Categoria 1 · estudo avançado

Circuitos avançados, fontes e amplificadores

Conteúdo editorial de estudo avançado, com conceitos, exemplos, exercícios e fontes para estudo autónomo.

Consultar as siglas: expressão original e significado em português.

Mapa de leitura

Divide qualquer esquema em quatro perguntas: por onde entra a alimentação, por onde passa o sinal, onde está a referência/massa e que componente controla ganho, frequência ou potência. Só depois escolhe Kirchhoff, Ohm, reactância, relação de espiras ou ganho de amplificador. O resultado calculado deve ser comparado com alimentação, dissipação, largura de banda e folha de dados.

Duas partes de estudo

• Fundação — secções 1–5: Kirchhoff, fase, reactância, impedância, bobinas, transformadores e adaptação. Conclui esta parte antes de M01–M04.
• Aplicação — secções 6–10: semicondutores, transístores, lógica, fontes, amplificadores e detectores. Regressa a esta parte quando cada circuito aparecer nos módulos de osciladores, receptores, filtros e EMC.

O módulo conserva uma única URL para não quebrar perguntas e ligações existentes, mas a primeira parte funciona como fundação obrigatória e a segunda como referência de aplicação.

Vocabulário mínimo

Objectivos

No final deste módulo, o estudante deve conseguir:

• aplicar as leis de Kirchhoff a nós e malhas simples;
• distinguir resistência, reactância, impedância e fase;
• calcular associações de condensadores, bobinas e transformadores;
• explicar rectificação, filtragem, regulação e arranque de fontes de alimentação;
• distinguir díodos, varicaps, Zener, LED, Schottky, MOSFET e transístores bipolares;
• reconhecer as classes A, B, AB e C e os compromissos entre linearidade e eficiência;
• identificar os blocos de um amplificador operacional e fazer cálculos simples de ganho;
• explicar blindagem, diferença de fase, figuras de Lissajous e ruído térmico;
• escolher a explicação correcta quando uma pergunta do banco usa uma figura ou um circuito.

Tabela transversal de componentes

Esta tabela serve para comparar rapidamente a função ideal com o limite que deve ser procurado numa folha de dados. A unidade indicada é a grandeza mais útil para a primeira leitura; o componente real pode exigir várias outras.

O quadro é uma ferramenta de escolha, não uma folha de dados. Se um cálculo der uma tensão, corrente ou potência fora do limite do componente, o resultado ideal deve ser rejeitado ou revisto antes de montar o circuito.

1. As leis de Kirchhoff

Um nó é um ponto onde se ligam dois ou mais ramos. A lei dos nós, também chamada lei das correntes, diz que a soma algébrica das correntes num nó é zero:

Legenda: \(I₁\), \(I₂\), …: correntes que entram no nó (A); \(I_{\mathrm{saída}}\): corrente que sai do nó (A); \(…\): restantes contribuições de entrada. Os sentidos definem os sinais na equação.

Se entram \(2 A\) e \(0,5 A\) num nó e sai uma corrente I, então \(I = 2,5 A\). Não é uma propriedade especial de corrente contínua: aplica-se desde que os sentidos e sinais tenham sido definidos.

Uma malha é um caminho fechado. A lei das malhas, também chamada lei das tensões, diz que a soma algébrica das variações de tensão ao longo da malha é zero. Numa fonte de \(12 V\) e numa resistência onde caem \(7 V\), a queda restante é \(5 V\), se não existirem outros elementos no caminho.

As leis de Kirchhoff não são três leis diferentes. A referência habitual é:

1. lei dos nós ou das correntes;
2. lei das malhas ou das tensões.

Em paralelo, a tensão é a mesma em cada ramo e a corrente total é a soma das correntes dos ramos. Em série, a corrente é a mesma nos elementos e as tensões somam-se.

Aplicações e condições a reter

As duas leis de Kirchhoff são a lei dos nós (ou das correntes) e a lei das malhas (ou das tensões). Num nó, a soma algébrica das correntes é zero: a corrente que entra é igual à que sai. Numa malha fechada, a soma algébrica das subidas e quedas de tensão é zero. Escolher um sentido e manter os sinais evita somar apenas os módulos.

A lei dos nós conserva a carga: a corrente total que chega à divisão do circuito é igual à soma das correntes nas ramificações. Em paralelo soma-se corrente, enquanto a tensão entre os mesmos dois nós é comum aos ramos.

2. Blindagem, fase e ruído

O efeito pelicular concentra progressivamente a corrente alternada junto da superfície de um condutor quando a frequência aumenta. A secção efectiva disponível diminui e a resistência em RF pode ser maior do que a resistência em corrente contínua; material, frequência e geometria condicionam o efeito.

Uma gaiola de Faraday é uma envolvente condutora que reduz a entrada ou a saída de campos eléctricos e de ondas electromagnéticas. Uma malha contínua, boas ligações e ausência de aberturas grandes ajudam; um cabo que atravessa a caixa pode voltar a transportar o problema. O coaxial costuma blindar melhor do que uma linha aberta porque o condutor exterior fornece um caminho de retorno e confina melhor o campo, embora a blindagem real tenha perdas e limites.

Para campo eléctrico, uma definição didáctica da efectividade de blindagem é:

Legenda: \(S_{\mathrm{E}}\): eficácia de blindagem para campo eléctrico (dB); \(E_{\mathrm{i}}\): campo eléctrico incidente (V/m); \(E_{\mathrm{t}}\): campo eléctrico transmitido através da blindagem (V/m); \(\log_{10}\): logaritmo de base 10.

e para campo magnético:

Legenda: \(S_{\mathrm{H}}\): eficácia de blindagem para campo magnético (dB); \(H_{\mathrm{i}}\): intensidade do campo magnético incidente (A/m); \(H_{\mathrm{t}}\): intensidade do campo magnético transmitido (A/m); \(\log_{10}\): logaritmo de base 10.

Materiais condutores ajudam a reflectir campos eléctricos; campos magnéticos de baixa frequência podem exigir material de elevada permeabilidade e uma geometria adequada. Não se deve afirmar que “metal bloqueia tudo”: frequência, espessura, juntas e caminho de retorno importam.

A diferença de fase entre dois sinais sinusoidais pode ser medida com osciloscópio, observando o deslocamento temporal, ou com uma figura de Lissajous no modo X-Y. Sinais em fase têm diferença de 0°; sinais em quadratura têm diferença de 90°. Num resistor ideal, tensão e corrente estão em fase; num condensador ideal, a corrente adianta a tensão; numa bobina ideal, a tensão adianta a corrente.

O ruído térmico pode ser aproximado por:

Legenda: \(P_{\mathrm{n}}\): potência de ruído térmico disponível (W); \(k\): constante de Boltzmann, \(1,380649 \times 10⁻²³ J/K\); \(T\): temperatura absoluta (K); \(B\): largura de banda de ruído (Hz).

onde k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta e B é a largura de banda. Reduzir a largura de banda ou a temperatura reduz o ruído ideal integrado, mas pode limitar a informação ou não resolver interferência externa.

Esta expressão descreve a contribuição térmica de uma resistência efectiva. Um componente puramente reactivo ideal armazena e devolve energia, mas não dissipa potência média; num componente real existem perdas resistivas, ESR, resistência do fio e caminhos de fuga. Por isso, ao calcular ruído ou aquecimento, identifica a parte resistiva e a impedância de referência em vez de chamar “ruído térmico” a qualquer tensão medida.

Aplicações e condições a reter

Para a blindagem de campo eléctrico na situação de estudo, uma ligação de baixa impedância à referência ou terra permite escoar correntes induzidas e limitar a tensão da blindagem. A impedância da ligação inclui efeitos de frequência e geometria, não apenas resistência DC. Não concluir que qualquer caixa RF só funciona ligada à terra de protecção: a continuidade da envolvente e a referência do circuito também contam.

A eficácia de blindagem de campo mede-se por uma razão de amplitudes: \(S_{\mathrm{E}}=20\log_{10}(E_{\mathrm{i}}/E_{\mathrm{t}})\) ou \(S_{\mathrm{H}}=20\log_{10}(H_{\mathrm{i}}/H_{\mathrm{t}})\). Aqui \(S_{\mathrm{E}}\) e \(S_{\mathrm{H}}\) são atenuações em dB; \(E_{\mathrm{i}}\) e \(E_{\mathrm{t}}\) são os campos eléctricos incidente e transmitido (V/m); \(H_{\mathrm{i}}\) e \(H_{\mathrm{t}}\) são os campos magnéticos incidente e transmitido (A/m). O índice i significa incidente e t transmitido; usar a mesma unidade no numerador e denominador. Uma redução do campo para um décimo corresponde a 20 dB, não 10 dB.

Na blindagem electromagnética existem contribuição por reflexão e contribuição por absorção no material. A importância relativa muda com a frequência, condutividade, permeabilidade, espessura e geometria; uma blindagem eficaz para campo eléctrico pode não ser eficaz para campo magnético de baixa frequência.

Alumínio e aço são materiais usados em blindagens de campo eléctrico por serem condutores. A continuidade das juntas e as aberturas são decisivas. Para campo magnético de baixa frequência, a permeabilidade e o circuito magnético também importam; escolher o material apenas pela condutividade é insuficiente.

Em modo XY, um osciloscópio aplica um sinal à deflexão horizontal e outro à vertical, formando figuras de Lissajous. Com sinusóides da mesma frequência, a forma depende da diferença de fase e das amplitudes e pode ajudar a medir o desfasamento. Frequências diferentes produzem outros padrões; confirmar as escalas e o modo antes de interpretar a figura.

O ruído térmico é aleatório. No modelo de potência disponível, \(P_{\mathrm{n}}=kTB\): \(P_{\mathrm{n}}\) é a potência de ruído (W), \(k\) a constante de Boltzmann \((1,380649 \times 10⁻²³ J/K)\), \(T\) a temperatura efectiva de ruído (K) e \(B\) a largura de banda de ruído (Hz). A potência cresce proporcionalmente com T e B. Limitar B à banda necessária reduz ruído sem cortar a informação útil; filtragem excessiva também degrada o sinal pretendido.

O efeito pelicular concentra a corrente alternada de alta frequência numa região mais próxima da superfície do condutor, reduzindo a secção efectiva e aumentando a resistência AC face à resistência DC. A distribuição depende da frequência, material e geometria; também pode haver efeito de proximidade entre condutores.

Uma gaiola de Faraday é uma envolvente condutora que reduz a penetração de campos eléctricos e de ondas electromagnéticas. No coaxial, o condutor exterior fornece blindagem e retorno, normalmente superiores aos de uma linha aberta. A eficácia depende da continuidade, juntas, aberturas, frequência e terminações; a blindagem real não é perfeita.

A ionosfera pode impedir que certas frequências atravessem para o espaço ao refractá-las de volta à Terra. É selectiva em frequência e depende da ionização e do ângulo; a descrição escolar «blindagem à volta da Terra» não representa uma gaiola metálica nem uma barreira a todas as ondas electromagnéticas.

A eficácia de blindagem magnética compara o campo incidente \(H_{\mathrm{i}}\) com o transmitido \(H_{\mathrm{t}}\). Para amplitudes de campo usa-se \(S = 20\log_{10}(H_{\mathrm{i}}/H_{\mathrm{t}})\), em dB; 10 log10 aplica-se directamente a razões de potência.

O ruído térmico associa-se à dissipação na parte resistiva, real, da impedância. No modelo ideal, uma reactância pura não gera ruído térmico por dissipação. A temperatura e a largura de banda condicionam o ruído observado.

Dois sinais sinusoidais estão em oposição de fase quando o desfasamento entre eles é de 180°. Em quadratura, o desfasamento é de 90°; são condições diferentes.

Blindagem de cabo e envolvente fechada

A ligação de uma blindagem de cabo à referência do circuito por baixa impedância reduz o acoplamento de interferência eléctrica. Esta regra de instalação não significa que toda a blindagem exija ligação à terra física: uma envolvente condutora fechada pode proteger o seu interior de um campo eléctrico externo mesmo isolada da terra. É necessário distinguir referência de sinal, chassis e terra de protecção; a função de blindagem não autoriza retirar uma ligação de segurança.

A pergunta cat1-7 usa «só é eficiente» como regra geral. A resposta histórica deve ser lida no contexto de blindagem de cabos, com esta ressalva. Fontes de apoio: Dataforth — blindagem de cabos e Universidade de Iowa — demonstração da gaiola de Faraday.

3. Reactância, impedância e fase

Resistência é a oposição dissipativa à corrente. Reactância é a oposição associada a armazenamento e devolução de energia em campos eléctricos ou magnéticos. A unidade de ambas é o ohm (\(Ω\)), mas não representam exactamente o mesmo fenómeno.

Para um condensador ideal:

Legenda: \(X_{\mathrm{C}}\): reactância capacitiva (Ω); \(f\): frequência (Hz); \(C\): capacidade (F); \(π\): constante pi (aproximadamente 3,1416).

Ao aumentar a frequência ou a capacidade, a reactância capacitiva diminui. Num condensador ideal, a corrente está adiantada relativamente à tensão em 90°.

Num condensador plano, uma aproximação é \(C = \varepsilon A/d\): aumentar a área A ou a permitividade ε aumenta a capacidade; aumentar a distância d diminui-a. Em RF, ESR, ESL e capacidade parasita fazem com que o componente deixe de ser ideal.

Legenda: \(C\): capacidade do condensador (F); \(ε\): permitividade absoluta do dieléctrico (F/m); \(A\): área de sobreposição das placas (m²); \(d\): separação entre placas (m). Aqui \(A\) representa área, distinta do símbolo da unidade ampere.

Um modelo simples de um condensador real combina um condensador ideal com uma resistência série equivalente e uma indutância parasita. A capacidade entre espiras de uma bobina manifesta-se mais a frequências altas e pode criar uma auto-ressonância; acima dela, o componente deixa de se comportar como uma bobina ideal.

Para uma bobina ideal:

Legenda: \(X_{\mathrm{L}}\): reactância indutiva (Ω); \(f\): frequência (Hz); \(L\): auto-indução (H); \(π\): constante pi (aproximadamente 3,1416).

Ao aumentar a frequência ou a indutância, a reactância indutiva aumenta. Numa bobina ideal, a tensão está adiantada relativamente à corrente em 90°. Dois sinais com diferença de fase de 90° estão em quadratura.

“Quadratura” descreve uma diferença de fase de 90°, não apenas um componente indutivo. Pode surgir entre tensão e corrente numa bobina ideal (a tensão adianta) ou num condensador ideal (a corrente adianta), e também entre dois sinais medidos. A frase “circuito em quadratura” precisa de dizer quais são as grandezas e qual a referência.

A impedância combina a parte resistiva e a parte reactiva. Numa ressonância ideal, \(X_{\mathrm{L}}\) e \(X_{\mathrm{C}}\) têm o mesmo módulo e sinais opostos; a parte reactiva anula-se. Isso não significa que todas as perdas desapareçam.

Exemplo

Para \(f = 1 MHz = 10⁶ Hz\) e \(C = 100 pF\):

Legenda: \(X_{\mathrm{C}}\): reactância capacitiva (Ω); \(f\): frequência (Hz); \(C\): capacidade (F); \(π\): constante pi (aproximadamente 3,1416).

O resultado é uma reactância, não uma resistência de aquecimento. Em circuitos reais, ESR, ESL e capacidades parasitas alteram o comportamento.

Aplicações e condições a reter

Num elemento puramente reactivo ideal, tensão e corrente estão em quadratura, separadas por 90°. Num condensador a corrente adianta a tensão; numa bobina a corrente atrasa-se. Num resistor ideal estão em fase; o comportamento real inclui perdas e parasitas.

A reactância capacitiva é \(X_{\mathrm C} = \frac{1}{2\pi f C}\). Mantendo C, aumentar a frequência diminui \(X_{\mathrm{C}}\); mantendo a frequência, diminuir C aumenta \(X_{\mathrm{C}}\). A relação aplica-se ao modelo de condensador ideal.

A reactância indutiva é \(X_{\mathrm L} = 2\pi f L\), a oposição reactiva de uma bobina ideal à corrente alternada. Mantendo L, aumentar a frequência aumenta \(X_{\mathrm{L}}\); não é a resistência do fio nem uma dissipação média de energia no indutor ideal.

Condensadores em paralelo somam capacidades: \(C_{\mathrm{eq}} = 5000 + 5000 + 750 = 10 750 pF\). Não se aplica a soma dos inversos, que corresponde à associação em série.

Para dois condensadores ideais em série, a capacidade equivalente é o produto dividido pela soma: \(20 \times 50/(20 + 50) µF\), aproximadamente 14,3 µF. Os parênteses no denominador são essenciais; a capacidade equivalente fica menor que a menor das duas capacidades.

Em série, \(1/C_{\mathrm{eq}} = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃\). Para três capacidades iguais de 100 µF, \(C_{\mathrm{eq}} = 100/3 ≈ 33,3 µF\); a capacidade equivalente fica menor do que cada uma delas.

Componentes reais incluem efeitos parasitas. Um condensador pode ser modelado por C ideal, resistência série equivalente e indutância parasita. Uma resistência bobinada também pode apresentar indutância, capaz de deslocar a ressonância de um circuito RF.

A frequência de ressonância série ideal é \(f_{\mathrm{0}}=1/(2\pi\sqrt{LC})\), com f0 em Hz, L em H, C em F e π a constante pi. Convertendo 0,05 mH para \(5 \times 10⁻⁵ H\) e 40 pF para \(4 \times 10⁻¹¹ F\), obtêm-se aproximadamente 3,56 MHz. A resistência de 22 Ω determina perdas e Q, mas não entra nesta aproximação da frequência. O valor 22,36 MHz resulta de omitir o factor 2π e não é a resposta correcta.

No RLC paralelo ideal, \(f_{\mathrm{0}}=1/(2\pi\sqrt{LC})\), com f0 frequência em Hz, L indutância em H, C capacidade em F e π a constante pi. Para L de \(0,025 mH (2,5 \times 10⁻⁵ H)\) e C de 10 pF (10⁻¹¹ F), obtêm-se cerca de 10,07 MHz. A resistência de 47 Ω condiciona perdas e selectividade, não a frequência ideal calculada apenas de L e C.

Na ressonância de um RLC série ideal, as reactâncias da bobina e do condensador têm módulos iguais e sinais contrários. A impedância de entrada fica igual à resistência série do circuito e tensão e corrente de alimentação ficam em fase. Não confundir este mínimo de impedância série com o máximo típico de um circuito ressonante paralelo.

Para obter uma impedância puramente resistiva, compensa-se a sua componente reactiva com uma reactância de sinal contrário. Um condensador em série pode compensar a reactância indutiva da rede de adaptação gama; compensar reactância não elimina as perdas resistivas.

Na ressonância ideal de um circuito LC, \(X_{\mathrm{L}} = X_{\mathrm{C}}\) e os efeitos reactivos cancelam-se na impedância ou admitância de entrada, conforme a topologia. Num RLC paralelo ideal, a entrada fica aproximadamente resistiva: tensão e corrente da alimentação estão em fase e a impedância corresponde à resistência do ramo resistivo.

Reactância é a componente da oposição à corrente alternada associada à capacidade ou indutância. Mede-se em ohms e corresponde a armazenamento e devolução de energia; a resistência descreve a componente dissipativa.

Uma bobina ideal tem impedância jωL: a tensão adianta-se 90° à corrente, ficando ambas em quadratura. Entre as opções apresentadas, corresponde ao circuito puramente indutivo. Um condensador ideal também produz quadratura, com o sentido oposto, mas não é uma opção desta pergunta.

No modelo de placas paralelas, \(C = \varepsilon A/d\): aumentar a área ou a permissividade aumenta a capacidade; aumentar a distância entre as placas diminui-a. O raciocínio pressupõe a geometria e o dieléctrico indicados.

Em RF, a construção de uma resistência também importa: um corte helicoidal num filme resistivo pode introduzir indutância parasita. Na comparação histórica entre uma resistência de composição de carvão sem espiral e uma de filme metálico com corte helicoidal, pretende-se reduzir essa indutância parasita. A preferência por carvão não é universal: existem resistências de filme metálico concebidas para RF, com parasitas reduzidos. A escolha real exige a resposta em frequência e a folha de dados do componente.

4. Bobinas, Q e acoplamento

Num circuito LC ideal:

Legenda: \(f_{\mathrm{0}}\): frequência de ressonância ideal (Hz); \(L\): auto-indução (H); \(C\): capacidade (F); \(π\): constante pi (aproximadamente 3,1416); \(\sqrt{\phantom{x}}\): raiz quadrada.

O factor de qualidade Q compara a energia armazenada com a energia dissipada por ciclo. Um Q elevado costuma significar uma ressonância mais selectiva. Para um circuito ressonante em que a largura de banda a −3 dB é B:

Legenda: \(Q\): factor de qualidade (sem unidade); \(f_{\mathrm{0}}\): frequência central/de ressonância; \(B\): largura de banda entre os pontos de −3 dB. Usar a mesma unidade de frequência nas duas, por exemplo Hz.

Uma bobina real tem resistência do fio, capacidade entre espiras e perdas no núcleo. A capacidade parasita pode criar uma auto-ressonância; acima dela, o componente deixa de se comportar como uma bobina ideal.

Uma resistência bobinada pode introduzir indutância parasita e deixar de ser uma resistência pura em RF. A permeabilidade do núcleo é uma das propriedades que determina a indutância; um toróide reduz fluxo disperso e acoplamento, mas o núcleo pode saturar.

Os toróides concentram grande parte do campo no núcleo e reduzem o fluxo disperso. Ferrite e ferro pulverizado não são sinónimos: o ferro pulverizado tem normalmente uma folga distribuída e pode oferecer boa estabilidade térmica; a ferrite tem geralmente maior permeabilidade e permite obter a mesma indutância com menos espiras. A permeabilidade, as perdas, a estabilidade térmica e a frequência de trabalho determinam a escolha. Não se escolhe o núcleo apenas pela maior indutância.

Para reduzir a indutância mútua indesejada entre duas bobinas, coloca-se normalmente o eixo de uma perpendicular ao eixo da outra e aumenta-se a distância quando possível. Para aumentar o acoplamento, faz-se o contrário, respeitando isolamento e saturação.

Aplicações e condições a reter

Numa bobina ideal, \(X_{\mathrm{L}}=2\pi fL\): \(X_{\mathrm{L}}\) é a reactância indutiva (Ω), \(f\) a frequência (Hz), \(L\) a indutância (H) e \(\pi\) a constante pi. Aumentar f aumenta a reactância, mantendo L. No modelo série de perdas, \(Q=X_{\mathrm{L}}/R_{\mathrm{s}}\), em que \(Q\) é o factor de qualidade sem unidade e \(R_{\mathrm{s}}\) a resistência parasita (Ω). Para a mesma frequência e indutância, diminuir a resistência aumenta Q; em RF o componente real pode ter auto-ressonância e outras perdas.

No modelo de solenóide longo, \(L\approx\mu N^2A/\ell\): \(L\) é a indutância (H), \(\mu\) a permeabilidade do meio (H/m), \(N\) o número de espiras sem unidade, \(A\) a área da secção (m²) e \(\ell\) o comprimento (m). Mantendo a geometria, aumentar N ou a permeabilidade aumenta L; a dependência aproximada de N é quadrática. Num toróide também contam a permeabilidade e a geometria do núcleo; a fórmula de solenóide não se aplica sem adaptação.

Para três bobinas ideais iguais de 10 mH em paralelo, com acoplamento mútuo desprezável, a indutância equivalente é \(10/3 mH\), aproximadamente 3,33 mH. Em paralelo somam-se os inversos das indutâncias; em série somam-se as indutâncias. O acoplamento entre enrolamentos altera estas regras simples.

Para bobinas ideais em série com acoplamento mútuo desprezável, as indutâncias somam-se: \(L_{\mathrm{eq}} = L₁ + L₂\). Assim, \(20 mH + 50 mH = 70 mH\); se houver acoplamento, o sentido dos enrolamentos e a indutância mútua alteram a soma.

A capacidade parasita entre espiras torna-se relevante em frequências altas e, juntamente com a indutância, cria uma auto-ressonância. Perto ou acima dela, a bobina deixa de se comportar como o indutor ideal previsto pela fórmula \(X_{\mathrm L} = 2\pi f L\).

Um núcleo toroidal de ferrite pode aumentar a indutância, concentrar grande parte do fluxo no núcleo e ser escolhido para a gama de frequências pretendida. Estas vantagens dependem do material e do funcionamento abaixo dos limites de perdas e saturação; por isso as propriedades enumeradas podem ser válidas conjuntamente.

Um núcleo toroidal contém grande parte do fluxo magnético no seu material, reduzindo o campo disperso e o acoplamento com componentes próximos. O confinamento não é perfeito e depende do núcleo e enrolamento; também existem limites de saturação e perdas.

A introdução de um núcleo magnético com maior permeabilidade aumenta a indutância, mantendo a geometria e o número de espiras. A permeabilidade efectiva depende do material, do entreferro, da frequência e da saturação.

5. Transformadores e adaptação de impedâncias

Num transformador ideal, a potência de entrada e a potência de saída são iguais, descontando perdas no modelo real. A relação de tensões acompanha a relação de espiras:

Legenda: \(V_{\mathrm{p}}\) e \(V_{\mathrm{s}}\): tensões eficazes no primário e secundário (V); \(N_{\mathrm{p}}\) e \(N_{\mathrm{s}}\): números de espiras do primário e secundário (sem unidade). \(I_{\mathrm{p}}\) e \(I_{\mathrm{s}}\): correntes eficazes no primário e secundário (A).

Um transformador não funciona como esperado com corrente contínua constante: precisa de fluxo variável. O primário recebe normalmente a fonte e a tensão no secundário aparece por indução mútua.

Para adaptar impedâncias:

Legenda: \(Z_{\mathrm{p}}\) e \(Z_{\mathrm{s}}\): impedâncias vistas no primário e secundário (Ω); \(N_{\mathrm{p}}\) e \(N_{\mathrm{s}}\): números de espiras dos respectivos enrolamentos (sem unidade).

Se a impedância que alimenta o primário for maior do que a impedância pretendida no secundário, a relação de espiras deve ser escolhida a partir desta equação, e não por memorização de “mais espiras” ou “menos espiras”.

Exemplo

Um transformador tem \(N_{\mathrm{p}} = 2250\) espiras, \(N_{\mathrm{s}} = 500\) e \(V_{\mathrm{p}} = 120 V\):

Legenda: \(V_{\mathrm{s}}\): tensão eficaz no secundário (V); \(120 V\): tensão eficaz aplicada ao primário; \(500\) e \(2250\): números de espiras no secundário e primário, respectivamente.

O circuito de step-start limita a corrente inicial e permite que os condensadores de filtragem de uma fonte de alta tensão carreguem gradualmente. Uma resistência de drenagem descarrega a energia armazenada depois de desligar, mas não substitui a verificação com instrumento e o procedimento de segurança.

Um snubber RC colocado sobre um interruptor, enrolamento ou secundário de transformador limita a rapidez e a amplitude de um transitório. Um varístor, TVS ou outro supressor pode cumprir uma função semelhante em outra faixa de energia. A posição, a tensão de trabalho, a corrente de impulso e a dissipação devem ser dimensionadas; um condensador colocado ao acaso não é uma protecção de rede nem substitui isolamento, fusível ou procedimento de descarga.

Aplicações e condições a reter

A corrente alternada do primário cria fluxo magnético variável que liga os dois enrolamentos. Esse acoplamento, chamado indutância mútua, induz tensão no secundário; a transferência não exige uma ligação condutora entre os enrolamentos.

O step-start limita a corrente inicial enquanto os condensadores de filtragem se carregam. Depois da fase de arranque, a limitação pode ser retirada pela configuração prevista; o objectivo é reduzir o pico de corrente, não tornar segura uma fonte de alta tensão.

No transformador ideal, as correntes são inversamente proporcionais às espiras: \(I_{\mathrm{s}}/I_{\mathrm{p}} = N_{\mathrm{p}}/N_{\mathrm{s}}\). Com 100 espiras no primário, 1000 no secundário e \(I_{\mathrm{p}} = 10 A\), \(I_{\mathrm{s}} = 10 \times 100/1000 = 1 A\). A aproximação despreza perdas e corrente magnetizante.

Num transformador ideal, \(V_{\mathrm{s}}/V_{\mathrm{p}}=N_{\mathrm{s}}/N_{\mathrm{p}}\). Para \(V_{\mathrm{p}}=120\,V\), \(N_{\mathrm{p}}=2250\) espiras e \(N_{\mathrm{s}}=500\) espiras, \(V_{\mathrm{s}}=120\times500/2250\approx26,7\,V\). Vp e Vs são tensões alternadas medidas pelo mesmo critério; Np e Ns são os números de espiras do primário e secundário. A tensão é reduzida e a frequência mantém-se.

No transformador ideal do exemplo, a tensão secundária é a tensão primária multiplicada pela razão secundário/primário de espiras. Com 100 V e \(200/1000\), obtêm-se 20 V alternados. Identificar os dois lados e usar o mesmo critério de tensão antes de aplicar a proporção.

Num transformador ideal de adaptação, a razão das impedâncias corresponde ao quadrado da razão de espiras. Para ligar uma saída de 15 Ω a uma entrada de 50 Ω, o secundário precisa de mais espiras do que o primário; a razão secundário/primário é a raiz de \(50/15\), aproximadamente 1,83. Identificar primeiro qual o lado ligado à fonte evita inverter a razão.

Um transformador pode converter a impedância vista pela fonte: \(Z_{\mathrm{p}}/Z_{\mathrm{s}} = (N_{\mathrm{p}}/N_{\mathrm{s}})²\) no modelo ideal. A adaptação procura a transferência de potência apropriada, mantendo separadas adaptação, eficiência e perdas reais.

Ao saturar, o núcleo perde o comportamento aproximadamente linear e a corrente magnetizante pode crescer e deformar-se. Isso produz distorção e harmónicos; a relação ideal de espiras não justifica operar um transformador fora dos seus limites.

Mesmo sem carga no secundário, o primário precisa de corrente para estabelecer o fluxo alternado no núcleo. Essa componente chama-se corrente de magnetização; num transformador real existem também perdas em vazio.

O condensador associado ao secundário pode reduzir sobretensões transitórias e oscilações resultantes das indutâncias parasitas e da comutação. Não substitui a análise de um snubber nem serve, por si só, para regular a tensão de saída.

6. Díodos e semicondutores

• Um díodo conduz principalmente no sentido directo e bloqueia no sentido inverso até aos limites especificados.
• Um varicap usa a capacidade da junção em polarização inversa; a capacidade varia com a tensão e pode ser usada para sintonia.
• Um Zener é usado na região de ruptura controlada para referência ou limitação, dentro da corrente e potência previstas.
• Um LED emite luz quando polarizado directamente dentro dos limites do fabricante.
• Um Schottky tem uma junção metal-semicondutor, pequena carga armazenada e comutação rápida; a aplicação concreta deve confirmar tensão inversa, corrente, capacidade e perdas.
• Um optoacoplador pode combinar um LED com um fototransístor, transmitindo informação por luz e mantendo isolamento galvânico.

LEDs podem formar os segmentos de um display de sete segmentos. Num díodo de germânio, a corrente de fuga é a corrente que passa quando a junção está polarizada inversamente; é uma corrente pequena, mas normalmente maior do que num díodo de silício comparável.

Em rectificadores, as grandezas críticas incluem a tensão de pico inversa e a corrente directa média. Um díodo não deve ser escolhido apenas pela tensão nominal da fonte, porque picos, carga, frequência, dissipação e configuração do rectificador também contam.

Aplicações e condições a reter

Num díodo, há polarização inversa quando o cátodo está a potencial mais positivo do que o ânodo. A junção bloqueia a condução directa, conservando uma corrente de fuga e limites de tensão inversa próprios.

Um LED emite luz quando está em condução directa, com o ânodo positivo relativamente ao cátodo. É necessário limitar a corrente; a polarização inversa não é o regime usado para o iluminar.

A corrente de fuga é a corrente que ainda passa num díodo polarizado inversamente, antes da ruptura. Num díodo de germânio pode ser apreciável e aumenta com a temperatura. Distingue-se da corrente directa e da forte corrente de ruptura; «bloqueio» de um díodo real não significa corrente exactamente nula.

Num caminho em série, as quedas de tensão nos dois díodos em condução directa somam-se. Para dois díodos semelhantes e à mesma corrente, a queda total é aproximadamente o dobro da de um deles; o valor real varia com corrente e temperatura.

Um díodo Zener pode fornecer a referência de tensão de um regulador linear, mantendo tensão aproximadamente constante na região de ruptura inversa. O restante circuito limita a corrente e controla a saída; o Zener não mantém a tensão constante independentemente de qualquer carga, entrada ou temperatura.

Um rectificador deve suportar a tensão de pico inversa durante o bloqueio e a corrente directa média durante a condução. Além desses dois limites pedidos, um projecto real verifica também picos de corrente, dissipação e temperatura.

Um Schottky tem uma junção metal–semicondutor e comutação rápida, com menor armazenamento de carga do que um díodo PN comum. A capacidade e os restantes limites devem ser comparados na ficha técnica do dispositivo; a vantagem não se explica pela corrente de fuga de um díodo de germânio.

Díodos em paralelo podem repartir mal a corrente porque pequenas diferenças de queda directa se ampliam com o aquecimento. Uma resistência em série com cada díodo ajuda a equilibrar as correntes, à custa de queda de tensão e dissipação adicionais.

7. Transístores, MOSFET e lógica

Num transístor bipolar, os terminais são emissor, base e colector. O beta (\(β\)) relaciona, no modelo simples, a corrente de colector com a corrente de base:

Legenda: \(β\): ganho de corrente do transístor (sem unidade); \(I_{\mathrm{C}}\): corrente de colector (A); \(I_{\mathrm{B}}\): corrente de base (A), no mesmo ponto de funcionamento.

Num MOSFET, os terminais são porta, dreno e fonte. A porta fica separada do canal por uma camada isolante fina, o que explica a impedância de entrada elevada e também a sensibilidade a descargas electrostáticas. Alguns dispositivos têm protecção Zener na porta, mas a protecção deve continuar a ser respeitada.

Num amplificador de emissor comum polarizado para funcionamento linear, a tensão de saída no colector está normalmente invertida em relação à entrada. O ganho de tensão pode ser superior a um, mas depende da carga, da polarização e da degeneração no emissor. A impedância de entrada não é universalmente alta: depende do transístor e das resistências do circuito.

Uma montagem em emissor comum fornece ganho de tensão; um seguidor de emissor, ou colector comum, oferece tipicamente alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. CMOS costuma consumir menos potência estática do que TTL, mas nenhuma família é “sempre melhor”: velocidade, níveis lógicos, alimentação e imunidade devem ser compatíveis.

Uma grelha de blindagem num tubo de vácuo reduz a capacidade efectiva e o acoplamento entre a grelha de controlo e a placa, ajudando a melhorar o funcionamento em frequência mais elevada.

Aplicações e condições a reter

A porta de um MOSFET está isolada do canal por uma camada fina sensível a sobretensões. A protecção por Zener limita a tensão porta–fonte para reduzir o risco de perfuração do isolamento, sem dispensar precauções contra descargas electrostáticas.

Para uma junção base–emissor de silício em condução directa, uma leitura típica é cerca de 0,6 a 0,7 V. A interpretação exige conhecer a polaridade, a polarização e o circuito: esse valor isolado não prova que todo o transístor funciona correctamente.

No modelo simples de um BJT, \(β = I_{\mathrm{C}}/I_{\mathrm{B}}\) relaciona a corrente de colector com a corrente de base. É um ganho de corrente dependente do ponto de funcionamento e do dispositivo, não um ganho de tensão fixo.

CMOS significa Complementary Metal-Oxide Semiconductor: usa dispositivos MOS complementares. O nome descreve a tecnologia; o baixo consumo estático típico não significa consumo nulo em comutação.

A entrada de um FET tem normalmente elevada impedância DC, porque a porta controla o canal sem exigir a corrente de base de um BJT. No MOSFET, o isolamento da porta é central para esse comportamento; os dois dispositivos não têm a mesma impedância de entrada.

No emissor comum, o emissor é o ponto comum de referência em AC. A entrada é entre base e emissor e a saída entre colector e emissor; não se trata da cadeia de modulação de um emissor de rádio.

O seguidor de emissor, ou colector comum, apresenta ganho de tensão próximo de um, impedância de entrada elevada e impedância de saída baixa, nas condições usuais. O ganho de corrente pode ser elevado; não é ele que se considera unitário. É útil para isolar uma fonte de sinal da carga, respeitando corrente, polarização e excursão disponíveis.

A grelha de blindagem num tubo de vácuo reduz a capacidade e o acoplamento entre a grelha de controlo e a placa (ânodo). Ajuda a melhorar o comportamento em RF, mas não substitui a grelha de controlo nem elimina todas as capacidades parasitas.

Os terminais de um MOSFET são porta, dreno e fonte. Não são base, colector e emissor, que pertencem ao transístor bipolar.

Entre as opções, o FET é o dispositivo activo apropriado à amplificação RF em UHF ou SHF, desde que escolhido para a frequência e potência. Um varicap controla capacidade; SCR e triac destinam-se sobretudo à comutação e controlo de potência, não a esta amplificação RF.

Num amplificador de emissor comum típico, com polarização e carga adequadas, a saída inverte a fase e pode apresentar ganho de tensão superior a um. A impedância de entrada depende da polarização e do circuito: não é universalmente alta. A opção «todas» descreve o caso didáctico esperado, com estas condições.

Siglas e abreviaturas usadas neste módulo

Cada entrada apresenta a expressão original, a língua e o significado em português neste contexto.

• AC — Alternating Current (inglês): corrente alternada.
• AM — Amplitude Modulation (inglês): modulação de amplitude.
• BJT — Bipolar Junction Transistor (inglês): transístor bipolar de junção.
• CMOS — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (inglês): tecnologia MOS complementar.
• DC — Direct Current (inglês): corrente contínua.
• DIAC — Diode for Alternating Current (inglês): díodo para corrente alternada; dispositivo bidireccional de disparo.
• EMC — Electromagnetic Compatibility (inglês): compatibilidade electromagnética.
• ESL — Equivalent Series Inductance (inglês): indutância série equivalente.
• ESR — Equivalent Series Resistance (inglês): resistência série equivalente.
• FET — Field-Effect Transistor (inglês): transístor de efeito de campo.
• FI — frequência intermédia (português): equivalente à sigla inglesa IF.
• FM — Frequency Modulation (inglês): modulação de frequência.
• IEC — International Electrotechnical Commission (inglês): Comissão Electrotécnica Internacional.
• IN — Input (inglês): entrada; abreviatura usada nos esquemas.
• LED — Light-Emitting Diode (inglês): díodo emissor de luz.
• MOS — Metal-Oxide-Semiconductor (inglês): metal–óxido–semicondutor.
• MOSFET — Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (inglês): transístor de efeito de campo de metal–óxido–semicondutor.
• NIST — National Institute of Standards and Technology (inglês): instituto nacional de normas e tecnologia dos Estados Unidos.
• NPN — n–p–n (convenção de semicondutores): sequência das regiões de tipo n, p e n; não é uma sigla de palavras inglesas.
• OUT — Output (inglês): saída; abreviatura usada nos esquemas.
• PNP — p–n–p (convenção de semicondutores): sequência das regiões de tipo p, n e p; não é uma sigla de palavras inglesas.
• RF — Radio Frequency (inglês): radiofrequência.
• SCR — Silicon-Controlled Rectifier (inglês): rectificador controlado de silício; um tipo de tirístor.
• SHF — Super High Frequency (inglês): frequência superalta.
• SI — Système international d’unités (francês): Sistema Internacional de Unidades.
• SSB — Single Sideband (inglês): banda lateral única.
• TRIAC — Triode for Alternating Current (inglês): tríodo para corrente alternada; interruptor bidireccional controlado.
• TTL — Transistor-Transistor Logic (inglês): lógica transístor–transístor.
• TVS — Transient Voltage Suppressor (inglês): supressor de sobretensões transitórias.
• UHF — Ultra High Frequency (inglês): frequência ultra-alta.

Os códigos Q são grupos convencionais com significados definidos, não iniciais de palavras. As letras de componentes (R, L, C) representam resistência, indutância e capacidade; números como R1 ou C2 identificam componentes.

Referências terminológicas: abreviaturas da ARRL e glossário de electrónica da Analog Devices.

8. Fontes de alimentação e amplificadores

Uma fonte linear regula a tensão dissipando a diferença de tensão no elemento de controlo. É simples e pode ter baixo ruído, mas dissipa mais calor. Uma fonte comutada trabalha a frequência mais elevada e controla o ciclo de trabalho; pode ser mais pequena e eficiente, mas exige filtragem e pode gerar mais ruído electromagnético.

Na fonte clássica:

1. o transformador adapta a tensão e fornece isolamento quando previsto;
2. o rectificador converte a corrente alternada em pulsante;
3. o condensador electrolítico reduz a ondulação;
4. o regulador estabiliza a saída;
5. a resistência de drenagem descarrega energia armazenada.

Um condensador de filtragem não é uma garantia de tensão perfeita. A ondulação depende da corrente, da frequência de rectificação, da capacidade, da resistência série equivalente e da carga.

As classes de amplificação descrevem a fracção do ciclo em que o dispositivo conduz:

Um push-pull pode reduzir harmónicos pares, mas a zona morta pode criar distorção de cruzamento. Um amplificador sintonizado selecciona uma banda estreita e não deve ser avaliado como um amplificador áudio de banda larga.

Aplicações e condições a reter

O ciclo de trabalho (duty cycle) é a fracção do tempo em que o emissor está activo. Modos de dados com emissão prolongada podem aquecer o andar final mais do que fonia intermitente à mesma potência de pico. Conhecer esse ciclo permite respeitar os limites contínuos e térmicos do equipamento, reduzindo o risco de dano; não garante segurança para uma carga ou ventilação inadequadas.

Uma fonte comutada pode usar magnetismos menores porque funciona a frequência superior à da rede. Pode também ter boa eficiência por operar os dispositivos principalmente em corte e condução, mas frequência elevada, por si só, não garante eficiência. Isolamento, perdas de comutação, filtragem e temperatura continuam a limitar o projecto.

Um regulador linear varia a condução do elemento de passagem para manter a tensão de saída aproximadamente constante perante alterações de entrada e carga. Precisa de margem de tensão e dissipa a diferença como calor; regulação não significa energia adicional nem tensão constante fora dos limites de corrente, temperatura ou entrada.

A comutação rápida de tensão e corrente pode gerar ruído electromagnético e produtos de alta frequência. Uma fonte comutada exige filtragem e controlo de EMC; a comparação com uma fonte linear não se reduz à dissipação de calor.

A resistência de drenagem fornece um caminho de descarga aos condensadores depois de retirar a alimentação. A descarga leva tempo e pode falhar se um componente estiver avariado; não se deve presumir ausência de tensão sem a verificação prevista.

Condensadores electrolíticos oferecem capacidades elevadas, úteis para reduzir a ondulação depois da rectificação. A escolha deve respeitar polaridade, tensão, corrente de ondulação e temperatura; não se trata apenas do modelo parasita do componente.

Na classe A, o dispositivo activo conduz durante todo o período (360°); na classe B, durante meio período (180°). Na classe C conduz por menos de meio período e pode atingir elevada eficiência com carga sintonizada, mas é não linear. Não usar classe C para amplificar directamente uma envolvente variável que precise de ser preservada.

Os amplificadores de classe C são conhecidos por sua elevada eficiência, pois conduzem apenas durante uma parte pequena do ciclo de sinal de entrada. No entanto, isso geralmente resulta em operação não linear e necessidade de circuitos de sintonização.

Em um amplificador de classe AB, os transistores conduzem por mais de meio período (180 graus), mas menos do que todo o período. Isso visa a combinar eficiência (comparável à classe B) com menor distorção de cruzamento (crossover distortion) comum em amplificadores de classe B.

Em um amplificador de classe A, os transistores conduzem durante todo o período do sinal de entrada. Isso resulta em alta qualidade de amplificação, mas com baixa eficiência, pois os transistores estão sempre ativos, mesmo quando não há sinal.

Os amplificadores de classe B, também conhecidos como amplificadores "push-pull," possuem uma zona morta no ponto onde a condução alternada dos transistores de saída ocorre, o que pode causar distorção de cruzamento (crossover distortion) quando o sinal muda de polaridade.

O andar final de um emissor de frequência modulada em classe C é dividido, de forma simplificada, em três partes: uma malha de adaptação de entrada, os transístores de amplificação e uma malha de adaptação de saída. A malha de adaptação de entrada ajuda a casar a impedância do estágio anterior com a impedância do amplificador, os transístores de amplificação amplificam o sinal modulado e a malha de adaptação de saída ajuda a casar a impedância do amplificador com a carga de saída.

A classe A favorece baixa distorção quando polarizada e usada dentro da excursão linear, mas tem baixa eficiência. A classe C pode ter elevada eficiência com carga sintonizada, à custa de condução por menos de meio período e forte conteúdo harmónico. A filtragem selecciona a fundamental; não recupera uma envolvente variável que tenha sido deformada por amplificação não linear.

Numa montagem push-pull simétrica, as contribuições pares dos dois ramos podem cancelar-se, reduzindo as harmónicas pares. Desequilíbrio entre dispositivos, polarização ou transformador deixa resíduos; o cancelamento não dispensa a filtragem de saída.

Na classe AB, cada dispositivo conduz durante mais de metade do período e menos de um período completo: o ângulo de condução fica entre 180° e 360°. A pequena sobreposição reduz a distorção de cruzamento da classe B.

Regulação linear e controlo por impulsos

Num regulador comutado controlado por PWM, o elemento de potência alterna entre condução e corte. A realimentação ajusta o ciclo de trabalho, isto é, a fracção do período em condução, para estabilizar a tensão média após filtragem. Num regulador linear, varia-se continuamente a condução do elemento de passagem, dissipando nele parte da energia. As perguntas 97 e 375 tratam destes dois mecanismos diferentes.

A frequência elevada permite reduzir elementos magnéticos e de filtragem; a eficiência resulta sobretudo das perdas reduzidas nos estados de comutação, e não da frequência elevada por si só. Fonte técnica: Analog Devices — funcionamento dos reguladores.

9. Amplificador operacional e detectores

Um amplificador operacional idealizado é um amplificador diferencial de ganho elevado. A impedância de entrada é muito alta e a de saída é muito baixa. O ganho real varia com a frequência e fica limitado pela largura de banda e pela compensação interna.

Filtros activos com amplificadores operacionais podem evitar bobinas, oferecer ganho e permitir valores práticos em áudio; exigem alimentação, largura de banda, estabilidade e margem de saída. Num modelo de ganho aberto, o ganho do amplificador operacional diminui quando a frequência aumenta.

Em uma montagem inversora simples, o módulo do ganho é aproximadamente:

Legenda: \(|A_{\mathrm{v|}}\): módulo do ganho de tensão (sem unidade); \(R_{\mathrm{f}}\): resistência de realimentação (Ω); \(R_{\mathrm{1}}\): resistência de entrada (Ω). O ganho com sinal da montagem inversora é negativo.

Se \(R_{\mathrm{1}} = 1,8 kΩ\) e \(R_{\mathrm{f}} = 68 kΩ\), \(|A_{\mathrm{v}}| ≈ 37,8\), normalmente arredondado para 38. A topologia e os sinais da figura devem ser confirmados antes de escolher a fórmula.

Um detector de envolvente recupera a envolvente de AM. Um detector de produto é mais adequado a sinais como SSB e pode ter melhor comportamento com sobremodulação e relação sinal/ruído. Um discriminador ou detector de FM converte variação de frequência em tensão ou áudio; um detector de envolvente não é o detector correcto para FM.

Uma rede de de-ênfase no receptor compensa a pré-ênfase usada no emissor de FM. Sem as duas partes coordenadas, a resposta de áudio fica desequilibrada.

Aplicações e condições a reter

O enunciado pede o modelo teoricamente ideal, em que o ganho não depende da frequência. No dispositivo real, o ganho diminui com a frequência e é limitado pela largura de banda e compensação; não se deve usar esse limite real para responder ao modelo ideal.

Um amplificador operacional é um amplificador diferencial de ganho aberto elevado, normalmente directamente acoplado. No modelo ideal, a impedância de entrada é muito alta e a de saída muito baixa. Com realimentação adequada, os componentes externos determinam o ganho fechado; no dispositivo real, alimentação, largura de banda e estabilidade limitam essa aproximação.

Um detetor de produto é mais eficaz em sinais sobre-modulados e possui uma melhor relação sinal/ruído do que um detetor de envolvente. Além disso, o detetor de produto é mais simples e possui menos componentes discretos em comparação com o detetor de envolvente.

A detecção de FM requer um discriminador, detector de razão, detector de quadratura ou outra estrutura que converta a variação de frequência em áudio. Um detector de envolvente isolado recupera amplitude e não é o detector apropriado para FM ideal. Um inversor de fase e um detector de produto, isoladamente, também não desempenham essa função; daí a opção «todas erradas» na comparação apresentada.

A detecção de envolvente AM combina rectificação e filtragem do sinal RF. A rede deve retirar a oscilação rápida da portadora e conservar as variações mais lentas da envolvente que transportam o áudio. É desmodulação, não uma conversão de frequência pelo oscilador local.

A de-ênfase compensa a pré-ênfase e restabelece a resposta relativa das frequências de áudio. Há uma imprecisão no enunciado: normalmente a pré-ênfase é aplicada no emissor e a de-ênfase no receptor. A opção histórica aponta à função de compensação, sem tornar correcta a localização descrita.

A detecção, ou desmodulação, recupera a informação transportada por um sinal RF modulado. O detector adequado depende do modo: pode recuperar a envolvente em AM, a variação de frequência em FM ou usar uma referência local para SSB. Não é modulação da portadora nem mera mistura de ruído com o sinal.

10. Como ler os circuitos que se repetem no banco

As figuras não devem ser resolvidas apenas pelo aspecto visual. Primeiro identificam-se alimentação, massa, entrada, saída, componente activo e caminho de realimentação; depois aplica-se a função do bloco.

• Amplificador operacional inversor: se a entrada não inversora está à massa e existe \(R_{\mathrm{1}}\) na entrada e \(R_{\mathrm{F}}\) na realimentação, então \(V_{\mathrm{out}} ≈ −V_{\mathrm{in}} \times R_{\mathrm{F}}/R_{\mathrm{1}}\). Para \(R_{\mathrm{1}} = 1 kΩ\), \(R_{\mathrm{F}} = 10 kΩ\) e \(V_{\mathrm{in}} = 0,23 V\), o módulo da saída ideal é \(2,3 V\). Legenda: \(V_{\mathrm{out}}\): tensão de saída (V); \(V_{\mathrm{in}}\): tensão de entrada (V); \(R_{\mathrm{F}}\): resistência de realimentação (Ω); \(R_{\mathrm{1}}\): resistência de entrada (Ω); o sinal negativo indica inversão de fase na montagem ideal.
• Amplificador de emissor comum: R1 e R2 formam a polarização da base; R3 é a carga do colector; R4 estabiliza a corrente do emissor; C1 e C2 fazem acoplamento e C3 pode fazer bypass de emissor em AC. A leitura exacta depende da ligação desenhada.
• Regulador série: um transistor de passagem reduz a tensão de entrada para a saída; um Zener e resistências estabelecem uma referência. C1 filtra a entrada, C3 ajuda a filtrar a saída e R2 representa a carga. O transistor Q1 não é apenas “um amplificador”: trabalha como elemento de controlo em série.
• Detector de envolvente: um díodo rectifica a envolvente e R1/C1 seguem a variação lenta. É adequado, em princípio, à AM e não à FM.
• Limitador com amplificador operacional: díodos em sentidos opostos na realimentação limitam a amplitude positiva e negativa. A resistência de realimentação sem os díodos define o ganho numa região; quando um díodo conduz, o ganho efectivo muda.
• Díodos em paralelo: componentes reais não partilham corrente exactamente por causa das diferenças de queda directa e temperatura. Resistências série individuais ajudam a uniformizar a corrente e a impedir que um díodo conduza quase tudo; confirma sempre a dissipação e a margem térmica.
• Leitura de antena: num diagrama polar, o lóbulo principal a 0° é a frente. A relação frente/costas compara o nível na direcção principal com o nível a 180°; lê-se na escala do desenho, não se adivinha pelo tamanho do papel. Uma antena isotrópica continua a ser apenas referência teórica.
• Símbolo de LED: é o símbolo de díodo com duas setas a sair, indicando luz emitida. A barra do símbolo base identifica o cátodo; a legenda da figura deve ser lida antes de escolher uma opção.

Num condensador plano ideal, \(C = \varepsilon A/d\): a capacidade aumenta com a área e a permitividade e diminui quando as placas ficam mais afastadas. Em RF, a indutância dos terminais, ESR, dieléctrico e geometria tornam a aproximação imperfeita; a tensão nominal e a frequência de trabalho continuam a ser critérios de selecção.

Legenda: \(C\): capacidade (F); \(ε\): permitividade absoluta do dieléctrico (F/m); \(A\): área de sobreposição das placas (m²); \(d\): separação entre placas (m).

Para o circuito inversor com \(R_{\mathrm{1}} = 3,3 kΩ\) e \(R_{\mathrm{F}} = 47 kΩ\), o ganho absoluto ideal é \(47/3,3 ≈ 14,2\). A resposta real fica limitada pela alimentação, saturação, largura de banda e modelo do amplificador operacional.

Na figura original da pergunta cat1-67, a saída com sinal é −2,3 V, pois a entrada chega ao terminal inversor; \(2,3 V\) é apenas o módulo da tensão. Nas perguntas cat1-99 e cat1-100, a figura mostra Q1 em série como elemento regulador, C1 à entrada e C3 à saída. Confirmar a posição evita trocar a função dos dois condensadores.

Aplicações e condições a reter

A entrada chega ao terminal inversor de U1 e o terminal não inversor está à massa. No modelo ideal com realimentação negativa, \(V_{\mathrm{out}} = −V_{\mathrm{in}} \times R_{\mathrm{2}}/R_{\mathrm{1}} = −0,23 \times 10000/1000 = −2,3 V\). A opção histórica +2,3 V omite a inversão do sinal. Figura original: pergunta 67.

Q1 está em série entre a entrada de +25 V e a saída de +12 V. É o transístor de passagem, elemento regulador ou de controlo; R1 e D1 estabelecem a referência de base. Entre as opções, a descrição directa do papel de Q1 é a opção 3. Figura original: pergunta 99.

C1 está ligado entre a linha de entrada de +25 V e a massa, antes de Q1: filtra a tensão de alimentação. O condensador ligado à saída de +12 V é C3. A opção histórica que atribui a C1 a filtragem da saída não corresponde à figura. Figura original: pergunta 100.

No regulador original da pergunta 101, C3 está entre a saída de +12 V e a massa: fornece desacoplamento de alta frequência na saída e ajuda a impedir oscilação própria. C1, na entrada de +25 V, é outro condensador com outra posição. A função depende da ligação desenhada, não apenas da letra C. Figura original: pergunta 101.

No regulador da figura original, R2 fornece uma carga mínima à saída e ao transístor Q1, ajudando a manter o funcionamento previsto mesmo sem a carga externa principal. Não é a resistência que define por si só a referência de tensão nem um curto-circuito da saída. Figura original: pergunta 102.

No esquema original, o amplificador operacional e os díodos D1 e D2 limitam a excursão do sinal, formando um limitador. As resistências e a polaridade dos díodos definem os caminhos e níveis de actuação. O resultado é recorte ou limitação de amplitude, distinto de amplificação linear sem saturação. Figura original: pergunta 154.

Na figura original de símbolos das perguntas 355 e 356, o LED é o símbolo 5: um díodo com duas setas a sair, indicando luz emitida. A barra do díodo identifica o cátodo. A numeração pertence à figura; num fotodíodo as setas apontam para o componente. Figura original: pergunta 355.

Para o amplificador inversor da figura, o módulo do ganho ideal é \(R₂/R₁\). Com \(R₁ = 1800 Ω\) e \(R₂ = 68 000 Ω\), \(|A_{\mathrm{v}}| = 68 000/1800 ≈ 37,8\), ou aproximadamente 38; o sinal do ganho é negativo, mas o enunciado pede o valor absoluto. Figura original: pergunta 364.

No regulador série da figura da pergunta 17 do exame de 15.10.2026, C2 está em paralelo com o díodo Zener D1. Desacopla a referência, reduzindo as componentes de ruído de D1 que chegariam à base de Q1 e à saída. Não aumenta a tensão contínua do Zener nem fornece, por si só, a polarização DC do transistor. As designações C1, C2 e C3 só têm significado depois de conferir as ligações da figura.

Regulador série: esquema e função dos componentes

Como funciona: R1 e D1 estabelecem a referência da base; Q1 fornece à carga uma tensão inferior a essa referência e suporta a diferença entre entrada e saída. C1 actua na entrada, C2 na referência e C3 na saída. É um regulador linear: não há comutação neste esquema.

A figura não fornece valores de resistências, capacidades ou tensão nominal de D1. Por isso, +12 V à saída não significa que D1 seja um Zener de 12 V: é necessário contar com a queda base–emissor. A explicação identifica as funções; não dimensiona os componentes nem garante regulação ou estabilidade para qualquer carga.

A leitura das ligações é a da figura original. Como apoio ao princípio do Zener com seguidor de emissor e à filtragem do ruído da referência, consultar Analog Devices — Zener Diode Regulator e Analog Devices — AN-581. As designações dessas fontes pertencem aos respectivos circuitos.

Amplificadores operacionais inversores: figuras 1 e q35

O que são e para que servem: amplificadores de tensão com realimentação negativa. Escalam o sinal e invertem a sua polaridade; usam-se, por exemplo, no condicionamento de sinais e em estágios de áudio. A alimentação do amplificador operacional não está desenhada, mas é necessária.

Como ler: a saída varia com sinal oposto ao da entrada. O modelo de ganho ideal só se aplica enquanto o operacional trabalhar em regime linear; a saída não pode ultrapassar os limites impostos pela alimentação real.

Amplificadores de emissor comum: figuras 3 e 7

O que são e para que servem: estágios com um transístor bipolar que amplificam pequenas variações de tensão. A saída é recolhida no colector e, na banda de funcionamento, fica invertida relativamente à entrada. A rede de polarização mantém o ponto de funcionamento contínuo; os condensadores separam esse ponto do sinal alternado.

Atenção à numeração: R3 é a resistência de colector na figura 3, mas a resistência de emissor na figura 7. Identifica primeiro a ligação; não transportes a função de uma letra de um esquema para outro.

Detector de envolvente: figura 4

O que é e para que serve: detector simples de AM. Rectifica o sinal RF e acompanha as variações lentas da sua amplitude para recuperar a envolvente, que pode transportar áudio. Não é um detector de FM nem um detector de produto para SSB.

Como ler: a descarga deve ser suficientemente lenta para não seguir cada ciclo RF, mas suficientemente rápida para acompanhar o áudio. Uma filtragem excessiva distorce a envolvente; filtragem insuficiente deixa ondulação da portadora. A queda do díodo também limita sinais muito pequenos.

Limitador com operacional e díodos: figura 5

O que é e para que serve: amplificador inversor com limitação não linear. Pode reduzir a excursão de amplitude de um sinal. A limitação é feita pelos díodos na realimentação; não é apenas saturação do operacional nos trilhos de alimentação nem um regulador de tensão contínua.

Como ler: pequenos sinais seguem o ganho inversor; para amplitudes maiores um díodo actua em cada polaridade. O nível de limitação depende da característica e da corrente dos díodos e do operacional, não de um valor universal exacto de tensão.

Regulador série: variantes da pergunta 101 e do exame recebido

As duas figuras seguintes pertencem à mesma família do regulador já legendado acima: Q1 é o elemento de passagem, D1 a referência, R1 a polarização, R2 a carga mínima, C1 filtra a entrada, C2 filtra a referência e C3 desacopla a saída. Servem para reduzir e estabilizar uma tensão contínua, dissipando a diferença no transístor.

Consultar a cópia do exame recebida, página 5.

O que distinguir: em cat1-101 procura-se C3, ligado à saída; no exame recebido pergunta-se por C2, ligado à referência Zener. Não atribuir unidades ou valores nominais ausentes da figura nem confundir uma versão rasterizada do mesmo circuito com outra função eléctrica.

Símbolos de semicondutores: figura q25

O que é e para que serve: prancha de identificação de componentes, não um circuito com os oito símbolos ligados entre si. As perguntas cat1-355 e cat1-356 pedem o LED, símbolo 5. A numeração é própria desta imagem e não corresponde a números de terminais.

A figura é de baixa resolução: a identificação usa o conjunto do símbolo, não a semelhança entre triângulos. Não se deduzem pinagens físicas, tensões ou correntes nominais desta prancha.

Apoio técnico à leitura destes esquemas

As ligações e referências acima pertencem às figuras originais. Para os princípios de funcionamento, consultar Texas Instruments — amplificador inversor, Analog Devices — estágios com um transístor, Analog Devices — aplicações de díodos, Analog Devices — detector de envolvente, American Microsemiconductor — tutoriais de semicondutores e STMicroelectronics — parâmetros de SCR, TRIAC e DIAC. São fontes de apoio técnico, não gabaritos oficiais destas perguntas.

Diagnóstico guiado: o resultado do circuito é impossível

Situação: o cálculo produz uma tensão ou corrente maior que a alimentação, ou um componente aquece mais do que o esperado.

1. identifica alimentação, massa, entrada, saída, nó e malha antes de escolher uma fórmula;
2. verifica unidades, polaridade, série/paralelo, impedância e fase;
3. compara o resultado com a alimentação, dissipação, largura de banda e limites da folha de dados;
4. separa erro de modelo ideal, ligação incorrecta, componente inadequado e condição real de funcionamento.

Conclusão: uma fórmula correcta aplicada ao circuito errado continua a produzir uma conclusão errada. O esquema e os limites fazem parte da solução.

Exercícios

Tenta responder antes de abrir a resposta.

12. Erros frequentes

• chamar à lei dos nós uma terceira lei de Kirchhoff;
• somar resistências quando os componentes estão em paralelo ou somar capacidades quando estão em série;
• usar a relação de tensão de um transformador para calcular corrente sem inverter a relação de espiras;
• tratar um varicap como um díodo rectificador comum;
• assumir que uma porta MOSFET pode ser tocada sem protecção electrostática;
• confundir potência dissipada com potência RF útil;
• afirmar que um detector de envolvente demodula FM;
• assumir que uma blindagem metálica bloqueia igualmente campos eléctricos e magnéticos em todas as frequências;
• confundir diferença de fase com diferença de frequência;
• usar a figura de Lissajous como se fosse um esquema eléctrico;
• reduzir a largura de banda e afirmar que desaparece qualquer interferência;
• copiar o gabarito histórico sem verificar se a opção exprime a definição completa.

Resumo e glossário

• Kirchhoff organiza correntes em nós e tensões em malhas.
• Resistência, reactância e impedância descrevem efeitos diferentes, sobretudo em corrente alternada.
• Fontes, amplificadores, díodos e transístores têm limites reais de tensão, corrente, frequência e dissipação.
• Ganho, fase, filtragem e detecção devem ser ligados ao bloco correcto.
• A folha de dados e a segurança prevalecem sobre o modelo didáctico.

Fontes e versão

• Banco Cat. 1 da fonte histórica — perguntas históricas usadas para a matriz de cobertura, sem copiar enunciados para exercícios próprios;
• Programa de exame — Anexo 1 — circuitos, componentes, fontes, amplificadores, osciladores e medições;
• NIST — SI Units — unidades e prefixos;
• OpenStax — circuitos de corrente alternada — reactância, fase, ressonância e potência;
• OpenStax — dispositivos semicondutores — díodos e transístores;
• IEC 60617 — Graphical Symbols for Diagrams — referência internacional para símbolos electrotécnicos, incluindo díodo geral, varicap e díodo de ruptura;
• Nexperia — Diode Application Handbook — funcionamento e símbolos usuais do díodo Zener;
• Analog Devices — amplificadores operacionais — modelo e limitações de amplificadores operacionais;
• Texas Instruments — fundamentals of MOSFETs — porta isolada, comutação e limites de MOSFET.
• NI — Lissajous patterns — leitura de fase em modo X-Y.
• NIST — Boltzmann constant — valor e unidade da constante de Boltzmann.

Estado: explicação didáctica avançada. Verificado em: 2026-08-24. Os valores são exemplos de estudo; um componente ou circuito real deve ser dimensionado pelas folhas de dados, segurança e condições de funcionamento.

• Vishay — resistências de filme fino para alta frequência — contra-exemplo à preferência universal por carvão.
• Analog Devices AN-581 — condensador de desacoplamento para reduzir ruído gerado pela referência Zener.

Perguntas do exame de 29 de outubro de 2026

O ganho de corrente alfa de um transístor bipolar relaciona a corrente de colector com a corrente de emissor: em contínuo, \(\alpha = I_{\mathrm{C}}/I_{\mathrm{E}}\); para pequenas variações, usa-se a razão \(\Delta I_{\mathrm{C}}/\Delta I_{\mathrm{E}}\). Beta relaciona colector e base. Como \(I_{\mathrm{E}}=I_{\mathrm{C}}+I_{\mathrm{B}}\), alfa e beta não designam o mesmo ganho. Legenda: alfa é adimensional; \(I_{\mathrm{C}}\), \(I_{\mathrm{E}}\) e \(I_{\mathrm{B}}\) são as correntes de colector, emissor e base, em ampere; \(\Delta\) indica uma pequena variação no mesmo ponto de funcionamento.

No amplificador de emissor comum da figura 3, Q1 é o elemento amplificador. R1 e R2 polarizam a base, R3 é a carga de colector, R4 estabiliza o emissor e C3 faz o seu bypass em alternada. O nome Q1 também aparece no regulador série, mas nesse outro esquema Q1 é o elemento de passagem; a ligação determina a função.

Dois sinais sinusoidais estão em fase quando o seu desfasamento é 0°, ou um múltiplo inteiro de 360°. Quadratura corresponde a 90° e oposição de fase a 180°. Não se deve conservar a resposta de uma variante quando muda a relação de fase pedida.