Esta é uma simples introdução à programação da porta paralela do PC em QBasic, Quick Basic ou linguagem similar. Note que muitos dos conceitos mostrados nesta página também podem ser aplicados ao GWBASIC. Este documento não apresenta detalhes sobre o uso de portas bidirecionais, DMA e outros tópicos relacionados ao assunto. Este documento assume que você já esteja familiarizado com as funções básicas do QBasic. É muito importante observar que eu não me responsabilizo por qualquer danos que essas informações possam causar no seu computador se forem usadas indevidamente. Todas essas informações foram testadas e estão isentas de erros.

A Porta Paralela é composta por 3 diferentes seções :

- Data Lines ou Linhas de Dados

- Control Lines ou Linhas de Controle

- Status Lines ou Linhas de Estado

Existem 8 linhas de dados, que são sempre saídas, geralmente utilizadas para enviar dados através da Porta. Em aplicações simples, você se concentrará principalmente nestas linhas. As linhas de controle são outras 4 saídas, cuja função é controlar a impressora, que é o dispositivo normalmente ligado na porta paralela. As linhas de status são linhas de entrada. Há 5 delas no seu PC, cuja função é receber informações da impressora, tais como erro, sem papel e porta ocupada.

Cada seção é acessada pelo seu endereço próprio, e atuará independente do resto, quase como se fossem independentes.

Os respectivos endereços são mostrados abaixo :

Transistores I Alguns parâmetros e circuitos básicos

Podemos dizer que os transistores são os mais importantes entre os componentes de semicondutores.  Nesta página são colocados circuitos e parâmetros básicos de operação de transistores.

1-) Configurações básicas (resumo)  

Os transistores foram desenvolvidos originalmente para uso em amplificadores de sinais. Assim, seus parâmetros, isto é, características que definem um tipo, são muitas vezes dados em conformidade com esta aplicação (amplificadores).

É evidente que os diagramas da Figura 1.1 são apenas indicativos. Componentes outros, para polarização, acoplamentos, etc, são necessários nos amplificadores reais.

A Tabela 1.1 dá um comparativo aproximado das três configurações. O tipo emissor comum é, de longe, o mais usado, pelo melhor compromisso entre os parâmetros. A demais configurações são em geral usadas para combinação de impedâncias e circuitos de chaveamento.

Também é evidente que as comparações da Tabela 1.1 não são absolutas. As características podem variar bastante de acordo com o tipo de transistor e condições de operação.

2-) Circuito emissor comum  

Conforme já dito, os circuitos da Figura 1.1 são apenas ilustrativos. Para a operação prática, é preciso que tensões sejam aplicadas para polarizar inversamente a junção do coletor e diretamente a de emissor. A Figura 2.1 ao lado dá um exemplo para um transistor NPN.

Desde que a resistência direta da junção base-emissor é pequena e aproximadamente constante, pode-se dizer que a corrente de base deste circuito também é aproximadamente constante.

Este comportamento, entretanto, resulta em um inconveniente: a corrente de coletor de um transistor aumenta com o aumento de temperatura. Assim, com  a polarização de base fixa, o circuito pode ser levado a um ponto de operação indesejável, o que limita bastante sua aplicação prática.

Para contornar o problema anterior, pode ser usado o circuito da Figura 2.2 A: a tensão na base é mantida pelo divisor de tensão formado por Rb1 e Rb2. A queda de tensão em Re se contrapõe a essa polarização. Assim, um aumento da corrente de coletor provoca um aumento da queda de tensão, reduzindo a corrente de base, o que estabiliza o circuito.

A análise do circuito é facilitada pelo equivalente conforme Figura 2.2 B. Nada muda na parte de coletor e emissor, apenas considera-se Vcc a bateria indicada. Na parte de polarização de base, a simplificação é feita com auxílio do Teorema de Thevenin, cujo enunciado é:

"Qualquer combinação de baterias e resistências, com dois terminais de saída, é equivalente a uma única fonte de tensão em série com um resistor. A tensão da fonte é igual à tensão do circuito sem carga (terminais abertos) e o valor do resistor é igual a esta tensão dividida pela corrente com os terminais em curto-circuito".

Consideramos então, como combinação, Vcc, Rb1 e Rb2 e, como terminais, a base do transistor e a massa. Assim:

Vb = Rb2 Vcc / (Rb1 + Rb2) #II.1#, ou seja, tensão com a base desconectada.

E a corrente com base e massa em curto-circuito é Icc = Vcc / Rb1. E a resistência equivalente Rb é dada por:

Rb = Vb / Icc = Rb1 Rb2 / (Rb1 + Rb2) #II.2#.

Aplicando agora a Lei de Kirchhoff (S V = 0) para a malha formada por Vcc, Rc, coletor-emissor, e Re temos Vcc = Rc Ic + Vce + Re Ie. 

Desde que a corrente de base Ib é pequena, podemos considerar Ie @ Ic.

E a igualdade anterior pode ser reescrita:

Ic = (1/R') Vcc - (1/R') Vce

onde R' = Rc + Re #II.3#.

Considerando Vcc e R' constantes, nota-se que, pela equação anterior, Ic varia em função de Vce segundo uma reta. E esta pode ser traçada num gráfico conforme reta vermelha da Figura 2.3, bastando localizar dois pontos quaisquer (por exemplo: para Vce=0, Ic=(1/R') Vcc e para Ic=0, Vce=Vcc).

Usando a Lei de Kirchhoff para o laço de polarização (novamente lembrando que Ie @ Ic) temos:
Vb = Rb Ib + Vbe + Re Ic ou Rb Ib = Vb - Vbe - Re Ic #II.4#.
A relação entre a corrente de coletor e a de base é chamada ganho de corrente cc do transistor (simbolizada por h_FE) e, em geral, é dada pelo fabricante.

Assim, Ic = h_FE Ib #II.5#.

Substituindo este valor de Ic na igualdade II.4 e rearranjando, resulta em:

Ib = (Vb - Vbe) / (Rb + h_FE Re) #II.6#.

Isto significa que a corrente de base do transistor fica definida em função do h_FE do mesmo e tensão de alimentação e resistências do circuito.

Lembrar que a tensão base-emissor (Vbe) pode ser considerada aproximadamente constante devido à polarização direta. Para os transistores de germânio (raros atualmente) é cerca de 0,2 V e para os de silício, na faixa de 0,6 a 0,7 V.

É evidente que essas são condições de repouso do circuito. Ainda não estão considerados os sinais a amplificar.

No gráfico da Figura 2.3, as linhas azuis representam correntes de base constantes para um transistor de baixa potência típico. Assim, em princípio, o ponto de operação deve ser a interseção da reta de carga definida pela igualdade II.3 (reta vermelha) com a linha da respectiva corrente de base calculada por II.6.

Exemplo hipotético: circuito da Figura 2.4

Conforme II.1: Vb = (6 . 2) / (4 + 2) = 2 V.

Conforme II.2: Rb = (4 . 2) / (4 + 2) = 1,33 KW.

Conforme II.6: Ib = (2 - 0,7) / (1330 + 100 . 1000) = 12,8 10^-6 A = 12,8 µA.

Conforme II.5: Ic = 100 . 12,8 10^-6 = 1,28 10^-3 A = 1,28 mA.

A tensão coletor-emissor é dada pela igualdade usada para deduzir II.3:

Vcc = Rc Ic + Vce + Re Ie. Assim:

Vce = 6 - 2000 1,28 10^-3 - 1000 1,28 10^-3 = 2,16 V.

Semicondutores de potência: alguns tipos usuais

Nesta página, algumas informações básicas sobre alguns tipos de semicondutores de potência. Equipamentos industriais são certamente uma das suas principais aplicações. Sem eles, aparelhos como inversores de freqüência não seriam viáveis. E podem também substituir com vantagens dispositivos eletromecânicos, como relês e chaves magnéticas.

Observação: para cada tipo, é mostrada a estrutura simplificada das camadas semicondutoras. Os sinais após o tipo (n+, n-, p+, p-) não têm relação com cargas elétricas. Indicam a intensidade da introdução de impurezas (dopagem): sem sinal (dopagem média), - (dopagem fraca), + (dopagem forte).

Diodo de potência

É o mais simples dos semicondutores, usados sobretudo em processos de retificação.

Na Figura 1, a estrutura simplificada e a curva corrente x tensão.

A corrente direta máxima é limitada pela temperatura máxima da junção, ou seja, a temperatura acima da qual a junção é destruída. A junção também pode ser danificada por uma tensão inversa maior que a máxima (Vrm na figura).

Como todos os dispositivos práticos, a operação não se dá de forma ideal. Supondo que a junção está conduzindo, se a tensão é bruscamente invertida, as regiões p e n ainda terão portadores minoritários de carga e o diodo se comporta como um curto-circuito por um breve período de tempo. Assim, há uma corrente no sentido inverso, conforme Fig 1A, que pode provocar interferências e perdas.

Diodos rápidos ou ultra-rápidos têm este fenômeno menos pronunciado, mas em geral a máxima tensão inversa é menor.

Transistor bipolar

Transistores bipolares são bastante conhecidos e dispensam maiores comentários.

Na Figura 2, a estrutura simplificada e gráfico da corrente de coletor em função da tensão coletor-emissor e tensão base-emissor.

Para operações de comutação, há problemas semelhantes aos dos diodos e, por isso, existem os tipos rápidos, que, também de forma similar, têm menor capacidade.

Para assegurar uma comutação mais rápida, o circuito deve forçar uma corrente negativa na base, conforme gráfico da Figura 2A.

O transistor Darlington é um único componente, mas é equivalente a dois bipolares conforme Fig 3.

Oferece um ganho maior, com as desvantagens de uma maior queda de tensão e maior tempo de comutação.

Transistores bipolares em geral têm a vantagem do baixo custo e, como desvantagens, o custo dos circuitos de controle e a limitação da velocidade de comutação. São usados por exemplo em ignição automotiva, reatores eletrônicos para lâmpadas, deflexão horizontal de televisores e monitores de vídeo.

SCR - Retificador controlado de silício

Tiristor é o nome genérico para semicondutores de quatro camadas, dos quais os principais são os SRCs e os TRIACs.

Na parte superior da Figura 4, a estrutura, o circuito equivalente e o símbolo de um SCR.

Na prática, ele se comporta como um diodo retificador controlado pela porta. Mas o controle da porta não é total. Ver na parte inferior da figura.

Supondo que está diretamente polarizado, ao fechar a chave, um pulso de corrente é aplicado na porta devido à descarga do capacitor. E o SCR passa a conduzir de forma permanente, independente da porta. Para deixar de conduzir, a corrente na junção deve cair para zero, o que ocorre com correntes alternadas.

Este tipo de controle funciona devido a uma realimentação positiva, como pode ser deduzida pelo circuito equivalente.

SCRs são componentes de baixo custo, mas o controle parcial pela porta e o trabalho com apenas um semiciclo limitam as aplicações. Podem ser usados por exemplo para retificar e controlar uma tensão AC que alimenta um motor de corrente contínua.

TRIAC

Desde que o SCR só conduz em um sentido, fica evidente sua limitação em circuitos AC, pois somente um semiciclo pode ser aproveitado. O TRIAC resolve esta limitação, sendo equivalente a dois SCRs ligados em oposição, conforme Figura 5 ao lado.

O controle pela porta é parcial como no SCR. A corrente controlada deve cair para zero para o cessar da condução.

Um exemplo de controle é dado na Figura 5A.

Enquanto os pulsos na porta são aplicados exatamente nos instantes de corrente de entrada nula, a saída é igual à entrada. Sem os pulsos, a saída é nula.

Nessa condição, pode funcionar como uma chave liga-desliga ou um controle tipo trem de pulsos.

Na Figura 5B, os pulsos não deixam de ser aplicados, mas são defasados em relação aos instantes de corrente nula. Assim, os semiciclos são cortados, resultando numa potência menor na carga. É o controle por desvio de fase e é empregado em dimmers para iluminação. Deve ser evitado para potências altas, uma vez que as formas de onda deixam de ser senoidais, com a conseqüente geração de harmônicos.

GTO

GTO é abreviação de Gate Turn Off Thysistor, ou seja, opera de forma similar a um SCR, mas pode ser cortado pela porta.

No circuito da parte inferior da Figura 6, ao se comutar a chave para cima, a descarga do capacitor fornece um pulso positivo e o dispositivo conduz. Se a chave é comutada para baixo, o pulso negativo proporcionado pelo indutor interrompe a condução.

A queda de tensão em um GTO é em geral maior do que a de um SCR da mesma capacidade.

GTOs são usados em aplicações de altas tensões, elevadas correntes e baixas freqüências de comutação, como em trens elétricos.

MOSFET de potência

Na condução o componente usa apenas portadores majoritários de carga e, assim, a capacidade máxima é definida pela taxa de dissipação de calor.

Devido à elevada impedância entre porta e fonte, forma-se um capacitor entre as mesmas e, assim, o circuito simples de comutação não precisa de um capacitor como os anteriores. Basta uma bateria e chave conforme parte inferior da Figura 7.

MOSFETs de potência podem operar com altas freqüências de comutação e requerem um mínimo de potência dos circuitos de controle. Podem ser controlados diretamente por microprocessadores e, por isso, encontram aplicações como controles de sistemas automotivos.

IGBT

IGBT é abreviação de Insulated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolar de porta isolada).

Pode ser considerado como um transistor Darlington com um MOSFET como excitador e um bipolar como saída de potência.

Assim, o circuito de controle é similar ao do MOSFET conforme item anterior e as características de comutação são parecidas com as do transistor bipolar.

Apesar do maior custo em relação ao transistor bipolar, a maior simplicidade dos circuitos de controle pode resultar em um custo total menor. São usados em controles de motores e em ignição automotiva, ou seja, em aplicações de baixas freqüências de comutação e altas tensões.

Semicondutores: princípios básicos de operação

Os semicondutores provocaram uma verdadeira revolução na tecnologia da eletrônica. Nenhum aparelho eletrônico atual, desde um simples relógio digital ao mais avançado dos computadores, seria possível sem os mesmos.

Para uma correta compreensão do funcionamento, são necessários alguns fundamentos da teoria atômica, objeto dos tópicos iniciais desta página.

Compostos, elementos, átomos

A maioria das substâncias presentes na natureza é formada pela combinação de outras, isto é, são compostos. Um exemplo comum é a água, formada por hidrogênio e oxigênio, os quais individualmente apresentam propriedades bastante distintas do composto.

Entretanto, tanto o hidrogênio como o oxigênio não admitem decomposição em outras substâncias e, por isso, são chamados elementos. Existem cerca de 100 elementos conhecidos e todas as substâncias na natureza são combinações deles. E as substâncias diferem uma das outras pelas diferentes combinações de elementos, em seus tipos e/ou proporções.

Mas o que faz um elemento diferente de outro? Uma porção qualquer de um determinado elemento não pode ser subdividida indefinidamente. Há uma partícula elementar a qual, se subdividida, faz elemento perder suas características. Esta partícula é chamada átomo. Assim, cada elemento se caracteriza por ter uma estrutura atômica própria.

A formação de um composto ocorre de maneira organizada. Cada elemento contribui com um determinado número de átomos para formar uma partícula maior, chamada molécula, que caracteriza o composto. Portanto, de forma similar ao átomo do elemento, a molécula é a menor porção possível de um composto. Se subdividida, ele perde suas características.

O átomo

O átomo, por sua vez, é formado por partículas. A sua estrutura lembra o nosso sistema solar, mas de dimensões ínfimas. No lugar do sol, um núcleo formado por um aglomerado de partículas. Orbitando em torno do núcleo, um outro conjunto de partículas.

São três as partículas fundamentais do átomo: prótons, nêutrons e elétrons (na realidade existem mais. Mas isto é assunto de física avançada e não é necessário para o objetivo deste estudo).

Os prótons estão sempre presentes no núcleo e têm carga elétrica positiva.

Os nêutrons podem estar ou não presentes no núcleo e não têm carga elétrica. Sua massa é próxima da do próton.

Os elétrons estão sempre nas órbitas e têm carga elétrica negativa, mas de magnitude igual à do próton. Sua massa é cerca de 1/1840 da massa do próton.

Lembrar que prótons, nêutrons e elétrons são únicos e não são diferentes em cada elemento. Assim, o que caracteriza um elemento é a quantidade destas partículas no átomo. Mais especificamente, é o número de prótons no núcleo. Isto é chamado número atômico e é característica única de cada elemento. Elementos diferentes têm sempre números atômicos diferentes.

A Fig 1 abaixo dá o esquema simplificado de um átomo de lítio. Prótons são indicados em vermelho, nêutrons em cinza e elétrons em azul. 

O número atômico do lítio é 3 e, portanto, existem 3 prótons no núcleo.

O número de nêutrons também depende do elemento mas não é característica exclusiva. Um mesmo elemento pode ter variações com diferentes números de nêutrons. Estas são chamadas isótopos.

Normalmente, o número de elétrons é igual ao número de prótons. Assim, a carga elétrica total do átomo é nula.

Em algumas situações, o átomo poderá perder ou ganhar elétrons, isto é, ficar positivamente ou negativamente carregado. Nessas condições, ele é dito ser um íon positivo ou um íon negativo.

Níveis de energia

A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos.

Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron.

Aqui não cabe considerações mais profundas sobre a teoria quântica. Esta diz em linhas gerais que os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isto não é perceptível pois os valores são muito pequenos. Mas os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos.

Assim, a energia total que o elétron pode ter é definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete e estão representados na Fig 2.

O número máximo de elétrons que cada nível pode ter é limitado segundo o princípio de exclusão de Pauli e é dado por 2n² onde n é o número do nível. Assim, o nível 1 poderá no máximo 2, o nível 2 no máximo 8 e assim sucessivamente.

É regra geral na natureza a estabilização na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para o maior e um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo. A Fig 1 do item anterior mostra isso.

Os elétrons em cada nível ocupam subníveis e cada um pode conter um número máximo de elétrons e são, de forma similar, preenchidos do menor para o maior.

Os subníveis são designados pelas letras s, p, d e f e os valores máximos são respectivamente 2, 6, 10 e 14.

Evidente que, por exemplo, o nível 1 só pode ter o subnível s, pois o número máximo do nível é 2. Já o nível 2 pode ter os subníveis s e p e assim sucessivamente.

Valência

A Fig 3 dá o exemplo da distribuição dos elétrons em um átomo de cobre, número atômico 29.
O nível mais externo (4, neste exemplo) é chamado de nível de valência e os elétrons presentes nele são os elétrons de valência.

O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos.

Muitas das propriedades químicas e elétricas dependem da valência.

A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos subníveis, com o número de elétrons de cada subnível colocado na forma de expoente. Para este caso do cobre: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹.

Bandas de energia

Quando os átomos não estão isolados mas juntos em um material sólido, as forças de interação entre os mesmos são significativas. Isso provoca uma alteração nos níveis de energia acima da valência. Podem existir níveis de energia não permitidos, logo acima da valência.

Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de valência, sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de valência para um nível ou banda de condução.

Conforme Fig 4, em um material condutor não existem níveis ou banda de energia proibida entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui facilmente sob a ação do campo elétrico.

Já um material isolante tem uma larga banda proibida entre a valência e condução. E dificilmente haverá condução da corrente.

Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias. Isto significa que podem apresentar alguma condução, melhor que os isolantes mas pior que os condutores.

Impurezas

Conforme já dito, a capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número de elétrons de valência. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes.

Consideramos agora o silício, que é o semicondutor mais usado e tem 4 elétrons de valência.

No estado puro cada, par de elétrons de átomos distintos formam a chamada ligação covalente, de forma que cada átomo fique no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa.

O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme Fig 5. Na realidade é tridimensional. Está assim mostrada por uma questão de simplicidade.

Até agora, nada de novo. O material continua um semicondutor. Entretanto, quando certas substâncias, chamadas impurezas são adicionadas, as propriedades elétricas são radicalmente modificadas.

Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for adicionado e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução (Fig 6).

O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo n.

Notar que o material continua eletricamente neutro pois os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda, de forma a permitir a condução.

Agora a situação inversa conforme Fig 7.

Uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada.

Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo p, devido à carga positiva dos portadores (buracos).

Junção PN (diodo de junção)

Se um semicondutor tipo P é colocado junto a um do tipo N, na região de contato, chamada junção, haverá a formação de uma barreira de potencial.

Lembrar que, no estado normal, o semicondutor é eletricamente neutro pois os átomos tanto do semicondutor quanto da impureza têm iguais números de elétrons e prótons.

Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P, deixando esta com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo e, assim, formando uma barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P (Fig 8 A).

Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme Fig 8 B, o potencial de barreira será quebrado e a corrente elevada pois existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada.

No caso de inversamente polarizada, Fig 8 C, o potencial de barreira será aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será pequena.

Este conjunto, chamado diodo de junção, funciona como um retificador. Na Fig 9 uma curva típica (não em escala) e o seu símbolo.

Notar que, acima de um pequeno valor de polarização direta, a corrente aumenta bastante, na realidade de forma exponencial, dada por: I = C e^-e(Vo-V)/kT. Onde C é uma constante que depende da junção, k a constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta.

A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre o efeito avalanche, rompendo a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Este fato é usado em reguladores de tensão (diodos zener).

A Fig 9.1 mostra a parte inicial da polarização direta de um diodo no qual a concentração de impurezas nas partes P e N é muito grande.

Nesta condição, a região efetiva de junção será muito estreita e alguns elétrons podem pular a barreira de potencial, resultando em diminuição da corrente com o aumento da tensão em uma determinada faixa.

Isto é chamado efeito túnel e diodos assim construídos são ditos diodos túnel.

Diodos túnel são componentes muito úteis para circuitos osciladores simples e de alta freqüência.

Junção NPN (transistor de junção)

Um dispositivo formado por duas junções PN contrapostas conforme Fig 10, se adequadamente polarizada e construída segundo alguns critérios, tem a função de amplificador e é chamado transistor de junção NPN.

A junção base-emissor é polarizada diretamente pela fonte Vbe.
A junção base-coletor é polarizada inversamente pela fonte Vce.
Vce é significativamente maior que Vbe. Exemplo: 6V e 1V.

A base é fisicamente delgada e tem uma concentração de impurezas menor que os semicondutores N do emissor e coletor. Desta forma, o fluxo de elétrons vindo do emissor tem pouca probabilidade de combinação com os buracos na junção da base para formar Ib e a maior parte rompe a polarização inversa da junção base-coletor devido ao campo elétrico maior de Vce. Ou seja, a polarização base-emissor atua como um acelerador do fluxo e controla a corrente Ic, fazendo o efeito da amplificação.

Pelo circuito pode-se concluir que Ie = Ib + Ic.

Em casos práticos, Ib pode ser 5% ou menos de Ie e Ic, 95% ou mais, ou seja, a amplificação é considerável.

No canto esquerdo superior da figura, o símbolo normalmente usado para este componente.

Um parâmetro usual para o transistor é o fator de corrente a, que é a relação entre as correntes de coletor e emissor. Assim, a = Ic/Ie ou Ic = a Ie. Como Ib é pequena, o fator a é próximo da unidade. E temos também: Ib = Ie - Ic = Ie - a Ie = (1-a) Ie.

E o ganho de corrente b será dado por b = Ic/Ib = a / (1-a).

Junção PNP

O transistor de junção PNP é o inverso do anterior. O coletor e emissor são semicondutores tipo P e a base é tipo N. A operação é similar à do anterior, observada a inversão de portadores de cargas e polarizações das junções. Por isso, a Fig 11 dá apenas o símbolo usual do componente.

Junção PNPN

Um dispositivo com duas junções de silício PN conforme Fig 12 é chamado retificador controlado de silício (sigla SCR, do nome em inglês).

Notar que, no circuito dado, as junções externas são polarizadas diretamente e a central, inversamente.

Ele pode ser considerado como a combinação de um transistor NPN com um PNP conforme indicado.

Aplicando a lei de Kirchhoff em c, por exemplo, temos:

Ic = a_a Ia + a_c Ic e, em todo o conjunto:

Ic = Ip + Ia.

E, resolvendo, Ic = -a_a Ip / (1 - a_a - a_c).

Se a soma dos fatores de corrente de ambos os transistores for próxima de 1, a corrente Ic será muito grande em relação a Ip, o que ocorre na prática.

Os valores de Ip são realmente muito baixos e, uma vez iniciada a condução, Ip pode ser reduzido a zero pois o circuito se mantém polarizado de forma a manter a condução.

Estes dispositivos são bastante utilizados para o controle de cargas de alta potência como rotação de motores de corrente contínua, resistências de aquecimento, etc.

Unijunção

Uma barra semicondutora tipo N com dois contatos B1 e B2 e uma junção P conforme Fig 13 é o transistor de unijunção.

Na altura da junção P haverá uma tensão na barra que dependerá da resistência ôhmica desta e de Vb.

Enquanto Ve for menor que esta tensão, a junção do emissor estará inversamente polarizada e, portanto, a corrente será nula ou próximo disso.

Se Ve aumenta de forma que a junção fica diretamente polarizada, haverá um fluxo de portadores entre o emissor e base B1 e a corrente aumenta mesmo que Ve diminua. Isto dá ao dispositivo uma característica de resistência negativa, conforme indicado no gráfico da figura.

Efeito de campo

Um transistor de efeito de campo (FET, do nome em inglês) tem uma construção conforme Fig 14. Uma barra de semicondutor tipo N é envolta por um material tipo P, formando uma junção PN chamada porta.

Os contatos nas extremidades são chamados de fonte e dreno.

A junção da porta é inversamente polarizada, o que resulta em corrente quase nula pela mesma, mas o campo elétrico forma um canal na barra que controla a passagem dos portadores. Assim, a tensão aplicada na porta controla a corrente entre fonte e dreno.

Como a porta é polarizada inversamente, a sua resistência de entrada é bastante alta, o que é conveniente para muitas aplicações.

O exemplo da figura é um FET com canal tipo N mas pode perfeitamente ser tipo P, sendo, neste caso, a porta tipo N e, naturalmente, invertidas as tensões aplicadas (o símbolo tem o sentido da seta invertido).

Em muitos diagramas é comum o uso das iniciais em inglês para fonte, dreno e porta (Source, Drain, Gate).

MOSFET

Um efeito semelhante ao anterior pode ser obtido com a porta totalmente isolada do canal.

Este dispositivo, que usa uma camada de óxido para a isolação da porta, é chamado MOSFET.

A Fig 15 dá o esquema de dois tipos de MOSFET: em A, o de depleção e em B, o de reforço.

O primeiro opera de forma similar ao anterior. No MOSFET de reforço, uma tensão positiva aplicada na porta repele os buracos no substrato P e a camada superficial tende a se tornar N e a corrente flui entre fonte e dreno, controlada pelo potencial positivo da porta.

O símbolo indicado é para o de canal N. Para o tipo de canal P, o sentido da seta é invertido.

Linhas de transmissão de sinais: impedância

Na Eletrônica, linhas de transmissão são cabos condutores de sinais. No dia-a-dia elas são vistas em antenas, cabos de telefonia, redes de computadores, etc.

Um dado bastante empregado para especificar um cabo de transmissão de sinais é a sua impedância. Por exemplo: cabo coaxial de 75 ohms, cabo paralelo de 300 ohms, etc. Mas o que é impedância de um cabo de transmissão? O termo adequado é impedância característica, ou seja, uma propriedade do mesmo.

Nesta página, pretende-se exibir o desenvolvimento matemático que define a propriedade e outras informações dela decorrentes. Para isso, são necessários conceitos de integrais, diferenciais, números complexos. 

Impedância  

Impedância de um circuito de corrente alternada pode ser entendida como a grandeza equivalente à resistência de um circuito de corrente contínua. A unidade física é a mesma da resistência (ohm). Entretanto, a impedância precisa ser representada por um número complexo. Mais conceitos podem ser vistos na página Correntes AC II deste site.

Considerando uma corrente senoidal de freqüência f, a impedância através de um indutor é dada por Z_L = jwL, através de um capacitor, Z_C = -j/wC e, através de um resistor, a sua própria resistência Z_R = r (j unidade imaginária Ö-1, w velocidade angular 2pf, L indutância, C capacitância).

Na forma complexa, associações de impedâncias se comportam como associações de resistores. Assim, a impedância resultante da ligação em série das anteriores é Z_S = Z_L + Z_C + Z_R. Para a ligação em paralelo: (1/Z_P) = (1/Z_L) + (1/Z_C)+ (1/Z_R).

Linha ideal e linha real  

Se existisse, uma linha de transmissão ideal não ofereceria qualquer obstáculo à passagem do sinal. Mas na real as coisas são diferentes. Condutores elétricos não têm resistência nula. Um fio, mesmo retilíneo, apresenta uma pequena indutância. Entre dois fios separados por um isolante, sempre há uma pequena capacitância e uma elevada resistência elétrica.

Em circuitos de corrente contínua ou de baixa freqüência, basta, muitas vezes, considerar apenas as resistências ao longo dos condutores. Em freqüências mais altas, o efeito dessas pequenas indutâncias e capacitâncias é considerável e não pode ser desprezado.

Modelo de uma linha de transmissão  

Na Fig 1, o modelo teórico de um pequeno comprimento de linha Dx para aproximação com uma linha real: entre os dois condutores há um conjunto RC paralelo. Ao longo de um condutor, há um conjunto RL em série, subdividido em dois para manter a simetria, conforme sugere a situação real.

É suposto que uma unidade de comprimento da linha tenha uma impedância em série z_L e uma paralela z_C. Nestas estão inclusas as resistências e os símbolos foram assim colocados porque o efeito das indutâncias e capacitâncias são predominantes e, em muitos casos, as resistências podem ser desprezadas. Notar que, quanto menor o comprimento, menor z_L e maior z_C.

Portanto, para um comprimento pequeno Dx, a impedância em paralelo será Z_C = z_C / Dx e, em série, Z_L = Dx z_L (metade desta última para cada conjunto RL desdobrado, conforme mencionado).

Em uma extremidade são supostas uma tensão v e uma corrente i e, na outra, uma tensão v + Dv e uma corrente i + Di.

Impedância característica  

Aplicando a lei de Kirchhoff, SV = 0, para o laço formado por ambas as extremidades do modelo do item anterior e simplificando a igualdade:		v - i Dx zL/2 - (i+Di) Dx zL/2 - v - Dv = 0 Dv / Dx = -zL i - Di zL/2
Na situação limite, Dx®0, a parcela Di zL/2 se anula e temos a derivada:		dv / dx = -zL i	A
Desenvolvendo de maneira análoga para o laço formado pela extremidade esquerda e o conjunto RC central:		v - i Dx zL/2 - [i-(i+Di)] zC/Dx = 0 v - i zL Dx - Di zC / Dx = 0
Na situação limite, Dx®0, a parcela i zL Dx se anula e temos a derivada:		di / dx = - v / zC	B
A segunda derivada de A é:		d2v / dx2 = - zL di / dx
Substituindo di/dx pelo valor de B:		d2v / dx2 = (zL / zC) v	C
No processo análogo, de B para A:		d2i / dx2 = (zL / zC) v	D

As igualdades C e D são denominadas equações da linha de transmissão. E a solução das equações diferenciais dá os valores de tensão e corrente em qualquer posição da linha de transmissão. Aqui não são desenvolvidas as soluções mas apenas dados os resultados.

A solução de C é:		v = a e-gx + b egx	E
A constante g é chamada coeficiente de propagação e é dada por:		g = (zL / zC)1/2	F
A solução de D é:		i = (a / Zcr) e-gx - (b / Zcr) egx	G
A constante Zcr é a impedância característica e é dada por:		Zcr = (zL zC)1/2	H

Linha carregada com sua própria impedância característica  

Conforme Fig 2, uma linha de comprimento m e impedância característica Z_cr é terminada com uma carga do mesmo valor. Então, V_b = I_b Z_cr e, de acordo com as equações E e G, V_b e I_b são respectivamente v e i com x = m. Assim,

a e^-gm + b e^gm = Z_cr [ (a/Z_cr) e^-gm - (b/Z_cr) e^gm]. Ou a e^-gm + b e^gm = a e^-gm - b e^gm.

Para satisfazer esta última igualdade, b deve ser zero.

No lado esquerdo, x = 0 e, conforme equação E, V_a = a.

Assim, v = V_a e^-gx e i = (V_a e^-gx) / Z_cr.

E a impedância de entrada (x=0) será: Z_e = V_a / I_a = V_a / (V_a/Z_cr) = Z_cr. Portanto, a impedância da entrada de um cabo carregado com sua própria impedância característica é a impedância característica, independente do comprimento. Este é um dos motivos para se usar sempre impedâncias casadas em linhas de transmissão.

Para a linha curto-circuitada, isto é, R = 0 e V_b = 0, temos:
a e^-gm + b e^gm = 0 e I_b = (a / Z_cr) e^-gm - (b / Z_cr) e^gm. Com essas duas igualdades, pode-se relacionar os coeficientes: a = I_b Z_cr e^gm / 2 e b = -I_b Z_cr e^-gm / 2.

E, com as equações E e G, chega-se às igualdades:

v = I_b Z_cr [e^-g(x-m) - e^g(x-m)] / 2 e i = I_b [e^-g(x-m) + e^g(x-m)] / 2. Comparando com o resultado anterior, pode-se considerar as últimas parcelas das igualdades como um segundo sinal na linha, ou seja, um sinal refletido, que produz certamente interferências no sinal original. Isto reforça a recomendação da correspondência de impedâncias nos acoplamentos de transmissão de sinais.

Impedâncias características de alguns tipos de cabos

Em geral, a resistência ao longo do cabo, r_L, é muito baixa para as correntes usuais e a resistência entre os condutores, r_C, é muito alta para as tensões usuais. Portanto, elas podem ser desprezadas e temos z_L = jwL e z_C = -j/wC.

Substituindo na igualdade H:

Z_cr = (z_L z_C)^1/2 = [(jwL)  (-j/wC)]^1/2.

E a impedância característica é dada simplesmente por Z_cr = Ö(L/C). Ou seja, ela não depende da freqüência do sinal. Depende apenas das características geométricas do cabo. E também não é complexa. É puramente resistiva.

Fórmulas teóricas foram desenvolvidas para o cálculo da impedância característica de acordo com o tipo de cabo. A seguir, algumas delas.

Obs: er = permissividade relativa (constante dielétrica) do dielétrico. Para o ar, er @ 1.

Cabo paralelo		Zcr = (276 / Ö er) log (D / r), onde: D = espaço entre os centros dos condutores r = raio de cada condutor
Cabo coaxial		Zcr = (138 / Ö er) log (R / r), onde: R = raio do condutor externo r = raio do condutor interno
Cabo trançado		Zcr = (276 / Ö er) log (D / r), onde: D = espaço entre os centros dos condutores r = raio de cada condutor

Propagação  

Já mencionado que g das fórmulas anteriores é a constante de propagação g = (z_L / z_C)^1/2. Multiplicando ambos por z_L e separando os expoentes g = (z_Lz_L)^1/2 / (z_Lz_C)^1/2 = z_L / Z_cr.
No item Modelo de uma linha de transmissão, foi dado que z_L é a impedância de uma unidade de comprimento e, portanto, a impedância indutiva do trecho de linha estudado é Z_L = Dx z_L ou
z_L = Z_L / Dx = jwL / Dx. Substituindo na igualdade anterior: g = j wL / (Dx Z_cr). Desconsiderando as resistências da linha conforme item anterior, Z_cr é um número real e a constante pode ser escrita como g = j b, onde b = wL / (Dx Z_cr). O propósito é a determinação do valor de b.

No item Linha carregada com sua própria impedância característica foi dada a tensão v ao longo da linha, v = V_a e^-gx. Pode-se agora escrever v = V_a e^-jbx. Onde V_a é a tensão na entrada da linha. Se ela é um sinal senoidal, pode ser dada por V_a = V e-^jwt. Substituindo na equação anterior: v = V e^jwt e^-jbx.

Usando a notação trigonométrica para os números complexos, temos:

v = V (cos wt + j sen wt) (cos bx - j sen bx).
v/V = cos wt cos bx - j cos wt sen bx + j sen wt cos bx + sen wt sen bx. E reagrupando:
v/V = cos wt cos bx - sen wt sen bx + j (sen wt cos bx + cos wt sen bx). Ou
v/V = cos (wt + bx) + j sen (wt + bx). Ou v = V [cos (wt + bx) + j sen (wt + bx) ]. Esta igualdade é a representação complexa de um sinal senoidal que na forma simplificada é dada por:

v = V sen (wt + bx). E esta é a equação da propagação do sinal ao longo da linha.

Conforme Fig 3, após um tempo igual ao período T do sinal, deve haver um deslocamento igual ao comprimento de onda l do mesmo. Assim deve-se ter b = 2p/l.

Voltando à linha curto-circuitada de comprimento m, foram dadas as tensões e correntes:
v = I_b Z_cr [e^-g(x-m) - e^g(x-m)] / 2 e i = I_b [e^-g(x-m) + e^g(x-m)] / 2. Substituindo o valor de g e calculando para a entrada (x = 0):
V_a = I_b Z_cr [e^jbm - e^-jbm] / 2 e I_b = I_b [e^jbm + e^-jbm] / 2. E, calculando a impedância de entrada,
Z = V_a/I_a = (Z_cr/2) ( e^jbm - e^-jbm ) / (e^jbm + e^-jbm).
Z = (Z_cr/2) (cos bm + j sen bm - cos bm + j sen bm)/(cos bm + j sen bm + cos bm - j sen bm).

Z = j Z_cr tan (2 p m / l). Isto significa que, se o comprimento da linha for m = l / 4, isto é, um quarto do comprimento de onda do sinal, a impedância na entrada será infinita, atuando como um circuito ressonante paralelo. É uma interessante aplicação para a linha em curto-circuito.

Laser - Princípios básicos de funcionamento

A tecnologia dos lasers está presente em uma variedade de aplicações. Telecomunicações por fibras óticas, leitura/gravação de dados em CDs, medicina, odontologia são apenas algumas das que podem ser mencionadas. Nesta página, um pouco dos fundamentos, com previsão de futuras atualizações.

1-) Átomos e fótons  

Embora não corretamente enquadrado nos conceitos mais recentes, considera-se o átomo formado por um núcleo contendo prótons e nêutrons e elétrons que giram em torno do mesmo, ocupando determinadas trajetórias ou órbitas.

Átomos podem ser excitados por fontes externas de energia, como calor, energia elétrica. Também de forma simplificada e não exatamente conforme as teorias mais modernas, pode-se dizer que, quando um átomo é excitado, alguns elétrons passam para órbitas mais afastadas do núcleo, com níveis de energia superiores.
Em A da Figura 1.1, um elétron passou do nível de energia E para o nível E'. Eventualmente, o elétron pode retornar ao nível anterior e, neste caso, há emissão de um fóton de luz.

O estudo do fóton exige mais conceitos de física quântica, que não são objeto desta página. Pode-se dizer que é a menor quantidade de luz possível, ou seja, a luz pode ser tida como um conjunto de partículas elementares, chamadas fótons.

Existe uma relação matemática entre a variação de energia e a freqüência do fóton de luz emitido: E' - E = h f. Onde f é a freqüência e h a constante de Planck (aprox 6,62 10^-34 Js).

O fenômeno da emissão de fótons por átomos excitados ocorre de forma abundante na prática. Um metal aquecido acima de certa temperatura emite luz devido à excitação dos átomos pelo calor. Átomos do fósforo na tela de um cinescópio são excitados pelo feixe de elétrons incidente para emitir luz. As variações dos níveis de energia ocorrem segundo alguma distribuição estatística e os átomos emitem fótons de forma pouco dependente dos demais. Por isso, este tipo de emissão é chamado emissão espontânea ou não estimulada.

2-) Emissão estimulada  

A emissão estimulada se dá conforme a Figura 2.1.
Um fóton incide sobre um átomo que tem um elétron excitado em um nível de energia equivalente ao do fóton incidente. Neste caso, o fóton incidente faz o elétron retornar ao nível de energia anterior e o resultado são dois fótons, o original e o emitido, na mesma direção e fase.

Alguém pode imaginar que a emissão estimulada seja coisa comum na prática. Fótons gerados por emissão espontânea poderiam encontrar átomos em condições de serem estimulados e, assim, formar uma reação em cadeia no processo. 

Na realidade, isto não ocorre facilmente. Em cada instante, o número de átomos excitados é muito pequeno em relação ao total e o tempo em que eles permanecem no estado excitado também é muito curto. Portanto, a maior parte dos fótons espontaneamente emitidos não encontra átomos para provocar a emissão estimulada.

Pode-se também pensar que o aquecimento favorece o processo, mas não ocorre. O calor aumenta a energia média do conjunto mas não aumenta a proporção de átomos excitados em relação ao novo patamar de energia.

3-) O laser básico  

Na maioria dos materiais, conforme citado no item anterior, o tempo de permanência no estado excitado é muito curto, na faixa dos nanossegundos, insuficiente para provocar emissões estimuladas.

Em alguns materiais, a excitação dos átomos ocorre conforme Figura 3.1 (A). Depois de atingir o nível de excitação E', elétrons decaem para um nível metaestável Em, cujo tempo de permanência se está na faixa de 10^-6 a 10^-9 s, dependendo do material. E este tempo é suficiente para provocar emissões estimuladas em cadeia, uma vez que a população de átomos excitados se torna significativamente maior.

Na Figura 3.1 (A), o processo ocorre com 3 níveis de energia (E', Em e E). Na realidade, em muitos casos existem um ou mais níveis intermediários inferiores, conforme Figura 3.1 (B).

A palavra laser significa amplificação de luz por emissão estimulada da radiação (do inglês, light amplification by stimulated emission of radiation).

A Figura 3.2 mostra o esquema de um dos primeiros tipos construídos. Um cristal de rubi, em forma de barra, é excitado por uma lâmpada a gás.

O cristal tem a propriedade de excitação metaestável e a emissão estimulada se dá em cadeia.

Em uma extremidade há um espelho 100% refletor e na outra, um parcialmente refletor. A reflexão mútua provoca o alinhamento dos fótons na direção longitudinal e, pelo refletor parcial, é emitido um feixe de luz altamente concentrado e monocromático.
Lasers também podem ser obtidos com alguns tipos de gases, usando uma construção semelhante, com uma ampola de gás no lugar do cristal.

A Figura 3.3 dá o princípio básico de um laser que usa uma mistura de hélio e néon, na proporção de aproximadamente 5:1.

A pressão é baixa (cerca de 0,003 atm).  Uma tensão de » 1000 V excita os átomos de hélio, que, por sua vez, excitam os de néon devido à proximidade dos níveis de energia de ambos os elementos. Em forma de equação, o processo pode ser descrito como:

He(excit) + Ne ® He + Ne(excit) + DE, onde a última parcela é a pequena diferença de energia entre ambos.

4-) Maser  

Maser é o equivalente do laser para freqüências mais baixas, na faixa de microondas. Sua principal aplicação está na radioastronomia, para amplificar sinais recebidos. Outro dado interessante é que existem masers no Universo, em regiões de formação de estrelas. A maior parte irradia na freqüência de 22 GHz, criando a mais brilhante linha do espectro radioastronômico.

Mais detalhes em futuras atualizações da página.

5-) Diodos laser

De todos os tipos, os lasers de semicondutores são certamente os mais conhecidos e produzidos, em razão da expansão das telecomunicações e da armazenagem de dados por meios óticos (CDs e outros).

Existem vários arranjos. A Figura 5.1 dá um exemplo com 5 camadas.

Como em um led, a junção é diretamente polarizada e a recombinação de cargas, que ocorre quando os elétrons passam da camada n para a camada p, produz fótons de luz visível ou infravermelho.

Acima de um determinado nível de corrente, os fótons que se movem no sentido paralelo à junção iniciam um processo de emissão estimulada em cadeia.

De forma similar aos anteriores, as extremidades têm superfícies espelhadas e semi-espelhadas (não indicadas na figura por questão de clareza).

A construção produz um feixe de formato chato, inadequado para, por exemplo, cabos de fibra ótica. Existem outras que produzem feixes concentrados.

A máxima eficiência do laser - isso vale também para os anteriores - ocorre quando o comprimento do material na direção da emissão é múltiplo exato do comprimento de onda da luz emitida (ver ilustração na Figura 5.2). Ou seja, o dispositivo trabalha como um ressonante ótico.

Radiações emitidas por alguns tipos  (início da página)

Como pode ser visto na tabela, existem mais tipos do que os descritos nesta página. Mas o princípio básico é o mesmo. Futuras atualizações devem incluí-los.

Também pode ser notado que vários tipos emitem radiações fora do espectro visível, o que é muito importante para diversas aplicações.

Observações:

1) l é o comprimento de onda em nanômetros.

2) IV significa infravermelho e UV, ultravioleta.

3) "Excimer" significa "excited dimer", ou seja, um dímero (composto formado pela união de duas moléculas de um monômero) excitado.

4) YAG é do inglês "Yttrium Aluminum Garnet" (cristal de ítrio e alumínio).

5) YLF é do inglês "Yttrium Lithium Fluoride" (fluoreto de ítrio e lítio). Os elementos citados na tabela são dopados nesses cristais.

Fornos de microondas

Nesta página, alguns princípios básicos do funcionamento e manutenção dos fornos de microondas. A manutenção é relativamente simples, mas alguns cuidados devem ser tomados, em especial com relação à segurança.

Como começou

O magnétron, uma válvula termiônica para gerar microondas e usada em instalações de radares, foi inventado pelos ingleses por volta do início da 2ª guerra mundial. É considerado um dos fatores decisivos para a vitória dos aliados na Europa.

Pouco depois do fim da guerra, um pesquisador de uma empresa americana fabricante de radares notou que, trabalhando próximo a uma antena, alguns doces que levava no bolso haviam amolecido. E, assim, descobriu-se a propriedade das microondas de aquecer alimentos.

Atenção

Este artigo não se destina a ensinar a pessoas leigas o reparo deste tipo de equipamento! Forno de microondas é, provavelmente, o eletrodoméstico mais perigoso de reparar para quem não conhece os procedimentos de segurança. Veja por quê:

A) Radiação: em operação normal não há riscos. Entretanto, por exemplo, se algum intertravamento for bloqueado, como funcionar com a porta aberta, níveis perigosos de radiação podem atingir pessoas próximas.

B) Alta tensão: pode chegar a 5000 volts de pico e com uma potência da fonte nada desprezível. É provavelmente fatal se em contato com uma pessoa. Além disso, um capacitor usado, de alta tensão, pode, a depender do defeito, armazenar a energia e assim permanecer mesmo depois do equipamento desligado! Profissionais sempre devem tomar o cuidado de descarregar o capacitor antes de qualquer intervenção.

O componente principal (magnétron)  

Aqui é suposto que o leitor tem conhecimento do efeito termiônico presente nas válvulas eletrônicas, as quais fizeram a base do desenvolvimento desta tecnologia. Com o advento dos transistores, elas foram gradativamente substituídas pelos mesmos, mas ainda permanecem em algumas aplicações. O forno de microondas é uma delas.

O magnétron é uma válvula especial, diferente das demais. Tem apenas um catodo e um anodo mas não é um simples retificador.

O anodo não é uma simples placa metálica mas sim um cilindro de espessura razoável que dispõe de cavidades longitudinais, cilíndricas ou não, conforme Fig 1.

O elemento de controle, que seria a grade das válvulas comuns, são ímãs que formam um campo magnético longitudinal e modificam o fluxo de elétrons entre catodo e anodo: em vez de uma trajetória retilínea, os elétrons percorrem um caminho circular e passam tangencialmente pelas aberturas da cavidade.

Disto resulta a geração de microondas dentro das cavidades que são chamadas de cavidades ressonantes.

Como analogia prática, pode-se comparar ao som que é emitido quando se sopra, numa direção adequada, a boca de uma garrafa vazia!

Algumas observações:

- Ao contrário dos circuitos comuns, o anodo é ligado à massa. Assim, no circuito do magnétron, a massa deve ser positiva!

- Na tecnologia atual as cavidades não são cilíndricas. São formadas por aletas radiais soldadas no anodo. Tornam a estrutura mais leve e fazem o mesmo efeito.

- Existem muitos outros detalhes construtivos e de operação mas aqui não colocados pois este artigo visa apenas os princípios básicos.

- A figura deste item é meramente ilustrativa. É evidente que, na prática, o anodo e o catodo estão encapsulados sob vácuo. Do contrário, não haveria o efeito termiônico.

O circuito básico

A Fig 2 abaixo mostra um circuito típico para operação do magnétron. Somente a parte de potência é exibida.

Notar a configuração pouco usual do magnétron em paralelo com o diodo e não com o capacitor, como seria em uma fonte convencional.

Mas tem fundamento: esta forma é, na realidade, um dobrador de tensão de meia onda. A tensão no magnétron pode chegar perto de 5000 V.

É também possível notar o quanto este circuito pode ser perigoso em caso de tentativas de reparo sem as devidas precauções:

Se o magnétron deixar de conduzir (filamento aberto, por exemplo), a tensão no capacitor permanecerá depois da fonte desligada. Pode ser cerca de 2000 V. Assim, em qualquer intervenção, o capacitor deve ser seguramente descarregado!

Outras partes  

Partes aqui não vistas em detalhes incluem ventiladores, fusíveis, proteções térmicas e intertravamentos para permitir uma operação segura.

Uma proteção especialmente importante é aquela que impede o funcionamento com a porta aberta.

Controle:

A potência de aquecimento é regulada de uma forma simples, pelo liga-desliga do circuito do magnétron através de um relé ou triac conforme item anterior.

A Fig 3 ao lado mostra duas situações:

A: potência alta. O tempo ligado é predominante durante um intervalo T.

B: potência média-baixa. O tempo ligado é menor.

O circuito que comanda o liga-desliga (isto é, o relé ou triac mencionados) não é aqui exibido.

Nos modelos mais antigos são usados temporizadores eletromecânicos e, portanto, bastante simples.

Os modelos atuais fazem uso de circuitos digitais operados por microcontroladores que disponibilizam funções diversas tais como exibição de hora, ajuste da potência e do tempo de operação de acordo com o alimento e o tipo de aquecimento desejado, etc.

Vazamentos de microondas  

Um forno de microondas em bom estado é seguro e não apresenta vazamentos de radiação. Entretanto, após um reparo é sempre conveniente verificar a possibilidade.
Existem no mercado vários detectores para tal finalidade mas o autor já viu publicada (mas não testou) uma forma simples como a Fig 4 abaixo.

É usado um diodo SBD (Schottky Barrier Diode) em conjunto com um LED comum.
Os condutores que saem do diodo são deixados no seu comprimento original e em forma retilínea.

Os condutores do LED são soldados bem próximos ao diodo. Assim, funciona como um dipolo de 1/4 de onda. O conjunto deve ser colado em um suporte não condutor e aproximado dos locais de verificação e, se houver vazamento, o LED deverá apresentar alguma luminosidade.

O aquecimento por microondas  

Um forno típico tem de 500 a 1000 W de potência de microondas a uma freqüência de 2,45 GHz. O aquecimento se deve principalmente às vibrações das moléculas de água. Recipientes de vidro, plástico, papel absorvem pouquíssima radiação.

Desde que as superfícies internas do forno são boas refletoras da radiação, praticamente toda a energia fornecida pelo magnétron está disponível para o aquecimento e, portanto, a sua velocidade depende apenas da potência disponível e da quantidade de alimento. Desconsiderando as perdas por convecção, o tempo para aquecer é, grosso modo, proporcional à quantidade colocada, na mesma potência. Assim, por exemplo, um litro de água deve ferver aproximadamente no dobro do tempo do de meio litro.

O aquecimento não se dá de dentro para fora, como muitos pensam. As microondas penetram apenas alguns  centímetros e, portanto, a superfície aquece mais rápido que o interior. Entretanto, esta penetração é suficiente para fazer diferença em relação aos fornos convencionais, nos quais o aquecimento é aplicado somente na superfície.

Teste de componentes de potência  

Diodo: se estiver em curto, provavelmente será percebido um ruído do transformador quando o ciclo de aquecimento é iniciado. Pode não provocar a queima do fusível. Se aberto, uma corrente alternada será aplicada no magnétron e somente um semiciclo será aproveitado, o que resulta num aquecimento pequeno ou quase imperceptível.

Para apresentar uma elevada tensão inversa, o diodo é, na realidade, formado por vários elementos em série e, assim, a tensão da bateria dos multímetros comuns não é suficiente para um teste conclusivo. De qualquer forma, a resistência inversa deve ser maior que 10 M.
O circuito da Fig 5 abaixo permite uma melhor avaliação.

O resultado pode ser avaliado pela tensão em V:

Bom: 6 a 10 V.

Em curto: 0 a 2 V.

Aberto ou invertido: 15 V.

Magnétron: um teste efetivo só pode ser feito nas condições de operação. Isto exige dispositivos e instrumentos especiais, fora do alcance da maioria. A seguir os defeitos mais freqüentes e os testes que podem ser feitos com os meios usuais:

A) Filamento em curto com a massa: sintomas semelhantes aos do diodo em curto. Pode ser verificado com multímetro. A resistência filamento-massa deve ser infinita.

B) Filamento aberto: também pode ser verificado com um multímetro. Neste caso o forno não aquece. Muitas vezes o problema está nos contatos e não no magnétron.

C) Filamento com os pólos em curto: difícil de verificar com multímetro pois a resistência normal é bastante baixa. É um defeito raro. Uma fonte com tensão adequada e potência suficiente pode ser usada para testar.

D) Magnétron gaseificado (entrada de ar): pode provocar a queima ou curto do filamento. Não há meio fácil de verificar senão pela substituição por um em bom estado.

E) Por fim, uma inspeção visual pode ser feita para possíveis danos físicos que provocam arcos, superaquecimento (neste caso, a proteção térmica atua de forma freqüente).

Capacitor: se em curto provocará a queima do fusível. Se aberto, não haverá aquecimento.
A resistência entre os terminais ou terminal-massa deve ser de vários megaohms. Se menor que 1 M, pode ser considerado em curto.

Com auxílio de um capacímetro o teste é mais completo. Entretanto, a sua substituição por outro em bom estado é o melhor que se pode fazer quando o problema continua e os demais componentes já foram verificados.

Transformador: além da óbvia inspeção visual, um multímetro pode ser usado para verificar a resistência dos enrolamentos e possíveis fugas para a massa (do primário e do secundário do filamento. O secundário de alta já tem um pólo ligado à massa).

Valores típicos de resistência dos enrolamentos são:
Primário: 0,1 a 0,5 ohms. Secundário de alta: 25 a 150 ohms. Quanto ao secundário do filamento, ela é muito baixa para ser perceptível com o multímetro.

Fontes de alimentação II

1-) Exemplo de fonte

A Figura 1.1 dá o circuito da fonte de um monitor de vídeo comercial. Notar que é apenas a parte do chaveamento. Não estão colocadas a retificação da tensão da rede e o restante (filtros, etc) das saídas dos transformadores.

É uma fonte dupla. O circuito de baixo (T706, TR703 ...) fornece tensão para o circuito de saída horizontal e o circuito de cima (T702, TR702 ...), fornece tensões para o restante do aparelho.

O catodo do led do acoplador ótico 4N25 está ligado às saídas da fonte, não diretamente mas sim através de um pequeno circuito aqui não dado e, por isso, indicado por uma linha tracejada. Assim, ele proporciona a realimentação eletricamente isolada para a modulação dos pulsos a partir da saída, conforme mencionado em itens anteriores.

No circuito da parte inferior, TR704 é um pequeno transformador auxiliar que recebe sinal na freqüência do sincronismo horizontal. Os seus pulsos retificados e não filtrados são aplicados no pino 4 de ambos os controladores PWM UC3842. Isto resulta em uma sincronização da varredura horizontal com os pulsos de chaveamento, para evitar interferências indesejáveis.

Em muitos monitores de vídeo, o sinal para sincronização é obtido com uma simples espira de um fio isolado em torno do núcleo do transformador de saída horizontal.

2-) Conversores de freqüência

Existe uma variedade de tipos de motores elétricos. Em máquinas industriais e similares, o motor de indução trifásico é de longe o mais usado. Isso é conseqüência da sua eficiência e simplicidade: as bobinas que geram os campos magnéticos ficam na parte fixa (estator) e o rotor é apenas uma gaiola condutora com um núcleo de lâminas de aço montadas em um eixo, sem contato elétrico direto. Na prática, as peças que se desgastam são apenas os rolamentos dos mancais.

Entretanto, o motor trifásico apresenta uma desvantagem: sua rotação não é (ou melhor, não era) facilmente ajustável. Teoricamente, a rotação é dada por w = 60 f / p, onde f é a freqüência da rede e p, o número de pares de pólos. Na prática, a rotação é um pouco menor devido ao deslizamento do rotor em relação ao campo magnético girante. O número de pólos é uma característica construtiva e, portanto, não ajustável e a freqüência da rede também não é variável.

Durante muito tempo, motores de corrente contínua foram usados em aplicações de velocidade variável. Entretanto, eles são mais caros. O rotor tem enrolamentos que recebem corrente elétrica através de coletores e escovas que se desgastam.

Até aqui, foram vistas aplicações da modulação por largura de pulso para fornecer tensões contínuas ajustáveis, isto é, os pulsos têm a mesma polaridade.

A Figura 2.1 mostra uma outra aplicação.

Os pulsos podem ser positivos ou negativos e uma modulação adequada pode resultar em valores médios que se aproximam de uma corrente senoidal. Microprocessadores e outros circuitos digitais podem produzir seqüências com períodos T ajustáveis, ou seja, pode-se variar a freqüência e, assim, controlar a rotação de um motor de indução. Neste caso, será necessário o ajuste simultâneo da tensão de pico média Vp devido ao efeito da indutância, isto é, se a freqüência aumenta, será preciso uma tensão maior e vice-versa.

Equipamentos industriais operam em geral com potências altas em relação à maioria dos aparelhos eletrônicos comuns. A comutação exige portanto semicondutores de potência, cujo alto custo (e também dos microcontroladores) inibiu o emprego até certa época. Atualmente, com a redução relativa dos preços, o uso está bastante disseminado.

A Figura 2.2 dá o diagrama básico de um conversor de freqüência típico.

A tensão trifásica rst é aplicada no bloco de entrada E, que consiste do elemento de ligação (chave seccionadora) e elementos de proteção (fusíveis e/ou disjuntores).

Os seis diodos seguintes fazem a retificação e o indutor L e o capacitor C atuam como filtro.

Os seis transistores à direita, com diodos para prevenir picos de tensões inversas, fazem a comutação PWM, comandada por um circuito lógico indicado como bloco. Notar que cada fase contém dois transistores em oposição de polaridades. Isso permite aplicação de pulsos positivos ou negativos conforme figura anterior.

A chave S (simbolizada mecânica por clareza. Normalmente é um semicondutor) fica aberta na partida, deixando a resistência R em série para evitar pico de corrente devido à carga do capacitor. É fechada na operação normal.

A realimentação ou realimentações (RContr na figura) dependem da aplicação. Por exemplo, pode ser um sensor de rotação do motor para um controle preciso da velocidade. Outro exemplo: um inversor pode ser usado em um motor de uma bomba d'água que alimenta uma rede de consumo variável. Neste caso, seria usado um sensor de pressão na saída da bomba. Se o consumo de água aumenta, a pressão tende a diminuir e o sistema aumenta a rotação do motor para restabelecer a pressão ajustada. Muitas vezes, os conversores trabalham em conjunto com outros elementos de controle, como CLPs, CNCs, etc.

E alguém pode perguntar: os motores de corrente contínua ainda têm utilidade em equipamentos de potência? Têm sim. São mais adequados quando há exigência de elevado torque de partida, como tração elétrica (ônibus elétricos, metrôs, empilhadeiras, etc).

3-) Fontes ATX

O propósito deste tópico não é dar diagrama de fontes ATX usadas em computadores. Apenas a descrição e tensões dos pinos, o que pode ser útil em caso de reparos.

Um diagnóstico simples que pode ser feito com uma fonte ATX é desconectar da placa-mãe, ligar na rede e medir a tensão no pino 8 (power OK, cinza).
Se estiver acima de 2 V, provavelmente a fonte está boa e vice-versa.