Os Semicondutores

Com o advento da Teoria Quântica da Matéria, surgem diversas aplicações em Eletroeletrônica. Entre essas aplicações, podemos citar o laser, os supercondutores e, sobretudo, os dispositivos semicondutores de grande aplicação em nossa atual sociedade. Aqui, vamos especificar o diodo semicondutor.

Nos dias atuais, a construção de todo dispositivo eletrônico individual de estado sólido que possui uma estrutura de cristal rígido ou circuito integrado tem início, a priori, com um material semicondutor de boa qualidade. De maneira geral, os semicondutores são uma classe especial de elementos cuja condutividade está entre a de um bom condutor e a de um isolante (NASHELSKY, 2013). É um fato que, em geral, todos os materiais semicondutores são resumidos em duas classes, a saber, o cristal singular e o composto. Podemos citar, como semicondutores de cristal singular, o elemento germânio e o silício. Estes possuem uma estrutura de cristal repetitiva. Já os semicondutores compostos, como arseneto de gálio, sulfeto de cádmio e fosfeto de arseneto de gálio, por exemplo, são constituídos de dois ou mais materiais semicondutores que, por sua vez, possuem estruturas atômicas diferentes.

De maneira geral, os três semicondutores mais frequentemente usados na construção de dispositivos eletrônicos são Ge, Si e GaAs.

Em termos da estrutura da matéria, o silício possui 14 elétrons em órbita, o germânio tem 32, o gálio, 31, e o arsênio, 33. Destacamos que este elemento é o mesmo arsênio que é um agente químico extremamente venenoso. Analisando o germânio e o silício, vemos que eles admitem quatro elétrons na camada mais externa. Estes elétrons que se encontram mais livres são conhecidos como elétrons de valência. No entanto, o gálio tem três elétrons de valência, e o arsênio, cinco. Existe uma classificação dos átomos quanto ao número de elétrons de valência. Os átomos que possuem quatro elétrons de valência são conhecidos como átomos tetravalentes, já aqueles que possuem três elétrons são os trivalentes, e os com cinco, pentavalentes.

O termo “valência” é usado para indicar que o potencial de ionização necessário para remover algum desses elétrons da estrutura atômica é significativamente menor do que o requerido para qualquer outro elétron na estrutura (NASHELSKY, 2013). Na Figura 1, pode-se observar esta estrutura.

Figura 1 – Estrutura eletrônica de alguns elementos.

Fonte: Nashelsky (2013).

Na Figura 1, vemos três situações, cada uma delas trazendo as propriedades eletrônicas dos elementos semicondutores.

No que diz respeito à ligação química responsável por manter essas estruturas, temos a ligação covalente. Em relação ao átomo de silício, podemos observar este comportamento conforme a Figura 2, em que vemos o arranjo dessa situação. Perceba como ocorre o compartilhamento de elétrons e, sobretudo, dos elétrons de valência.

Figura 2 – Ligação covalente para átomos de silício.

Fonte: Nashelsky (2013).

Já na Figura 3, podemos observar a ligação covalente para o cristal de GaAs. Note que a forma geométrica muda de forma bastante significativa quando comparada com a dos átomos de silício.

Figura 3 – Ligação covalente para o cristal GaAs

Fonte: Nashelsky (2013).

	SAIBA MAIS:
	Maiores informações sobre as principais propriedades dos materiais semicondutores, bem como de suas aplicações, você pode encontrar acessando este link.

Vamos investigar de forma genérica o conteúdo energético de um material semicondutor. Considerando todo e qualquer átomo com uma dada estrutura, existem níveis específicos de energia associados a cada camada e elétron em órbita, como pode ser visto na Figura 4.

Figura 4 – Níveis de energia de um átomo

Fonte: Nashelsky (2013).

Os níveis de energia associados a cada camada serão diferentes para cada elemento. No entanto, de modo geral, quanto maior a distância de um elétron em relação ao núcleo, maior o estado de energia, e qualquer elétron que tenha deixado seu átomo de origem tem um estado de energia mais alto do que qualquer outro elétron na estrutura atômica. Percebemos também pela Figura acima que somente níveis definidos de energia podem existir para os elétrons na estrutura atômica de um átomo isolado. O resultado é uma série de intervalos entre os níveis de energia permitidos, nos quais não se admitem portadores. Esses intervalos de energia são conhecidos como gaps de energia (NASHELSKY, 2013).

No entanto, à medida que os átomos de um material são aproximados uns dos outros para formar a estrutura de treliça cristalina, ocorre uma interação entre átomos, que resultará nos elétrons de determinada camada de um átomo com níveis de energia ligeiramente diferentes dos elétrons na mesma órbita de um átomo adjacente. O resultado disso é uma expansão dos níveis de energia fixos e discretos dos elétrons de valência (NASHELSKY, 2013).

Na Figura 5, temos as bandas de energia estas bandas significam. Em outras palavras, os elétrons de valência de um material de silício (por exemplo) podem ter diferentes níveis de energia, desde que se enquadrem dentro da banda de energia.

Figura 5 – Bandas de energia

Fonte: Nashelsky (2013).

Percebemos de forma clara que existe um nível mínimo de energia associado aos elétrons na banda de condução e um nível máximo de energia de elétrons ligado à camada de valência do átomo. Perceba também que, entre ambos, há um gap de energia que o elétron na banda de valência tem de superar para se tornar um portador livre. Esse gap de energia é diferente para Ge, Si e GaA, já que o Ge tem o menor gap, e o GaAs, o maior. De maneira resumida, isso nos leva a concluir que

Um elétron na banda de valência do silício deve absorver mais energia do que outro na banda de valência do germânio para se tornar um portador livre. Da mesma forma, um elétron na banda de valência do arseneto de gálio deve ganhar mais energia do que outro no silício ou germânio para entrar na banda de condução. (NASHELSKY, 2013 p. 6)

No estudo dos semicondutores, é de grande importância a classificação de materiais conforme o grau de impureza a que são submetidos. Essas impurezas se configuram, na verdade, na adição de átomos a uma base de silício. Com base nessas informações, os materiais são classificados em materiais do tipo e materiais do tipo . No meio dessas propriedades, surge um dos mais importantes dispositivos eletrônicos de nossa época, o diodo semicondutor, considerado um dos mais importantes da física do estado sólido. O diodo semicondutor possui uma infinidade de aplicações. Esse dispositivo é criado pela simples junção de um material do tipo n com outro do tipo p, nada mais, apenas a união de um material com a maioria dos portadores elétrons a outro com a maioria dos portadores lacunas (NASHELSKY, 2013). A simplicidade básica da construção citada apenas reforça a importância do desenvolvimento dessa era de estado sólido.

Quando há a junção de dois materiais, os respectivos elétrons e as lacunas na região da junção se combinam. Esse fato acarreta uma falta de portadores livres na região próxima à junção, tal como visto na Figura 6.

Figura 6 – Falta de elétrons em uma junção

Fonte: Nashelsky (2013).

Vejamos agora um outro dispositivo eletrônico de grande importância, o chamado transistor.

Transistor

Chamamos de transistor um dispositivo eletrônico semicondutor que possui três camadas. Essas camadas consistem em duas camadas de material do tipo n e uma do tipo p ou em duas camadas do tipo p e uma do tipo n. Assim, temos uma classificação para esses materiais, em que o primeiro caso é denominado transistor npn e o outro, transistor pnp. Os dois são mostrados na Figura 7.

Figura 7 – Transistores

Fonte: Nashelsky (2013).

Esses dispositivos possuem uma polarização CC apropriada. Essa polarização CC é necessária para estabelecer a região adequada de operação para a amplificação CA. A camada do emissor é fortemente dopada, enquanto a base e o coletor possuem dopagem leve. As camadas externas possuem larguras muito maiores do que as camadas internas de material do tipo p ou n. Para os transistores mostrados na imagem acima, a razão entre a largura total e a largura da camada central é de 0,150/0,001 = 150:1 (NASHELSKY, 2013).

Consideramos a dopagem da camada interna menor do que a das externas normalmente um décimo ou menos. Esse nível de dopagem menor diminui a condutividade e aumenta a resistência desse material, limitando o número de portadores livres. Para a polarização mostrada na Figura 7, os terminais são indicados pela letra maiúscula “E” para emissor, “C” para coletor e “B” para base (NASHELSKY, 2013).

Comumente, a abreviação TBJ (transistor bipolar de junção) – do inglês, “bipolar junction transistor” (BJT) – é aplicada a esse dispositivo de três terminais. O termo “bipolar” se deve ao fato de que lacunas e elétrons participam do processo de injeção no material com polarização oposta. Se apenas um portador é empregado, elétron ou lacuna, o dispositivo é considerado unipolar, como o diodo schottky.

Note mais uma vez pela Figura 7 que as partículas exibidas na região são os íons positivos e negativos. Essas partículas se configuram, na verdade, no restante de partículas após os portadores livres terem sido absorvidos. Essa região de íons positivos e negativos descobertos é chamada região de depleção, devido aos portadores livres na região (NASHELSKY, 2013).

No que diz respeito à corrente elétrica em um transistor, podemos aplicar a lei das malhas de Kirchoff, o que resulta em

Em que IB é a chamada corrente da base.

EXEMPLO

Em um transistor, a corrente da base vale 4 A. Qual será a corrente IC, sabendo que a corrente IB vale 8 A?

Solução: por substituição direta, teremos que o valor da corrente será:

Todas as vezes em que houver uma injeção de portadores minoritários no material do tipo n da base. Esse fato, somado ao de que todos os portadores minoritários na região de depleção atravessarão a junção polarizada reversamente de um diodo, é o responsável pelo fluxo (NASHELSKY, 2013). Vemos isso indicado na Figura 8.

Figura 8 – Injeção de portadores minoritários

Fonte: Nashelsky (2013).

Podemos considerar que a notação e os símbolos para o transistor são efetivamente usados na maioria dos livros e manuais de dispositivos eletrônicos publicados atualmente. Na Figura 9, está uma configuração para a configuração base-comum com transistores pnp e npn.

Figura 9 – Notação para transistores

Fonte: Nashelsky (2013).

Essa terminologia advém do fato de a base ser comum tanto na entrada quanto na saída da configuração. Além do mais, ela é normalmente o terminal cujo potencial está mais próximo do potencial terra ou está efetivamente nele.

RESUMINDO:

Chegamos ao final do nosso capítulo e com ele a uma série de informações sobre os principais princípios de funcionalidade de dispositivos eletrônicos, como os diodos e transistores. Foi possível, de fato, observar que esses dispositivos possuem, de certo modo, um princípio físico de funcionamento praticamente todo fundamentado na física quântica. Isso pode ser considerado um dos pilares do atual desenvolvimento tecnológico, visto que esses dispositivos estão intimamente ligados em nosso cotidiano de forma praticamente constante.

Boeteiras e Relés

Vamos tratar aqui de dois dos principais botões ou comandos para o funcionamento de um dispositivo eletrônico. A primeira coisa que se pensa em se fazer em um equipamento eletrônico é ligá-lo. Dessa forma, todas as vezes que pensamos em ligar um motor, o primeiro elemento que vem à mente é o de uma chave para ligá-lo. No entanto, em se tratando de dispositivos elétricos, a chave que liga os motores é diferente de uma chave usual, dessas que se tem em casa para ligar a luz em nossas residências, por exemplo.

Podemos considerar que a principal diferença entre esses objetos se encontra no fato de que, ao movimentar a chave residencial, esta vai para uma posição e permanece constante no tempo nessa nova posição, mesmo quando se retira a pressão do dedo. No caso da chave industrial ou botoeira, há o retorno para a posição de repouso por meio de uma mola, como pode ser observado na Figura 10.

Figura 10 – Boeteira

Fonte: Silva (2006).

Na Figura, temos duas situações. Na situação (a), temos um esquema de boeteira e, na situação b, temos exemplos de boeteiras comerciais. A compreensão desse conceito é de fundamental importância para compreender o porquê da existência de um selo no circuito de comando (SILVA, 2006).

Destacamos que a boeteira consiste em uma classe de componentes denominada elementos de sinais. Estes são dispositivos pilotos e nunca são aplicados no acionamento direto de motores. Voltemos para a Figura. Ela nos mostra o caso de uma botoeira para comutação de 4 polos (situação a). O contato NA designado por “Normalmente Aberto” pode ser utilizado como botão LIGA, e o NF “Normalmente Fechado”, como botão DESLIGA. Essa é uma forma elementar de intertravamento. Note que o retorno é feito de forma automática por meio de mola. Existem botoeiras com apenas um contato. Estas últimas podem ser do tipo NA ou NF (SILVA, 2006). Podemos ver um exemplo de botoeira industrial na Figura 11.

Figura 11 – Botoeira industrial

Fonte: Agostini (2008).

Quando substituímos o botão manual por um rolete, dizemos que temos a chave fim de curso, muito utilizada em circuitos pneumáticos e hidráulicos. Estes são muito utilizados na movimentação de cargas, acionado no esbarro de um caixote, engradado, ou de qualquer outra carga. Outros tipos de elementos de sinais são os termostatos, pressostatos, as chaves de nível e as chaves de fim de curso que, em boa parte dos casos, podem ser roletes. Todos esses elementos exercem uma ação de controle discreta, ou seja, de liga e desliga.

Por exemplo, se a pressão de um sistema atingir um valor máximo, a ação do pressostato será a de mover os contatos, desligando o sistema. Caso a pressão atinja novamente um valor mínimo, atua-se ligando-o novamente.

Relés

Podemos considerar os relés como os elementos fundamentais de manobra de cargas elétricas. Esses dispositivos permitem a combinação de lógicas no comando, bem como a separação dos circuitos de potência e comando. Os mais simples constituem-se de uma carcaça com cinco terminais. O funcionamento dos relés pode ser descrito na Figura 12. Nela, vemos os terminais (1) e (2) que correspondem à bobina de excitação. Já o terminal (3) é o de entrada, e os terminais (4) e (5) descrevem os contatos normalmente fechado (NF) e normalmente aberto (NA), respectivamente.

Figura 12 – Relés

Fonte: Silva (2006).

Uma outra importante característica dos relés, que pode ser observada na Figura acima, é que a tensão nos terminais (1) e (2) pode ser 5 Vcc, 12 Vcc ou 24 Vcc, enquanto, simultaneamente, os terminais (3), (4) e (5) podem trabalhar com 110 Vca ou 220 Vca (SILVA, 2006).

	SAIBA MAIS:
	Assista ao vídeo Relés: o que são e como funcionam, que traz a explicação para o funcionamento dos relés. Você pode acessá-lo clicando aqui.

Destacamos que não existe nenhuma forma de contato físico entre os terminais de acionamento e os de trabalho. Foi com base nesse conceito que foi permitido o surgimento de dois circuitos em um painel elétrico (SILVA, 2006). Vejamos esses tipos de circuitos a seguir:

•Circuito de comando. São circuitos em que se encontra a interface com operador de máquinas e em que se trabalha a baixas correntes de até 10 A e baixas tensões.

•Circuito de potência. Nesse circuito, encontram-se todas as cargas que devem ser acionadas, entre elas os motores e a resistência de aquecimentos. Nesse tipo de circuito, podem circular correntes de até 10 A ou mais e ainda atingir tensões de mais de 700 V.

Com o conceito de relés, podemos entender um outro dispositivo de grande uso em eletrônica, que são os contatores, que veremos na próxima seção.

Contatores e Fusíveis

Em termos práticos, podemos considerar os contatores como relés adaptados, pois o princípio de funcionamento é bastante similar. Conceituando de forma mais técnica, o contator é um elemento eletromecânico de comando à distância, com uma única posição de repouso e sem travamento (SILVA, 2006). Como pode ser observado na Figura 13.

Figura 13 – Funcionamento dos contatores

Fonte: Silva (2006).

De maneira direta, os contatores consistem basicamente de um núcleo magnético excitado por uma bobina. Uma parte do núcleo magnético é móvel e é atraído por forças de ação magnética quando a bobina é percorrida por corrente e cria um fluxo magnético.

Todas as vezes em que não houver movimento de corrente, esta não circula pela bobina de excitação, e essa parte do núcleo é repelida por ação de molas. Esses contatos elétricos são distribuídos solidariamente a essa parte móvel do núcleo, constituindo um conjunto de contatos móveis. Solidário à carcaça do contator, existe um conjunto de contatos fixos. Dessa forma, cada jogo de contatos fixos e móveis pode ser do tipo normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF) (SILVA, 2006).

Podemos classificar os contatores em duas categorias, os contatores principais (CW, CWM) e os contatores auxiliares (CAW). Os contatores auxiliares têm corrente máxima de 10 A e possuem de 4 a 8 contatos. Estes podem chegar a 12 contatos. Os contatores principais têm corrente máxima de até 600 A. De maneira geral, estes possuem 3 contatos principais do tipo NA, para manobra de cargas trifásicas a 3 fios.

Existe uma observação importante no uso do contatores. Durante o seu funcionamento, são observadas as faíscas produzidas pelo impacto, durante a comutação dos contatos. Esse fato promove seu desgaste natural, além do mais, pode levar a riscos à saúde humana. A intensidade das faíscas pode se agravar em ambientes úmidos e também com a quantidade de corrente circulando no painel. No que tange à proteção para os contatores, estes podem ser classificados em quatro categorias, a saber:

•AC1- Tipo de contator destinado a cargas ôhmica e pouco indutivas.

•AC2- Para acionamento de motores de indução com rotor bobinado.

•AC3- Aplicado a rotores de gaiola em cargas normais, como bombas.

•AC4- Destinados a manobras pesadas, como acionar um motor de indução em plena carga.

Na Figura 14, é possível ver um exemplo típico de contatores comuns, muito utilizados na indústria.

Figura 14 – Contatores comuns

Fonte: Silva (2006).

Uma outra forma de visualizar os contatores é por meio de suas chaves, que podem ser fechadas e abertas. Na Figura 15, podemos ver essas situações.

Figura 15 – Contatores abertos e fechados

Fonte: Silva (2008).

Agora veremos um outro dispositivo eletrônico de grande importância, os fusíveis, que, assim como os contatores, são indispensáveis para o funcionamento de máquinas elétricas.

Fusíveis

Os fusíveis são dispositivos eletrônicos bem conhecidos, pois se encontram de forma bastante constante em nosso cotidiano. Eles podem ser encontrados em instalações residenciais, nos carros, em equipamentos eletrônicos, máquinas, entre outros (SILVA, 2006). De forma mais direta, os fusíveis são elementos que se destinam à proteção contra correntes de curto-circuito. Na Figura 16, vemos um exemplo de fusível.

Figura 16 – Fusíveis

Fonte: Istock Photo.

Podemos considerar um curto-circuito um acontecimento provocado por alguma falha de montagem do sistema, o que leva a impedância em determinado ponto a um valor quase nulo, causando, assim, um acréscimo significativo no valor da corrente. Consideramos que sua funcionalidade ocorre devido à fusão de um elemento pelo efeito Joule, provocado pela súbita elevação de corrente em determinado circuito. Dessa forma, o elemento fusível tem propriedades físicas tais que o seu ponto de fusão é inferior ao ponto de fusão do cobre. Este último é o material mais utilizado em condutores de aplicação geral.

Em todos os dispositivos eletrônicos, ocorre sempre o fenômeno de polarização, que, de fato, gera todo o potencial necessário para o desenvolvimento do dispositivo. Por essa razão, daremos uma atenção maior a esse processo neste final de capítulo. A polarização pode ser entendida genericamente como a aplicação de tensões CC em um circuito de modo a estabelecer valores fixos de corrente e tensão (NASHELSKY, 2013). Se temos amplificadores com transistor, a corrente e a tensão CC resultantes desse fenômeno estabelecem um ponto de operação nas curvas características, e essas curvas, por sua vez, definem a região que será empregada para a amplificação do sinal.

Podemos ver essas curvas na Figura 17. Perceba que elas, depois de um certo valor, possuem um perfil de função constante.

Figura 17 – Curvas de polarização

Fonte: Nashelsky (2013).

Perceba pelo gráfico que ocorre a saturação quando a corrente é de aproximadamente 30 microamperes. Como exemplo de um circuito de bastante aplicação, poderíamos citar o chamado circuito de polarização fixa, que é entendido como a configuração mais simples de polarização CC do transistor. No entanto, apesar de o circuito empregar um transistor npn, as equações e os cálculos são igualmente aplicados a uma configuração com transistor pnp. Para que isso ocorra, basta apenas que invertamos os sentidos de correntes e polaridades das tensões.

	SAIBA MAIS:
	Para entender melhor os circuitos de polarização fixa, leia o artigo Polarização fixa de transistores bipolares (sem reta de carga), disponível neste link.

Na Figura 18, podemos ver um exemplo de um circuito de polarização fixa.

Figura 18 – Circuito de polarização fixa

Fonte: Nashelsky (2013).

Perceba, por meio da Figura 18, que os sentidos das correntes são os sentidos reais, e a tensão é definida pela tensão padrão.

RESUMINDO:

Neste capítulo, foi possível identificar as principais propriedades e características dos fusíveis e dos contatores, bem como sua importância em circuitos elétricos e sobretudo a segurança que esses dispositivos devem oferecer aos usuários e aos operadores. Foi possível ver também a distinção entre as chaves de ligação de máquinas elétricas das chamadas botoeira, que, na verdade, levam-nos ao mesmo conceito, apenas com o detalhe de que este segundo é designado para o caso de máquinas nas indústrias, enquanto o primeiro está até mesmo em nossas residências.

Amplificador Operacional

Antes de começarmos, de fato, a tratar das propriedades dos disjuntores, faz-se necessária uma informação a respeito de circuitos que possuem amplificadores. Isso de fato se torna importante de discutir, pois, como veremos, os disjuntores que são dispositivos de segurança estão presentes em todas as máquinas elétricas e, assim, como temos uma amplificação das quantidades físicas, torna-se importante sua formulação física.

Chamamos de amplificador operacional, ou amp-op, um amplificador diferencial de ganho muito alto com impedância de entrada muito alta e baixa impedância de saída (NASHELSKY, 2013). O fato é que utilizações desse tipo de amplificador operacional nos levam a alterações em valores de tensões, amplitude e polaridade, osciladores, filtros e diversos tipos de circuitos de instrumentação. Um amp-op possui alguns pequenos estágios de amplificadores diferenciais, de modo a atingir um ganho de tensão muito alto.

Figura 19 – Amplificador operacional básico

Fonte: Nashelsky (2013).

Na Figura 19, temos um amp-op básico. Perceba que ele possui duas entradas e uma saída. Isso é o resultado da utilização de um amplificador diferencial como estágio de entrada. Em cada entrada, temos uma saída de mesma polaridade, isto é, mesma fase ou em uma saída com polaridade oposta, ou seja, uma fase invertida, dependendo do sinal, se aplicado à entrada positiva (+) ou à entrada negativa (–), respectivamente (NASHELSKY, 2013).

No processo de funcionamento de um amplificador operacional, damos destaque à chamada operação de entrada simples. Essa operação é obtida quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada com a outra entrada conectada ao fio terra. A Figura 20 mostra os sinais conectados para esse tipo de operação.

Figura 20 – Entrada simples

Fonte: Nashelsky (2013).

Na Figura 20, o sinal de entrada é aplicado à entrada positiva com a entrada negativa aterrada. Esse fato condiciona a uma saída com a mesma polaridade do sinal de entrada aplicado. Já na Figura 21, observamos um sinal de entrada que é aplicado à entrada negativa, a saída, sendo, então, de fase oposta ao sinal aplicado.

Figura 21 – Entrada simples 2

Fonte: Nashelsky (2013).

Vejamos agora uma outra operação, contrária à discutida anteriormente. Esta é chamada de operação de saída dupla. Enquanto anteriormente as operações produziam apenas uma saída, o amp-op também pode fornecer saídas opostas, como visto na Figura 22.

Figura 22 – Entrada dupla

Fonte: Nashelsky (2013).

Todas as vezes em que um sinal de entrada é aplicado a qualquer entrada, isso resultará em saídas em ambos os terminais de saída, sempre com polaridades opostas. Já na Figura 23, temos uma situação de entrada simples com saída dupla.

Figura 23 – Entrada simples com saída dupla

Fonte: Nashelsky (2013).

Como podemos observar pela Figura, o sinal que é aplicado à entrada positiva fornece duas saídas amplificadas de polaridades opostas.

No entanto, a Figura 24 mostra a mesma operação com uma saída única medida entre os terminais de saída não em relação ao fio terra.

Figura 24 – Saída diferencial

Fonte: Nashelsky (2013).

Esse sinal de saída diferencial é dado em termos da seguinte relação:

O que nos faz concluir que essa forma de saída é uma diferença de potencial. Essa saída diferencial é também conhecida como sinal flutuante, uma vez que nenhum dos terminais de saída é o terminal do fio terra, tido como a referência. Considera-se que a saída diferencial é duas vezes maior do que , uma vez que elas têm polaridades opostas, e, subtraindo-as, chegamos a um valor duas vezes sua amplitude, isto é, 10 V – (–10 V) = 20 V (NASHELSKY, 2013).

A Figura 25 mostra a operação com entrada e saída diferenciais, em que a entrada é aplicada entre os dois terminais de entrada, enquanto a saída é obtida entre os dois terminais de saída. Assim, podemos considerar uma operação totalmente diferencial.

Figura 25 – Operação de duas entradas e duas saídas

Fonte: Nashelsky (2013).

O Circuito Amplificador

Chamamos de circuito amplificador diferencial uma configuração de uso extremamente comum em unidades de Circuitos Integrados (CI). Essa configuração elétrica pode ser obtida pela análise do amplificador diferencial básico que pode ser visualizado na Figura 26.

Figura 26 – Circuito amplificador

Fonte: Nashelsky (2013).

Perceba que o circuito possui duas entradas e duas saídas separadas. Note também que os emissores estão ligados entre si. Embora muitos circuitos amplificadores diferenciais utilizem duas fontes de alimentação de tensão distintas, o circuito também pode operar com uma única fonte. Uma série de combinações de sinais de entrada é possível. Assim, se um sinal de entrada é aplicado a uma das entradas com a outra conectada ao fio terra, a operação é chamada de entrada simples.

Se temos uma operação com entrada simples, é aplicado um único sinal de entrada. Entretanto, por conta da conexão emissor-comum, temos que o sinal de entrada aciona ambos os transistores, e isso resulta na saída em ambos os coletores. Se temos porventura uma operação com entrada dupla, aplicamos dois sinais de entrada, sendo que a diferença das entradas fornece saídas em ambos os coletores por causa da diferença dos sinais aplicados a ambas as entradas (NASHELSKY, 2013).

Para o caso em que temos uma operação modo-comum, observamos que o sinal de entrada comum resulta em sinais opostos em cada coletor, e esses sinais se cancelam, de maneira que o sinal de saída resultante é nulo. Em termos práticos e objetivos, os sinais opostos não se cancelam por completo, e o resultado é um pequeno sinal. A principal característica do amplificador diferencial é o ganho muito grande quando sinais opostos são aplicados às entradas, em comparação com o ganho muito pequeno resultante de entradas comuns. A razão entre o ganho diferencial e o ganho de modo-comum é chamada de rejeição de modo-comum (NASHELSKY, 2013).

Se temos uma conexão de corrente alternada CA para um amplificador diferencial, como visto na Figura 27, os sinais de entrada separados são aplicados como Vi1 e Vi2, com saídas separadas resultantes Vo1 e Vo2.

Figura 27 – Amplificador com corrente alternada

Fonte: Nashelsky (2013).

Para realizar a análise CA, redesenhamos o circuito a seguir. Na Figura 28, temos que cada transistor é substituído por seu equivalente CA.

Figura 28 – Amplificador com corrente alternada

Fonte: Nashelsky (2013).

Em termos analíticos, a relação entre o ganho de tensão com a entrada simples é definida como sendo:

Perceba que o ganho de tensão é diretamente proporcional a V0 e inversamente proporcional a Vi.

EXEMPLO

Em um dispositivo eletrônico que funciona à corrente alternada, o ganho de tensão no processo é de . A=30 V Qual será a tensão V0, sabendo que a tensão de entrada é Vi=20 V?

Solução:

Para determinar V0, basta apenas que substituamos os valores dados na expressão (5). Dessa forma, encontraremos o seguinte resultado

Vejamos, agora, um pouco mais sobre os disjuntores.

Disjuntores

Os disjuntores são equipamentos de proteção e manobra. Esses dispositivos são capazes de conduzir e interromper corrente elétrica em condições normais como também em condições anormais, sendo considerados como condição anormal os efeitos provenientes de curto-circuito ou sobrecorrente. Entende-se como curto-circuito a situação em que dois ou mais condutores se tocam sem que estejam eletricamente isolados, e ocorre sobrecarga quando o valor de sua corrente nominal se eleva devido a fatores externos. Na Figura 29, vemos um exemplo de um disjuntor.

Figura 29 – Disjuntor

Fonte: Pixabay.

Todas as vezes em que vamos comprar um disjuntor, temos sempre duas opções, a saber, sempre nos deparamos com dois modelos, um preto e o outro branco, e sempre o vendedor nos pergunta se queremos DIN ou NEMA. Como podemos estabelecer a utilidade de cada modelo? É comum observar em nossas residências instalados disjuntores NEMA mal dimensionados e reclama-se que os cabos estão aquecendo e o disjuntor não desarma. Já nas indústrias e locais com muitos circuitos, é importante que o dimensionamento seja bem-feito para que a coordenação e a seletividade de todo o sistema atuem de maneira a interromper o estabelecimento de corrente elétrica o mais próximo possível do sinistro sem perdas nas demais instalações do sistema (SILVA, 2006). Na Figura 30, podemos ver um exemplo de um disjuntor bastante comum em residências.

Figura 30 – Disjuntor de residências

Fonte: Silva (2006).

Vamos introduzir agora uma pequena visão sobre a especificação do funcionamento dos disjuntores. Para isso, devemos ter em mente que o primeiro termo a ser entendido será o termo “termomagnético”, método de funcionamento de todos os disjuntores usados no Brasil. Termomagnético é a junção de duas palavras, “térmica” e “magnética”, assim existem duas formas de desarme dos disjuntores. A primeira maneira a ser estudada, a térmica, configura-se na aplicação da integral de Joule e nos estudos de dilatação térmica e transferência de calor entre materiais metálicos. Já o segundo método de atuação tem como origem as equações de Maxwell em relação ao campo magnético (SILVA, 2006).

Tanto o primeiro método quanto o segundo método de atuação dos disjuntores consistem em uma relação direta com a corrente elétrica, que sofre alteração com todas as diferenças que venham a ocorrer em um circuito elétrico. Na Figura 31, vemos os componentes internos de um disjuntor.

Figura 31 – Estrutura interna dos disjuntores

Fonte: Silva (2006).

O conhecimento das especificações internas de um disjuntor não interfere na praticidade e no cotidiano das pessoas leigas, no entanto é de fundamental importância para um técnico em eletrônica.

RESUMINDO:

Neste capítulo, foi possível observar as propriedades físicas de muitos dispositivos eletrônicos, principalmente a amplificação de quantidades físicas conhecidas como corrente e tensão. Dessa forma, ficou conhecido que muitos dispositivos eletrônicos podem operar de forma mais intensa. Nesse meio, podemos destacar os disjuntores como um dos principais dispositivos de proteção contra acidentes elétricos, operando de forma a “cortar” a corrente elétrica da rede.

Amplificadores de Potência

Todo amplificador é um dispositivo tal que recebe um sinal de um transdutor ou de outra fonte de entrada e passa a fornecer uma versão maior desse sinal para um dispositivo de saída ou até mesmo para outro estágio amplificador. Em termos práticos, dizemos que um sinal de um transdutor na entrada costuma ser muito pequeno, de alguns milivolts. Como exemplo, temos um cassete ou CD, ou alguns microvolts de uma antena. O sinal precisa ser suficientemente amplificado para acionar um dispositivo de saída alto-falante ou qualquer outro dispositivo.

De maneira geral, para amplificadores de pequenos sinais, os fatores principais são a linearidade na amplificação e a magnitude do ganho (NASHELSKY, 2013). Assim, os sinais de tensão e a corrente são pequenos quando comparados a um amplificador de pequenos sinais, a capacidade de fornecimento de potência e a eficiência têm pouca importância. Nesse caso, um amplificador de tensão acarreta em uma amplificação de tensão principalmente para aumentar a tensão do sinal de entrada. No entanto, os amplificadores de grandes sinais ou de potências fornecem, sobretudo, potência suficiente para uma carga de saída para acionar um alto-falante ou outro dispositivo de potência. Esses dispositivos normalmente operam na casa de alguns watts, podendo chegar a dezenas.

Aqui, vamos tratar dos circuitos amplificadores utilizados para operar com grandes sinais de tensão e níveis de corrente moderados ou altos, mais precisamente, esses amplificadores são mais utilizados em indústrias. Entre as principais características de um amplificador de grandes sinais, destaca-se a eficiência de potência do circuito, a máxima quantidade de potência que o circuito é capaz de fornecer e o casamento de impedância com o dispositivo de saída. Um método utilizado para classificar amplificadores é por sua classe.

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De maneira resumida, são as classes dos amplificadores que indicam quanto o sinal de saída varia em um ciclo de operação para um ciclo completo do sinal de entrada. Podemos ver a classificação dos amplificadores como segue.

•Classe A: tipo de amplificador cujo sinal de saída varia por um ciclo completo de 360° do sinal de entrada. Vejamos isso na Figura 32.

Figura 32 – Amplificador de classe A

Fonte: Nashelsky (2013).

Pela Figura, vemos que é necessário que o ponto Q seja polarizado em um valor tal que permita que pelo menos metade do sinal de saída varie para cima e para baixo (movimento senoidal) sem atingir uma tensão suficientemente alta para ser limitada pelo valor da tensão de alimentação e sem descer a um ponto suficientemente baixo para atingir o valor inferior da fonte ou 0, o valor máximo V nessa descrição.

•Classe B: os circuitos caracterizados de classe B fornecem um sinal de saída que varia durante metade do ciclo da entrada, ou para 180° do sinal, como mostra a Figura 33.

Figura 33 – Amplificador de classe B

Fonte: Nashelsky (2013).

Perceba que o ponto de polarização CC está em 0 V, e a saída varia a partir desse ponto durante meio ciclo. É claro que a saída não é uma reprodução precisa da entrada se apenas meio ciclo estiver presente. Assim, são necessárias duas operações de classe B, a primeira para fornecer saída durante o semiciclo positivo e outra para operar no semiciclo negativo de saída. Consideramos que a combinação das duas acarreta uma saída para os 360° completos de operação.

Amplificador com Alimentação em Série

Vejamos agora um tipo de amplificador de grande uso, o amplificador de alimentação em série. Considere o circuito simples de polarização fixo visto na Figura 34.

Figura 34 – Amplificador alimentação em série

Fonte: Nashelsky (2013).

Esse dispositivo pode ser utilizado para compreender as principais características de um amplificador classe A com alimentação-série. Destaca-se que a única diferença entre esse circuito e a versão para pequenos sinais que vimos na seção anterior é que os sinais tratados pelo circuito para grandes sinais estão na faixa de volts, e o transistor utilizado é um transistor de potência que pode operar em uma faixa de poucos watts até algumas dezenas de watts.

Veremos que esse circuito não é o melhor para ser utilizado como amplificador de grandes sinais, uma vez que possui uma baixa eficiência em potência. O beta de um transistor de potência normalmente é menor do que 100, e o circuito amplificador total, utilizando transistores de potência, é capaz de operar em grandes potências ou correntes, enquanto não fornece um ganho de tensão muito elevado (NASHELSKY, 2013).

No que diz respeito à polarização, podemos observar uma relação entre o potencial VCC e a resistência RB que define a chamada corrente de polarização IB:

Perceba a consistência com a teoria. De fato, observamos, pela equação acima, que a corrente é inversamente proporcional à resistência.

EXEMPLO

Em um amplificador em série, o valor da tensão da fonte é de 10V. Sabendo que a resistência RB é de 10 ohms e que a tensão VCC é de 40 V, qual será a corrente de polarização do amplificador?

Solução:

Devemos realizar uma substituição direta dos dados do problema na definição de corrente de polarização, definida na equação (4). Assim, teremos que:

O processo de polarização é de fundamental importância na operação do amplificador de potência. Vamos considerar as curvas características de coletor mostradas na Figura 35.

Figura 35 – Curvas características de um amplificador

Fonte: Nashelsky (2013).

Uma reta de carga CC é desenhada utilizando-se os valores de VCC e RC. A interseção do valor de IB de polarização com a reta de carga CC determina o ponto de operação (ponto Q) para o circuito. Poderíamos pensar também em uma situação similar a essa, só que com o circuito possuindo uma corrente alternada. Nesse caso, existem algumas modificações pertinentes que devem ser expostas.

Consideremos um sinal de entrada para um amplificador de corrente alternada CA que pode ser visto na Figura 36.

Figura 36 – Amplificador com corrente alternada

Fonte: Nashelsky (2013).

Nessa situação, a saída varia em tensão e corrente a partir de seu ponto de polarização CC. No entanto, um pequeno sinal de entrada é mostrado na Figura 37.

Figura 37 – Sinal de entrada em um amplificador CA

Fonte: Nashelsky (2013).

O sinal de entrada visto na Figura acima fará a corrente de base variar acima e abaixo do ponto de polarização CC. Esse fato então fará com que a corrente de coletor saída, tal qual a tensão coletor-emissor, varie em relação a seu ponto de polarização CC (NASHELSKY, 2013). Todas as vezes em que o sinal de entrada é ampliado, a saída também aumenta sua oscilação em torno do ponto de polarização CC. Dessa forma, este estabelece-se até que a tensão ou a corrente atinjam um valor limite.

No que diz respeito à corrente, essa condição limitadora é representada pela corrente zero no limite inferior ou VCC/RC no limite superior de sua oscilação. Para a tensão coletor-emissor, os limites são 0 V ou a tensão de alimentação VCC (NASHELSKY, 2013). Podemos ver essas variações na Figura 38, similar à Figura 37, porém com um sinal amplificado dos valores expressos.

Figura 38 – Amplificação do sinal de entrada

Fonte: Nashelsky (2013).

Se por acaso colocamos um transformador junto ao amplificador, esse transformador pode aumentar ou diminuir os valores de tensão ou corrente no amplificador dependendo da sua relação de espiras. Além do mais, é possível mostrar que a impedância conectada de um lado de um transformador possui um valor maior ou menor que pode ser de aumento ou redução no outro lado do transformador, dependendo do quadrado da relação de espiras do enrolamento do transformador. Veremos aqui que a transferência de potência ideal do primário para o secundário é realizada sem nenhuma perda de potência.

Como mostra a Figura 39, o transformador pode elevar ou reduzir uma tensão aplicada de um lado diretamente de acordo com a relação entre espiras ou número de voltas em cada lado.

Figura 39 – Relação com o número de espiras

Fonte: Nashelsky (2013).

Analiticamente, a transformação de tensão é expressa por:

Em que N2 e N1 são o número de espiras que se encontram em um circuito. Perceba que há uma relação de proporcionalidade entre essas quantidades.

EXEMPLO

Um transformador de corrente alternada possui uma voltagem inicial de V1=30 V. Considerando que a voltagem V2 seja de 20 V, qual será o número de espiras N1, sabendo que N2=600?

Solução:

Para determinar o número de espiras, basta que substituamos os dados na expressão (5), o que nos fornece

Já a transformação com a corrente pode ser visualizada por meio da Figura 40.

Figura 40 – Relação com a corrente

Fonte: Nashelsky (2013).

Em termos analíticos, temos essa relação expressa pela seguinte condição de proporcionalidade:

Voltemos ao caso do amplificador de corrente contínua. Nesse caso, a potência fornecida à carga por um amplificador é drenada por uma fonte de alimentação. Podemos ver isso na Figura 41.

Figura 41 – Conexão de um amplificador

Fonte: Nashelsky (2013).

Perceba pela Figura que temos o sistema conectado a um fio terra de modo a evitar quaisquer problemas e acidentes.

RESUMINDO:

Neste capítulo, foi possível investigar as propriedades dos amplificadores tão comuns em nosso cotidiano. De fato, utilizamos sempre esse tipo de dispositivo para fazer com que tenhamos melhor qualidade em diversos equipamentos, já que, como vimos, esses dispositivos amplificam o sinal das quantidades físicas que geram, por exemplo, o som. Fizemos uma abordagem de modo a explicitar, por exemplo, suas funcionalidades.

REFERÊNCIAS

SILVA, N. Apostila de acionamentos elétricos. Natal: Instituto Federal de Ciência, Educação e Tecnologia do Rio Grande do Norte, 2006.

BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013.