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Eletrônica
8ª EDIÇÃO
ALBERT MALVINO | DAVID BATES
VOLUME I
Catalogação na publicação: Poliana Sanchez de Araujo – CRB10/
M262e Malvino, Albert. Eletrônica [recurso eletrônico] / Albert Malvino, David J. Bates ; tradução: Antonio Pertence Jr. – 8. ed. – Porto Alegre : AMGH, 2016. v. 1.
Editado como livro impresso em 2016. ISBN 978-85-8055-577-
- Engenharia elétrica. 2. Eletrônica. I. Bates, David J. II. Título
CDU 621.
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à AMGH EDITORA LTDA., uma parceria entre GRUPO A EDUCAÇÃO S.A. e McGRAW-HILL EDUCATION Av. Jerônimo de Ornelas, 670 – Santana 90040-340 – Porto Alegre – RS Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-
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É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora.
IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL
Obra originalmente publicada sob o título Electronic Principles , 8th Edition ISBN 9780073373881 / 0073373885
Original edition copyright ©2015, McGraw-Hill Global Education Holdings, LLC. All rights reserved.
Portuguese language translation copyright ©2016, AMGH Editora Ltda., a Grupo A Educação S.A. company. All rights reserved.
Tradutor da 7a^ edição: Romeu Abdo
Gerente editorial: Arysinha Jacques Affonso
Colaboraram nesta edição:
Editora: Denise Weber Nowaczyk
Capa: Maurício Pamplona (arte sobre capa original)
Imagem da capa: Alex Yeung/Shutterstock
Leitura final: Amanda Jansson Breitsameter
Editoração: Clic Editoração Eletrônica Ltda.
Dedicatória
O livro Eletrônica , 8ª ed., é
dedicado a todos os estudantes
que estão se esforçando para
aprender os fundamentos e
princípios da eletrônica.
Albert P. Malvino atuou como técnico de eletrônica quando serviu na Marinha dos Estados Unidos de 1950 a 1954. Ele se formou na University of Santa Clara Summa Cum Laude em 1959 com graduação em Engenharia Elétrica. Durante os cinco anos seguintes, trabalhou como engenheiro eletrônico nos Laboratórios Microwave e na Hewlett-Packard enquanto obtinha seu mestrado ( MSEE - Master of Science in Electrical Engineering ) na San Jose State University em 1964. Ele ensinou no Foothill College pelos quatro anos seguintes e foi reconhecido como membro da National Science Foundation em 1968. Após obter o Ph.D. em Engenharia Elétrica pela Stanford University em 1970, Dr. Malvino iniciou uma carreira de escritor em tempo integral. Ele escreveu 10 livros-texto que foram traduzidos para 20 línguas estrangeiras em mais de 108 edições. Dr. Malvino foi consultor e criou circuitos microcontroladores para o SPD-Smart Windows. Além disto, ele desenvolveu um software educacional para técnicos e engenheiros em eletrônica. Ele também atuou na Diretoria da Research Frontiers Incorporated. Seu endereço eletrônico é www.malvino.com.
David J. Bates é professor adjunto no Departamento de Tecnologias Eletrônicas no Western Wisconsin Technical College localizado em La Crosse, Wisconsin. Juntamente com o trabalho como técnico em manutenção eletrônica e técnico em engenharia elétrica, ele tem mais de 30 anos de experiência como professor.
Suas credenciais incluem graduação em Tecnologia Eletrônica Industrial, em Educação Industrial e mestrado ( M.S. Master of Science degree) em Educação Vocacional/Técnica. Certificados incluem um certificado A+ como técnico de Hardwares, bem como certificado em Técnica Eletrônica ( CET Certified Electronics Technician ) pela ETA-I (Electronics Technicians Association International) e pela ISCET ( International Society of Certified Electronics Technicians ). Atualmente, David J. Bates é administrador de certificações para a ETA-I e ISCET e atuou como membro da Junta Diretora da ISCET, atuando também como perito em eletrônica básica para a NCEE ( National Coalition for Electronics Education ).
David J. Bates é também co-autor de Basic Electricity , um manual técnico-laboratorial elaborado por Zbar, Rockmaker e Bates.
A oitava edição de Eletrônica continua sua tradição como uma introdução clara e aprofundada aos circuitos e dispositivos semicondutores eletrônicos. Este livro é destinado aos estudantes que estão iniciando o estudo de eletrônica linear. Os pré- -requisitos são disciplinas que tenham abordado circuitos CA/CC, álgebra e um pouco de trigonometria. Este livro aborda as características essenciais dos dispositivos semiconduto- res, além de testes e circuitos práticos nos quais eles são encontrados. Por meio de conceitos explicados de forma clara, coloquial e fáceis de ler, o texto estabelece a base necessária para a compreensão do funcionamento e verificação de defeitos dos sistemas eletrônicos. Todos os capítulos contêm exemplos práticos de circui- tos, aplicações e exercícios.
Novidades desta edição
A revisão proposta da oitava edição teve como base o retorno de professores de eletrônica, profissionais da área e organizações certificadoras, juntamente com uma extensa pesquisa, e inclui os seguintes aprimoramentos e modificações:
- Material adicional sobre características das luzes LED
- Novas seções sobre LEDs de alta intensidade e como estes dispositivos são controlados para fornecer iluminação eficiente
- Introdução aos reguladores de tensão de três terminais como parte de um blo- co funcional de sistema de alimentação previamente no texto
- Rearranjo e condensação de seis para quatro capítulos sobre o transistor de junção bipolar (TJB)
- Introdução aos Sistemas Eletrônicos
- Mais conteúdo sobre amplificadores de múltiplos estágios relacionados a blo- cos de circuito que formam um sistema
- Material adicional sobre “MOSFET’s de potência”, incluindo:
- Estruturas e características dos MOSFET’s de potência
- Exigências técnicas para interface e acionamento de MOSFET’s
- Chaves para cargas
- Circuitos de Meia-Ponte e Ponte-Completa em H
- Introdução à modulação de largura de pulso (PWM) para o controle da velocidade de motores
- Mais conteúdo sobre Amplificadores Classe D, incluindo a aplicação do am- plificador Classe D na forma de circuito integrado monolítico
- Atualizações sobre Chaveamento de Fontes de Alimentação
Prefácio
viii Prefácio
Material para o professor O professor interessado em acessar material exclusivo deste livro deve acessar o site do Grupo A em loja.grupoa.com.br, buscar pela página do livro, clicar em “Material para o professor” e cadastrar-se. Lá esarão disponíveis os seguintes recursos (em inglês):
- Manual do professor, com soluções dos problemas do livro
- Apresentações em Power Point para todos os capítulos
- Test banks com questões de revisão adicionais para cada capítulo
- Arquivos de circuitos do Multisim
x Sumário
4-1 Retificador de meia onda 88 4-2 Transformador 91 4-3 Retificador de onda completa com tomada central 93 4-4 Retificador de onda completa em ponte 97 4-5 O fi ltro de entrada com indutor 101 4-6 Filtro de entrada com capacitor 103
4-7 Tensão de pico inversa e corrente de surto 110 4-8 Outros tópicos de uma fonte de alimentação 112 4-9 Análise de defeito 116 4-10 Circuitos ceifadores e limitadores 118 4-11 Circuitos grampeadores 123 4-12 Circuitos multiplicadores de tensão 125
Capítulo 4 Circuitos com diodos 86
5-1 Diodo Zener 142 5-2 Regulador Zener com carga 145 5-3 Segunda aproximação do diodo Zener 150 5-4 Ponto de saída do regulador Zener 154 5-5 Interpretação das folhas de dados 156
5-6 Análise de defeito 159 5-7 Retas de carga 162 5-8 Diodos emissores de luz 162 5-9 Outros dispositivos optoeletrônicos 170 5-10 Diodo Schottky 172 5-11 Varactor 175 5-12 Outros diodos 177
6-1 Transistor não polarizado 190 6-2 Transistor polarizado 191 6-3 Correntes no transistor 193 6-4 Conexão EC 195 6-5 Curva da base 196 6-6 Curvas do coletor 198 6-7 Aproximações para o transistor 203 6-8 Interpretação das folhas de dados 207
6-9 Transistor para montagem em superfície 212 6-10 Variações no ganho de corrente 214 6-11 Reta de carga 215 6-12 Ponto de operação 220 6-13 Identificando a saturação 222 6-14 Transistor como chave 225 6-15 Análise de defeito 227
Capítulo 5 Diodos para aplicações especiais 140
Capítulo 6 Transistores de junção bipolar 188
Capítulo 7 Circuito de polarização do transistor 240
7-1 Polarização do emissor 242 7-2 Circuitos de alimentação para o LED 245 7-3 Analisando falhas em circuitos de polarização do emissor 248
7-4 Mais sobre dispositivos optoeletrônicos 250 7-5 Polarização por divisor de tensão 253 7-6 Análise precisa para o PDT 255
Sumário xi
Sumário xiii
14-1 Resposta em frequência de um amplificador 570 14-2 Ganho de potência em decibel 575 14-3 Ganho de tensão em decibel 579 14-4 Casamento de impedância 581 14-5 Decibéis acima de uma referência 584 14-6 Gráficos de Bode 586 14-7 Mais gráfi cos de Bode 590
14-8 Efeito Miller 596 14-9 Relação tempo de subida-largura de banda 599 14-10 Análise de frequência de estágios TJB 602 14-11 Análise de frequência em estágios FET 609 14-12 Efeitos de frequência em circuitos com dispositivos de montagem em superfície (SMDs) 615
Capítulo 14 Efeitos de frequência 568
Capítulo 15 Amplifi cadores diferenciais 624
Capítulo 16 Amplifi cadores operacionais 666
Capítulo 17 Realimentação negativa 710
15-1 Amplificador diferencial 626 15-2 Análise CC de um amp-dif 629 15-3 Análise CA de um amp-dif 634 15-4 Características de entrada de um amp-op 640
15-5 Ganho em modo comum 647 15-6 Circuitos integrados 651 15-7 Espelho de corrente 654 15-8 Amp-dif com carga 656
16-1 Introdução aos amp-ops 668 16-2 Amp-op 741 670 16-3 Amplificador inversor 680 16-4 Amplificador não inversor 686
16-5 Duas aplicações de amp-ops 691 16-6 CIs Lineares 695 16-7 Amp-ops como dispositivos de montagem em superfície 701
17-1 Quatro tipos de realimentação negativa 712 17-2 Ganho de tensão de um VCVS 714 17-3 Outras equações para VCVS 716 17-4 Amplificador ICVS 721
17-5 Amplificador VCIS 723 17-6 Amplificador ICIS 725 17-7 Largura de banda 727
Volume II
xiv Sumário
Capítulo 19 Filtros ativos 788
Capítulo 20 Circuitos não lineares com amp-op 850
Capítulo 21 Osciladores 902
19-1 Respostas ideais 790 19-2 Respostas aproximadas 793 21-3 Filtros passivos 805 19-4 Estágios de primeira ordem 809 19-5 Filtros passa-baixas VCVS de segunda ordem e ganho unitário 813 19-6 Filtros de ordem maior 819
19-7 Filtros passa-baixas VCVS de componentes iguais 822 19-8 Filtros passa-altas VCVS 826 19-9 Filtros passa-faixa MFB 829 19-10 Filtros rejeita-faixa 833 19-11 Filtros passa-todas 835 19-12 Filtros biquadrático e de variável de estado 840
20-1 Comparadores com referência zero 852 20-2 Comparadores com referência diferente de zero 859 20-3 Comparadores com histerese 864 20-4 Comparador de janela 869 20-5 Integrador 870
20-6 Conversão de forma de onda 873 20-7 Geração de forma de onda 877 20-8 Outro gerador de onda triangular 880 20-9 Circuitos com diodo ativo 881 20-10 Diferenciador 885 20-11 Amplificador classe D 887
21-1 Teoria da oscilação senoidal 904 21-2 Oscilador em ponte de Wien 905 21-3 Outros osciladores RC 910 21-4 Oscilador Colpitts 912 21-5 Outros osciladores LC 917 21-6 Cristais de quartzo 920
21-7 Temporizador 555 924 21-8 Operação astável do temporizador 555 931 21-9 Aplicações de circuitos com 555 935 21-10 PLL 942 21-11 CIs geradores de função 945
Capítulo 18 Circuitos lineares com amp-op 740
18-1 Circuitos amplificadores inversores 742 18-2 Circuitos amplificadores não inversores 744 18-3 Circuitos inversores/não inversores 748 18-4 Amplificadores diferenciais 753 18-5 Amplificadores de instrumentação 759
18-6 Circuitos amplificadores somadores 763 18-7 Reforçadores ( boosters ) de corrente 768 18-8 Fontes de corrente controladas por tensão 770 18-9 Controle automático de ganho 775 18-10 Operação com fonte simples 777
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Termos-chave
aproximação ideal (primeira) corrente de Norton definição dispositivo aberto dispositivo em curto- -circuito
fonte de corrente quase ideal fórmula fórmula derivada junção com solda fria lei ponte de solda princípio da dualidade
resistência de Norton resistência de Thevenin segunda aproximação tensão da fonte quase ideal tensão de Thevenin teorema terceira aproximação
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Objetivos de aprendizagem
Após o estudo deste capítulo você deverá ser capaz de: Nomear os três tipos de fórmula e explicar por que são verdadeiras. Explicar por que as aproximações são sem- pre usadas no lugar das fórmulas exatas. Definir uma fonte de tensão ideal e uma fonte de corrente ideal. Descrever como reconhecer uma fonte de tensão estável e uma fonte de corrente es- tável. Escrever o teorema de Thevenin e aplicá-lo em um circuito. Escrever o teorema de Norton e aplicá-lo em um circuito. Listar duas características de um dispositivo aberto e duas de um dispositivo em curto- -circuito.
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Sumário
1-1 Os três tipos de fórmula 1-2 Aproximações 1-3 Fontes de tensão 1-4 Fontes de corrente 1-5 Teorema de Thevenin 1-6 Teorema de Norton 1-7 Análise de defeito
4 Eletrônica
É ÚTIL SABER
Para todas as finalidades práticas,
fórmula é um conjunto de
instruções escritas em linguagem
matemática. A fórmula descreve
como calcular uma quantidade
ou um parâmetro em particular.
1-1 Os três tipos de fórmula
Fórmula é um método que relaciona valores. O método pode ser uma equação, uma desigualdade ou outra descrição matemática. Você verá muitas fórmulas neste livro. A menos que saiba qual delas é a certa, poderá ficar confuso à medida que vão se acumulando. Felizmente, existem apenas três tipos de fórmulas que vão aparecer neste livro. Conhecê-las tornará seu estudo de eletrônica mais lógico e satisfatório.
Definição Quando você estuda eletricidade e eletrônica, precisa memorizar palavras novas como corrente, tensão e resistência. Porém, uma explicação verbal não é suficien- te, porque sua ideia de corrente precisa ser matematicamente idêntica ao restante das pessoas. O único modo de obter essa identidade é com uma fórmula de defini- ção , inventada para um conceito novo. A seguir há um exemplo de fórmula de definição. Nos seus estudos anteriores, você aprendeu que capacitância é igual à carga de uma placa dividida pela tensão entre as placas. A fórmula se apresenta como:
C Q V
=
Essa é uma fórmula de definição, que informa o que é a capacitância C e como cal- culá-la. Historicamente, alguns pesquisadores combinaram essa definição como fórmula, tornando-a amplamente aceita. Aqui está um exemplo de como criar uma nova fórmula de definição. Suponha que estamos pesquisando a capacidade de leitura e necessitamos de um modo para medir a velocidade de leitura. Inesperadamente, deveríamos decidir por definir velocidade de leitura como o número de palavras lidas num minuto. Se o número de palavras for P e o número de minutos M , poderíamos compor a fórmula assim:
L P M
=
Nessa equação, L é a velocidade medida em palavras por minuto. Para formalizar poderíamos usar letras gregas: ω para palavras, μ para minu- tos e σ para velocidade. Nossa definição ficaria assim:
σ μ
= ω
Essa equação continua indicando que velocidade é igual a palavras divididas por minutos. Quando você vir uma equação como essa e souber que é uma defini- ção, ela não terá o impacto e o mistério que inicialmente teria. Em resumo, as fórmulas por definição são aquelas que os pesquisadores criam. Elas são fundamentadas em observações científicas e formam a base para o estudo da eletrônica. São simplesmente aceitas como fatos, o que é feito a todo instante na ciência. Uma fórmula por definição é verdadeira no mesmo sentido que um conceito é verdadeiro. Cada uma representa algo que queremos comentar. Quando se sabe quais fórmulas são definições é mais fácil entender eletrônica. As fórmulas de definições são pontos de partida, tudo o que se precisa fazer é entendê-las e memorizá-las.
Lei Uma lei é diferente, ela resume o relacionamento que já existe na natureza. Veja um exemplo de lei:
f K
Q Q d
= 1 22
