 2.9.5 – Regulação de tensão com circuitos integrados ...................................................................................... 149

CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Técnico de Mecatrônica. Edição 2013.

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Capítulo 3 – Amplificadores Operacionais (AOPs): princípios e aplicações ....................................................... 156 3.1 – Amplificadores operacionais: constituição e características ........................................................................ 156 3.1.1 - Características do amplificador operacional .......................................................................................... 157 3.2 – Amplificadores inversor, não inversor, somador e subtrator ........................................................................ 164 3.2.1 – O AOP Inversor ..................................................................................................................................... 164 3.2.2 – O AOP não-inversor .............................................................................................................................. 165 3.2.3 – O AOP como Buffer (seguidor de tensão) ............................................................................................. 166 3.2.4 – O AOP Somador .................................................................................................................................... 167 Figura 3.27 – Formas de onda do circuito conversor D/A de 4 bits com AOP somador de 4 entradas. ............ 169 3.2.5 – O AOP Subtrator (ou diferencial) .......................................................................................................... 169 Figura 3.30 – Formas de onda do circuito da Figura 3.29. .................................................................................. 171 3.3 – Comparador de tensão .................................................................................................................................. 171 3.3.1 – Tensão de saturação (± Vsat) .................................................................................................................. 172 3.3.2 – AOP comparador – circuitos básicos ..................................................................................................... 172 3.3.3 – O comparador quádruplo – CI LM 339 ................................................................................................. 175 3.3.5 – O comparador de janela ......................................................................................................................... 179 3.4 – O circuito integrado 555 (timer ou temporizador) ........................................................................................ 182 3.4.1 - Modos de operação ................................................................................................................................ 184 3.5 – Comparador com Histerese........................................................................................................................... 192 3.5.1 – Aplicação da histerese com o AOP comparador regenerativo ............................................................... 193 3.5.2 – O Disparador Schmitt ou circuito Schmitt Trigger ................................................................................ 194 3.6 – Integradores e Diferenciadores com AOPs ................................................................................................. 203 3.6.1 – AOP Integrador ..................................................................................................................................... 203 3.6.2 – AOP Diferenciador .................................................................................................................................... 208 Apêndice I – Plano de Ensino da disciplina Eletrônica Analógica e de Potência ................................................ 210 Apêndice II – Li...