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DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRÔNICA COLÉGIO TÉCNICO DE CAMPINAS UNICAMP ELETRÔNICA Prof. Roberto Angelo Bertoli V3 setembro, 00 Colégio Técnico de Campinas 2 ELETRÔNICA ÍNDICE 1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO 4 1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES A ESTRUTURA DO ÁTOMO ESTUDO DO SEMICONDUTORES 4 4 4 1.2 DIODO POLARIZAÇÃO DO DIODO CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE 7 8 8 10 1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO 11 1.4 APROXIMAÇÕES DO DIODO 12 1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA RETIFICADOR DE MEIA ONDA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 14 16 17 19 1.6 CAPACITOR 20 1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR 24 1.8 DIODO ZENER CORRENTE MÁXIMA NO ZENER REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER CÁLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. 26 27 28 28 1.9 CIRCUITO COM DIODOS MULTIPLICADORES DE TENSÃO LIMITADORES GRAMPEADOR CC 29 29 30 32 1.10 EXERCÍCIOS 32 2 TRANSISTOR BIPOLAR 39 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP AS CORRENTES NO TRANSISTOR MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR 39 40 42 42 43 3 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES 47 3.1 RETA DE CARGA 47 3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE 49 3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE 50 3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO REGRAS DE PROJETO 51 51 51 52 3.5 EXERCÍCIOS 53 4 AMPLIFICADORES DE SINAL 55 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 3 ELETRÔNICA 4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC. RESISTÊNCIA CA DO DIODO EMISSOR βCA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA 55 57 57 58 60 4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO 60 4.3 REALIMENTAÇÃO 63 4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL IMPEDÂNCIA DE ENTRADA ESTÁGIOS EM CASCATA 63 65 66 4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM 68 4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM IMPEDÂNCIA DE ENTRADA 70 71 4.7 EXERCÍCIOS 73 5 AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA 76 5.1 CLASSE A 76 5.2 CLASSE B 78 5.3 CLASSE AB 80 6 OSCILADOR DE BAIXA FREQÜÊNCIA 81 6.1 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE 82 7 TRANSISTORES ESPECIAIS 83 7.1 JFET POLARIZAÇÃO DE UM JFET TRANSCONDUTÂNCIA AMPLIFICADOR FONTE COMUM AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE 83 83 87 88 89 89 7.2 MOSFET MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO 90 90 91 7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR ÓPTICO 92 7.4 EXERCÍCIOS 93 8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 96 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO 1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 4 A ESTRUTURA DO ÁTOMO O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares: Elétrons, prótons e nêutrons. A carga do elétron é igual a do próton, porém de sinal contrário. Os elétrons giram em torno do núcleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de até sete camadas. Em cada átomo, a camada mais externa é chamada de valência, e geralmente é ela que participa das reações químicas Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tipos de átomos, diferenciados entre si pelo seus números de prótons, elétrons e nêutrons. Cada material tem uma infinidade de características, mas uma especial em eletrônica é o comportamento à passagem de corrente. Pode-se dividir em três tipos principais: MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE São materiais que não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica. Quanto menor for a oposição a passagem de corrente, melhor condutor é o material. O que caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência estarem fracamente ligados ao átomo, encontrando grande facilidade para abandonar seus átomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganhar estabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre. MATERIAIS ISOLANTES São materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem da corrente elétrica. Os elétrons de valência estão rigidamente ligados aos seu átomos, sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se de seus átomos para se transformarem em elétrons livres. Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas (borracha, mica, baquelita, etc.). MATERIAL SEMICONDUTOR Materiais que apresentam uma resistividade elétrica intermediária. Como exemplo temos o germânio e silício ESTUDO DO SEMICONDUTORES Os átomos de germânio e silício tem uma camada de valência com 4 elétrons. Quando os átomos de germânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons, ver Figura 1-1. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 5 Figura 1-1 Se nas estruturas com germânio ou silício não fosse possível romper a ligações covalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres. Figura 1-2 Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacuna, sendo também conhecida como buraco. As lacunas não tem existência real, pois são apenas espaços vazios provocados por elétrons que abandonam as ligações covalentes rompidas. Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem, simultaneamente um elétron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétron preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo de recombinação). Como tanto os elétrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual a de elétrons livres. Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido do maior potencial elétrico e as lacunas por conseqüência se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons. IMPUREZAS Os cristais de silício (ou germânio. Mas não vamos considera-lo, por simplicidade e também porque o silício é de uso generalizado em eletrônica) são encontrados na natureza misturados com outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 6 características destes cristais é feito um processo de purificação do cristal e em seguida é injetado através de um processo controlado, a inserção proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 átomos do cristal, com a intenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. A este processo de inserção dá-se o nome de dopagem. As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos: impureza doadoras e impurezas aceitadoras. IMPUREZA DOADORA São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência. Ex.: Fósforo e Antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um elétron fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é suficiente para se tornar livre). Figura 1-3 IMPUREZA ACEITADORA São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência. Ex.: Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. Figura 1-4 Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores: SEMICONDUTOR TIPO N O cristal que foi dopado com impureza doadora é chamado semicondutor tipo n, onde n está relacionado com negativo. Como os elétrons livres excedem em número as lacunas Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 7 ELETRÔNICA num semicondutor tipo n, os elétrons são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários. SEMICONDUTOR TIPO P O cristal que foi dopado com impureza aceitadora é chamado semicondutor tipo p, onde p está relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em número os elétrons livres num semicondutor tipo p, as lacunas são chamadas portadores majoritários e os elétrons livres, portadores minoritários. 1.2 DIODO A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtém-se uma junção pn, que é um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção. Figura 1-5 Devido a repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo) Figura 1-6 Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os ions estão fixo na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de ions aumenta, a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção. Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. A 25º, esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio. O símbolo mais usual para o diodo é mostrado a seguir: Anodo material tipo p Prof. Roberto A. Bertoli Catodo material tipo n set-00 Colégio Técnico de Campinas 8 ELETRÔNICA POLARIZAÇÃO DO DIODO Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo negativo em contato com o material tipo n. POLARIZAÇÃO DIRETA No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Para haver fluxo livre de elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar o efeito da camada de depleção. POLARIZAÇÃO REVERSA Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn, isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n e o pólo negativo no material tipo p, a junção fica polarizada inversamente. No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra. CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo. POLARIZAÇÃO DIRETA Figura 1-7 Figura 1-8 Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um componente linear. A tensão no diodo é uma função do tipo: U = RFI +  kT  I ln + 1 q  IS  Eq. 1- 1 TENSÃO DE JOELHO Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho. ( No Si é aprox. 0,7V). Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 9 ELETRÔNICA POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO Figura 1-9 Figura 1-10 o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente. * Salvo o diodo feito para tal, os diodos não podem trabalhar na região de ruptura. GRÁFICO COMPLETO. Figura 1-11 ESPECIFICAÇÕES DE POTÊNCIA DE UM DIODO Em qualquer componente, a potência dissipada é a tensão aplicada multiplicada pela corrente que o atravessa e isto vale para o diodo: P = U∗I Prof. Roberto A. Bertoli Eq. 1- 2 set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 10 Não se pode ultrapassar a potência máxima, especificada pelo fabricante, pois haverá um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potência máxima ou corrente máxima suportada por um diodo. Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW 1N4001 - IMAX = 1A Usualmente os diodos são divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 0,5W). RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor é usado em série com o diodo para limitar a corrente elétrica que passa através deles. RS é chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS . Figura 1-12 RETA DE CARGA Sendo a curva característica do diodo não linear, torna-se complexo determinar através de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e resistor. Um método para determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o uso da reta de carga. Baseia-se no uso gráfico das curvas do diodo e da curva do resistor. Na Figura 1-12, a corrente I através do circuito é a seguinte: I= UR US − UD = RS RS Eq. 1- 3 No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados a tensão da fonte e a resistência RS, então são desconhecidas a corrente e a tensão sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 100Ω, então: I= 2 − UD = −0,01* U D + 20mA 100 Eq. 1- 4 Se UD=0V ! I=20mA. Esse ponto é chamado de ponto de saturação, pois é o máximo valor que a corrente pode assumir. E se I=0A !UD=2V. Esse ponto é chamado corte, pois representa a corrente mínima que atravessa o resistor e o diodo. A Eq. 1-4 indica uma relação linear entre a corrente e a tensão ( y = ax + b). Sobrepondo esta curva com a curva do diodo tem-se: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 11 ELETRÔNICA Figura 1-13 (I=0A,U=2V) - Ponto de corte !Corrente mínima do circuito (I=20mA,U=0V) - Ponto de saturação !Corrente máxima do circuito (I=12mA,U=0,78V) - Ponto de operação ou quiescente!Representa a corrente através do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe uma tensão de 0,78V. 1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO O diodo emissor de luz (LED) é um diodo que quando polarizado diretamente emite luz visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usada em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa resposta em circuitos de chaveamento. Figura 1-14 A polarização do LED é similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em série com um resistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 1-14. o LED é esquematizado como um diodo comum com seta apontando para fora como símbolo de luz irradiada. A corrente que circula no LED é: ID = VS − VD R Eq. 1- 5 Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA. FOTODIODO É um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que é sensível a luz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente reversa Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadores minoritários. Esses portadores existem porque a energia térmica entrega energia suficiente para alguns elétrons de valência saírem fora de suas órbitas, gerando elétrons livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando uma energia luminosa incide numa junção pn, ela injeta mais energia ao elétrons de valência e com isto gera mais elétrons livres. Quanto mais intensa for a luz na junção, maior será corrente reversa num diodo. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 1.4 12 ELETRÔNICA APROXIMAÇÕES DO DIODO ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessário conhecer a curva do diodo, mas dependendo da aplicação pode-se fazer aproximações para facilitar os cálculos. 1ª APROXIMAÇÃO (DIODO IDEAL) Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta. I sentido direto sentido reverso U Figura 1-15 2ª APROXIMAÇÃO Leva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir. I 0 7V rb sentido direto sentido reverso 0,7V U rb Figura 1-16 Pensa-se no diodo como uma chave em série com uma bateria de 0,7V. 3ª APROXIMAÇÃO Na terceira aproximação considera a resistência interna do diodo. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 13 ELETRÔNICA I 0,7V rb sentido direto sentido reverso 0,7V U rb Figura 1-17 Obs.:. Ao longo do curso será usada a 2ª aproximação. Exemplo 1-1 Utilizar a 2ª aproximação para determinar a corrente do diodo no circuito da Figura 1-18: SOL.: O diodo está polarizado diretamente, portanto age como uma chave fechada em série com uma bateria. ID = IRS = URS U S − UD 10 − 0,7 = = = 186 , mA 5k RS RS RESISTÊNCIA CC DE UM DIODO Figura 1-18 É a razão entre a tensão total do diodo e a corrente total do diodo. Pode-se considerar dois casos: RD - Resistência cc no sentido direto RR - Resistência cc no sentido reverso RESISTÊNCIA DIRETA É a resistência quando é aplicada uma tensão no sentido direto sobre o diodo. É variável, pelo fato do diodo ter uma resistência não linear. Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tensão de 0,65V entre seus terminais existirá uma corrente I=10mA. Caso a tensão aplicada seja de 0,75V a corrente correspondente será de 30mA. Por último se a tensão for de 0,85V a corrente será de 50mA. Com isto pode-se calcular a resistência direta para cada tensão aplicada: RD1 = 0,65/10mA = 65Ω RD2 = 0,75/30mA = 25Ω RD3 = 0,85/50mA = 17Ω Nota-se que a resistência cc diminuí com o aumento da tensão RESISTÊNCIA REVERSA Tomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tensão de -20V a corrente será de 25nA, enquanto uma tensão de -75V implica numa corrente de 5µA. A resistência reversa será de: RS1 = 20/25nA = 800MΩ Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 14 RS2 = 75/5µA = 15MΩ A resistência reversa diminui à medida que se aproxima da tensão de ruptura. 1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA É comum em circuitos eletrônicos o uso de baterias de alimentação. Devido ao alto custo de uma bateria se comparado com a energia elétrica, torna-se necessário a criação de um circuito que transforme a tensão alternada de entrada em uma tensão contínua compatível com a bateria. O diodo é um componente importante nesta transformação. É que se verá neste item. ONDA SENOIDAL A onda senoidal é um sinal elétrico básico. Sinais mais complexos podem ser representados por uma soma de sinais senoidais. Figura 1-19 A equação que representa a curva da Figura 1-19 é a seguinte: U = UP senθ Eq. 1-6 onde: U ! tensão instantânea Up ! tensão de pico Algumas maneiras de se referir aos valores da onda: Valor de pico UP ! Valor máximo que a onda atinge Valor de pico a pico ( UPP ) ! Diferença entre o máximo e mínimo que a onda atinge Upp = Up - (- Up ) = 2 Up Valor eficaz ( URMS) ( Root Mean Square) O valor rms é valor indicado pelo voltímetro quando na escala ca. O valor rms de uma onda senoidal, é definido como a tensão cc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que: VRMS = 0,707 Up Eq. 1-7 Valor médio O valor médio é quantidade indicada em um voltímetro quando na escala cc. O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque cada valor da primeira metade do ciclo, tem um valor igual mas de sinal contrário na segunda metade do ciclo. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 15 ELETRÔNICA O TRANSFORMADOR As fontes de tensões utilizadas em sistemas eletrônicos em geral são menores que 30VCC enquanto a tensão de entrada de energia elétrica costuma ser de 127VRMS ou 220VRMS. Logo é preciso um componente para abaixar o valor desta tensão alternada. O componente utilizado é o transformador. O transformador é a grosso modo constituído por duas bobinas (chamadas de enrolamentos). A energia passa de uma bobina para outra através do fluxo magnético. Abaixo um exemplo de transformador: Figura 1-20 A tensão de entrada U1 está conectada ao que se chama de enrolamento primário e a tensão de saída ao enrolamento secundário. No transformador ideal: U2 N2 = U1 N1 Eq. 1-8 Onde: U1 tensão no primário U2 tensão no secundário N1 número de espiras no enrolamento primário N2 número de espiras no enrolamento secundário A corrente elétrica no transformados ideal é: I1 N2 = I 2 N1 Eq. 1-9 Exemplo 1-2 Se a tensão de entrada for 115 VRMS, a corrente de saída de 1,5ARMS e a relação de espiras 9:1. Qual a tensão no secundário em valores de pico a pico? E a corrente elétrica no primário? SOL. U2 N2 U 1 ! 2 = ! U2 = 12,8 VRMS = U1 N1 115 9 U2PP=12,8/0,707=18VPP I1 N2 I 1 ! 1 = !I1 = 0,167ARMS = I 2 N1 1,5 9 obs.: a potência elétrica de entrada e de saída num transformador ideal são iguais. P=U*I=115*0,167=12,8*1,5=19,2W Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 16 RETIFICADOR DE MEIA ONDA O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (USECUNDÁRIIO ) ca numa tensão pulsante positiva UR. Este processo de conversão de AC para cc, é conhecido como “retificação”. Na Figura 1-21 é mostrado um circuito de meia onda. Figura 1-21 Considerando o diodo como ideal, as curvas são as mostrada na Figura 1-22. A saída do secundário tem dois ciclos de tensão: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclo positivo o diodo está ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei das malhas toda a tensão do secundário incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e não há corrente circulando no circuito. Sem corrente elétrica circulando implica em não ter tensão sob o resistor e toda a tensão do secundário fica no diodo. Este circuito é conhecido como retificador de meio ciclo porque só o semiciclo positivo é aproveitado na retificação. Figura 1-22 O resistor R indicado no circuito representa a carga ôhmica acoplada ao retificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo e normalmente ele é chamado de resistor de carga ou simplesmente de carga. VALOR CC OU VALOR MÉDIO A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é dado por: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 17 VCC = 0.318 UP diodo ideal Eq. 1-10 VCC = 0.318 (UP - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-11 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA A Figura 1-23 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central no enrolamento secundário. Por causa dessa tomada, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário. Figura 1-23 As duas tensões denominadas de U2/2 na Figura 1-23 são idênticas em amplitude e fase. O transformador ideal pode ser, portanto, substituído por duas fontes de tensão idênticas, como mostra a Figura 1-23 à direita, sem alteração no funcionamento elétrico da rede. Quando U2/2 é positiva, D1 está diretamente polarizado e conduz mas D2 está reversamente polarizado e cortado. Analogamente, quando U2/2 é negativa, D2 conduz e D1 cortado. Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tensão sobre o resistor de carga mostrada na Figura 1-24. VALOR CC OU VALOR MÉDIO A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é similar o do retificador de meia onda com a observação de que agora tem-se um ciclo completo e o valor será o dobro. É dado por: VCC = 2*0.318 (UP/2) = 0,318UP diodo ideal Eq. 1-12 VCC = 0.636 (UP/2 - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-13 FREQÜÊNCIA DE SAÍDA A freqüência de saída de onda completa é o dobro da freqüência de entrada, pois a definição de ciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo quando ela Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 18 começa a repeti-lo. Na Figura 1-24, a forma de onda retificada começa a repetição após um semiciclo da tensão do secundário. Supondo que a tensão de entrada tenha uma freqüência de 60Hz, a onda retificada terá uma freqüência de 120Hz e um período de 8,33ms. Figura 1-24 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 19 ELETRÔNICA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE Na Figura 1-25 é mostrado um retificador de onda completa em ponte. Com o uso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador. Durante o semiciclo positivo da tensão U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem, D1 e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U2. Durante o semiciclo negativo da tensão U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão da polaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado. Figura 1-25 A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portanto a tensão UR é sempre positiva. Na Figura 1-26 é mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais. Na Tabela 1-1 é feito uma comparação entre os três tipos de retificadores. Para diodos ideais. Tabela 1-1 MEIA ONDA ONDA COMPLETA PONTE N.º de Diodos 1 2 4 Tensão Pico de Saída UP 0,5UP UP 0,318 UP 0,318 UP 0,636 UP Tensão Pico Inversa no Diodo UP UP UP Freqüência de Saída fent 2 fent 2 fent 0,45 UP 0,45 UP 0,9 UP Tensão cc de Saída Tensão de saída (rms) Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 20 Figura 1-26 1.6 CAPACITOR Componente eletrônico, constituído por duas placas condutoras, separadas material isolante. por um Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haverá uma distribuição de cargas e após um certo tempo as tensões na bateria e no capacitor serão as mesmas. E deixa de circular corrente elétrica. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 21 ELETRÔNICA Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas elétricas acumuladas permanecem no capacitor, e portanto é mantida a diferença de potencial no capacitor. O capacitor pode armazenar carga elétrica. O capacitor se opõe a variação de tensão elétrica. A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da sua capacitância. C= ε.S d Eq. 1-15 onde: ε = constante dielétrica (F/m) S = área de uma das placas (são iguais) (m2) d = Espessura do dielétrico em metro (m) C = Capacitância em Farads (F) em geral se usa submultiplos do Farad: µF, nF, pF DETALHES SOBRE OS CAPACITORES TIPOS DE CAPACITORES papel cerâmica mica eletrolítico tântalo variável (distância / área) !(Padder; Trimmer) DISPOSIÇÃO DAS PLACAS Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 22 CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR Suponha que o capacitor esteja descarregado e em t=0s a chave do circuito abaixo é fechada. As tensões no capacitor e resistor seguem as seguintes equações: VC=U*(1-e-t/τ) Eq. 1-16 VR=U*e-t/τ Eq. 1-17 onde τ=RC e é chamada de constante de tempo do circuito. Quando t=τ, a tensão no capacitor atinge 63% da tensão da fonte CIRCUITOS COM CAPACITOR E RESISTOR Resistor em série com o capacitor Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 23 Resistor em paralelo com o capacitor Resistor em série com capacitor e com um gerador de onda quadrada Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 1.7 ELETRÔNICA 24 FILTRO PARA O RETIFICADOR A tensão de saída de um retificador sobre um resistor de carga é pulsante como mostrador por exemplo na Figura 1-26. Durante um ciclo completo na saída, a tensão no resistor aumenta a partir de zero até um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tensão de uma bateria deve ser estável. Para obter esse tipo de tensão retificada na carga, torna-se necessário o uso de filtro. O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores é o filtro com capacitor mostrado na Figura 1-27. O capacitor é colocado em paralelo ao resistor de carga. Para o entendimento do funcionamento do filtro supor o diodo como ideal e que, antes de ligar o circuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quarto de ciclo da tensão no secundário, o diodo está diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundário ao capacitor, ele carrega até o valor da tensão de pico UP. Figura 1-27 Figura 1-28 Logo após o pico positivo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tensão de pico UP. Como a tensão no secundário é ligeiramente menor que UP, o diodo fica reversamente polarizado e não conduz. Com o diodo aberto, o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga. A idéia do filtro é a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o período do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perderá somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte. O diodo só voltará a conduzir no momento em que a tensão no secundário iniciar a subir e seja igual a tensão no capacitor. Ele conduzirá deste ponto até a tensão no secundário atingir o valor de pico UP. O intervalo de condução do diodo é chamado de ângulo de condução do diodo. Durante o ângulo de condução do diodo, o capacitor é carregado novamente até UP . Nos retificadores sem filtro cada diodo tem um ângulo de condução de 180°. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 25 Na Figura 1-28 é mostrada na tensão sob a carga. A tensão na carga é agora uma tensão cc mais estável. A diferença para uma tensão cc pura é uma pequena ondulação (Ripple) causada pela carga e descarga do capacitor. Naturalmente, quanto menor a ondulação, melhor. Uma forma de reduzir a ondulação é aumentar a constante de tempo de descarga (R.C). Na prática é aumentar o valor do capacitor. Outra forma de reduzir a ondulação é optar pelo uso de um retificador de onda completa, no qual a freqüência de ondulação é o dobro do meia onda. Neste caso é carregado duas vezes a cada ciclo da tensão de entrada e descarrega-se só durante a metade do tempo de um meia onda. Pode-se relacionar a tensão de ondulação na seguinte fórmula: U OND = I fC Eq. 1-18 onde: UOND = tensão de ondulação pico a pico I = corrente cc na carga f = freqüência de ondulação C = capacitância A escolha de um capacitor de filtro, depende, então, do valor da tensão de ondulação. Quanto menor, melhor. Mas não é viável que a tensão de ondulação seja zero. Como regra de projeto, o habitual é escolher a tensão de ondulação como sendo 10% da tensão de pico do sinal a ser retificado. CORRENTE DE SURTO (IMPULSIVA) Instantes antes de energizar o circuito retificador, o capacitor do filtro está descarregado. No momento em que o circuito é ligado, o capacitor se aproxima de um curto. Portanto, a corrente inicial circulando no capacitor será muito alta. Este fluxo alto de corrente é chamado corrente de surto. Neste momento o único elemento que limita a carga é a resistência dos enrolamentos e a resistência interna dos diodos. O pior caso, é o capacitor estar totalmente descarregado e o retificador ser ligado no instante em que a tensão da linha é máxima. Assim a corrente será: I SURTO = UP R ENROLAMENTO + R DIODO Eq. 1-19 Esta corrente diminui tão logo o capacitor vá se carregando. Em um circuito retificador típico, a corrente de surto não é uma preocupação. Mas, quando a capacitância for muito maior do que 1000uF, a constante de tempo se torna muito grande e pode levar vários ciclos para o capacitor se carregar totalmente. Isto tanto pode danificar os diodos quanto o capacitor. Um modo de diminuir a corrente de surto é incluir um resistor entre os diodos e o capacitor. Este resistor limita a corrente de surto porque ele é somado ao enrolamento e à resistência interna dos diodos. A desvantagem dele é, naturalmente, a diminuição da tensão de carga cc. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 1.8 ELETRÔNICA 26 DIODO ZENER O diodo zener é um diodo construído especialmente para trabalhar na tensão de ruptura. Abaixo é mostrado a curva característica do diodo zener e sua simbologia. O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente. Mas ao contrário de um diodo convencional, ele suporta tensões reversas próximas a tensão de ruptura. A sua principal aplicação é a de conseguir uma tensão estável (tensão de ruptura). Normalmente ele está polarizado reversamente e em série com um resistor limitador de corrente. Graficamente é possível obter a corrente elétrica sob o zener com o uso de reta de carga. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 27 DIODO ZENER IDEAL O zener ideal é aquele que se comporta como uma chave fechada para tensões positivas ou tensões negativas menores que –VZ . Ele se comportará como uma chave aberta para tensões negativas entre zero e –VZ . Veja o gráfico abaixo SEGUNDA APROXIMAÇÃO Uma Segunda aproximação é considera-lo como ideal mas que a partir da tensão de ruptura exista uma resistência interna. CORRENTE MÁXIMA NO ZENER PZ = VZ * I Z Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificação de potência máxima de 400mW, qual será a corrente máxima permitida? SOL.: I ZMÁXIMA = 400mW = 33,33mA 12V • Este zener suporta até 33,3mA. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 28 REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor Vz. Tensão na carga • enquanto o diodo cortado RL * VS RS + RL VRL = Eq. 1-20 • Com o diodo conduzindo reversamente VRL=VZ Eq. 1- 21 Corrente sob RS. IS = VS − VZ RS Eq. 1- 22 sob RL IL=VZ/RL Eq. 1- 23 ! Eq. 1- 24 sob o zener IS=IZ+IL IZ=IS - IL Tensão de Ripple na carga (∆VL) Considerando RZ<<RL, RS ∆VL = RZ * ∆VS RS Eq. 1- 25 ∆VS - variação de entrada RZ - resistência do zener RS - resistência da entrada CÁLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. RS < • Prof. Roberto A. Bertoli VSMIN − VZ I LMAX + I ZMIN Eq. 1- 25 garante a corrente mínima para a carga set-00 Colégio Técnico de Campinas RS > • 29 ELETRÔNICA VSMAX − VZ I LMIN + I ZMAX Eq. 1- 26 garante que sob o zener não circule uma corrente maior que IZMAX Exemplo 1-4: Um regulador zener tem uma tensão de entrada de 15V a 20V e a corrente de carga de 5 a 20mA. Se o zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS? SOL.: RS <(15-6,8)/(20m+4m)=342Ω e RS> (20-6,8)/(5m+40m)=293Ω 293Ω<RS <342Ω 1.9 CIRCUITO COM DIODOS MULTIPLICADORES DE TENSÃO Formado por dois ou mais retificadores que produzem uma tensão cc igual a um múltiplo da tensão de pico da entrada (2Vp, 3Vp, 4Vp) DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA No pico do semiciclo negativo, D1 está polarizado diretamente e D2 reversamente, isto faz C1 carregar até a tensão Vp. No pico do semiciclo positivo, D1 está polarizado reverso e D2 direto. Pelo fato da fonte e C1 estarem em série, C2 tentará se carregar até 2Vp. Depois de vários ciclos, a tensão através de C2 será igual a 2Vp. Redesenhando o circuito e ligando uma resistência de carga Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 30 DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSÃO LIMITADORES • Retira tensões do sinal acima ou abaixo de um dado nível. • Serve para mudar o sinal ou para proteção. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 31 LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR) LIMITADOR POLARIZADO ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES USO COMO PROTEÇÃO DE CIRCUITOS • 1N914 conduz quando a tensão de entrada excede a 5,7V. • Este circuito é chamado grampo de diodo, porque ele mantém o sinal num nível fixo. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 32 GRAMPEADOR CC O grampeador cc soma uma tensão cc ao sinal (não confundir com grampo de diodo). Por exemplo, se o sinal que chega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc positivo produziria uma saída que idealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador negativo produziria uma saída entre 0 e -20V). 1.10 EXERCÍCIOS Ex. 1-1)Num dado circuito, quando um diodo está polarizado diretamente, sua corrente é de 50mA. Quando polarizado reversamente, a corrente cai para 20nA. Qual a razão entre a corrente direta e a reversa? Ex. 1-2)Qual a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta se a tensão de diodo for de 0,7V e a corrente de 100mA? Ex. 1-3)Faça o gráfico I*V de um resistor de 2kΩ. marque o ponto onde a corrente é de 4mA. Ex. 1-4)Suponha VS=5V e que a tensão através do diodo seja 5V. O diodo está aberto ou em curto? Ex. 1-5)Alguma faz com que R fique em curto no circuito ao lado. Qual será a tensão do diodo? O que acontecerá ao diodo? Ex. 1-6)Você mede 0V através do diodo do circuito ao lado. A seguir você testa a tensão da fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relação ao terra (-). O que há de errado com o circuito? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 33 ELETRÔNICA I (mA) 100 50 .5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 V Ex. 1-7)Uma fonte de tensão de 2,5V leva o diodo a Ter um resistor limitador de corrente de 25Ω. Se o diodo tiver a característica I*V abaixo, qual a corrente na extremidade superior da linha de carga: a tensão na extremidade mais baixa da linha de carga? Quais os valores aproximados da tensão e da corrente no ponto Q? Ex. 1-8)Repita o exercício anterior para uma resistência de 50Ω. Descreva o que acontece com a linha de carga. Ex. 1-9)Repita o Ex. 1-7 para uma fonte de tensão de 1,5V. o que acontece com a linha de carga? Ex. 1-10)Um diodo de silício tem uma corrente direta de 50mA em 1V. Utilize a terceira aproximação para calcular sua resistência de corpo. Ex. 1-11)A tensão da fonte é de 9V e da resistência da fonte é de 1kΩ. Calcule a corrente através do diodo Ex. 1-12)No circuito acima, a tensão da fonte é de 100V e a resistência da fonte de 220Ω. Quais os diodos relacionados abaixo podem ser utilizados? Diodo Prof. Roberto A. Bertoli Vruptura IMÁX set-00 Colégio Técnico de Campinas 34 ELETRÔNICA 1N914 75V 200mA 1N4001 50V 1A 1N1185 120V 35A Ex. 1-13)E se eu inverter a polaridade da fonte? Ex. 1-14)No circuito acima qual deverá ser o valor de R para se obter uma corrente de diodo de 10mA? (suponha VS=5V) Ex. 1-15)Alguns sistemas como alarme contra roubo, computadores, etc. utilizam uma bateria auxiliar no caso da fonte de alimentação principal falhar. Descreva como funciona o circuito abaixo. 15v fonte carga 12V Ex. 1-16)Encontre a capacitância de um capacitor de placas paralelas se a dimensão de cada placa retangular é de 1x0,5 cm, a distância entre as placas é 0,1mm e o dielétrico é o ar. Depois, encontre a capacitância tendo a mica como dielétrico. εAr=8,85x10-12 F/m εmica=5xεar εVidro=7,5xεar εcerâmica=7500xεar Ex. 1-17)Encontre a distância entre as placas de um capacitor de 0,01µF de placas paralelas, se a área de cada placa é 0,07 m2 e o dielétrico é o vidro. Ex. 1-18)Um capacitor possui como dielétrico um disco feito de cerâmica com 0,5 cm de diâmetro e 0,521 mm de espessura. Esse disco é revestido dos dois lados com prata, sendo esse revestimento as placas. Encontre a capacitância. Ex. 1-19)Um capacitor de placas paralelas de 1 F possui um dielétrico de cerâmica de 1mm de espessura. Se as placas são quadradas, encontre o comprimento do lado de uma placa. Ex. 1-20)No instante t=0s, uma fonte de 100V é conectada a um circuito série formado por um resistor de 1kΩ e um capacitor de 2µF descarregado. Qual é: • A tensão inicial do capacitor? • A corrente inicial? • tempo necessário para o capacitor atingir a tensão de 63% do seu valor máximo? Ex. 1-21)Ao ser fechada, uma chave conecta um circuito série formado por uma fonte de 200V, um resistor de 2MΩ e um capacitor de 0,1µF descarregado. Encontre a tensão no capacitor e a corrente no instante t=0,1s após o fechamento da chave. Ex. 1-22)Para o circuito usado no problema 6, encontre o tempo necessário para a tensão no capacitor atingir 50V. Depois encontre o tempo necessário para a tensão no capacitor aumentar mais 50V (de 50V para 100V). Compare os resultados. Ex. 1-23)Um simples temporizador RC possui uma chave que quando fechada conecta em série uma fonte de 300V, um resistor de 16MΩ e um capacitor descarregado de 10µF. Encontre o tempo entre a abertura e o fechamento. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 35 Ex. 1-24)Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada, tem uma tensão de pico na saída de 25V. Se a resistência de carga for de 220Ω e a capacitância de 500µF, qual a ondulação de pico a pico (Ripple)? Ex. 1-25)A figura abaixo mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central aterrada, as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Quais as tensões de saída para uma tensão do secundário de 17,7Vac e C=500µF? Qual a ondulação de pico a pico? Quais as especificações mínima de ID e VZ ? qual a polaridade de C1 e C2? Ex. 1-26)Você mede 24Vac através dos secundário da figura abaixo. Em seguida você mede 21,6Vac através do resistor de carga. Sugira alguns problemas possíveis. Ex. 1-27)Você está construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada. As especificações são uma tensão de carga de 15V e uma ondulação de 1V para uma resistência de carga de 680Ω. Qual a tensão em rms no enrolamento do secundário? Qual deve ser o valor do capacitor de filtro? Ex. 1-28)A fonte de alimentação dividida da figura 1 tem uma tensão do secundário de 25Vac. Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 por cento para a ondulação. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 36 Ex. 1-29)A tensão do secundário na figura abaixo é de 25Vac. Com a chave na posição mostrada, qual a tensão de saída ideal? Com a chave na posição mais alta, qual a tensão de saída ideal? Ex. 1-30)O amperímetro da figura abaixo tem uma resistência de medidor de 2kΩ e uma corrente para fundo de escala de 50µA. Qual a tensão através desse amperímetro quando ele indicar fundo de escala? Os diodos às vezes são ligados em derivação (Shunted) através do amperímetro, como mostra a figura 4. Se o amperímetro estiver ligado em série com um circuito, os diodos podem ser de grande utilidade. Para que você acha que eles podem servir? Ex. 1-31)Dois reguladores zener estão ligados em cascata. O primeiro tem um Rs=680Ω e um Rz=10Ω. O segundo tem um Rs=1,2kΩ e Rz=6Ω. Se o Ripple da fonte for de 9V de pico a pico, qual Ripple na saída? Ex. 1-32)Na figura abaixo, o 1N1594 tem uma tensão de zener de 12V e uma resistência zener de 1,4Ω. Se você medir aproximadamente 20V para a tensão de carga, que componente você sugere que está com defeito? Explique por quê? Ex. 1-33)Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificações: tensão da carga é de 6,8V, tensão da fonte de 20V !20%, e corrente de carga é de 30mA !50%. Ex. 1-34) para VRL =4,7V e IZMAX=40mA. Quais valores VS pode assumir? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 37 Ex. 1-35)No exercício anterior qual a tensão na carga para cada uma das condições abaixo: • diodo zener em curto • diodo zener aberto • resistor em série aberto • resistor de carga em curto O que ocorre com VL e com o diodo zener se o resistor em série estiver em curto? Ex. 1-36)Qual o sinal de saída? Ex. 1-37)Qual o sinal sob VL? Ex. 1-38)Um regulador zener tem Vz = 15V e Izmax=100mA. VS pode variar de 22 a 40V. RL pode variar de 1kΩ a 50kΩ. Qual o maior valor que a resistência série pode assumir? Ex. 1-39)Um diodo zener tem uma resistência interna de 5Ω. Se a corrente variar de 10 a 20mA, qual a variação de tensão através do zener? Ex. 1-40)Uma variação de corrente de 2mA através do diodo zener produz uma variação de tensão de 15mV. Qual o valor da resistência? Ex. 1-41)Qual o valor mínimo de RS para o diodo não queimar (VZ=15V e PZMAX=0,5W)? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 38 Ex. 1-42)no exercício anterior, se RS= 2kΩ, qual a corrente sobre o zener, e qual a potência dissipada no zener? Ex. 1-43)Qual o valor de Iz para RL= 100k, 10k e 1kΩ? Ex. 1-44)No exercício anterior suponha que a fonte tenha um Ripple de 4V. Se a resistência zener for de 10Ω, qual o Ripple de saída? Ex. 1-45)Dois reguladores zener estão ligados em cascata. O primeiro tem uma resistência em série de 680Ω e um Rz=6Ω. O segundo tem uma resistência série de 1k2Ω e Rz=6Ω. Se a ondulação da fonte for 9V de pico a pico, qual a ondulação na saída? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 2 ELETRÔNICA 39 TRANSISTOR BIPOLAR Existe uma infinidade de sinais de interesse em eletrônica que são muitos fracos, como por exemplo, as correntes elétricas que circulam no corpo humano, o sinal de saída de uma cabeça de gravação, etc., e para transforma-los em sinais úteis torna-se necessário amplifica-los. Antes da década de 50, a válvula era o elemento principal nesta tarefa. Em 1951, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvido a partir da tecnologia utilizada no diodo de junção, como uma alternativa em relação as válvulas, para realizar as funções de amplificação, detecção, oscilação, comutação, etc. A partir daí o desenvolvimento da eletrônica foi imenso. Dentre todos os transistores, o bipolar é muito comum, com semelhanças ao diodo estudado anteriormente, com a diferença de o transistor ser formado por duas junções pn, enquanto o diodo por apenas uma junção. 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES O transistor bipolar é constituído por três materiais semicondutor dopado. Dois cristais tipo n e um tipo p ou dois cristais tipo p e um tipo n. O primeiro é chamado de transistor npn e o segundo de pnp. Na Figura 2-1 são mostrados de maneira esquemática os dois tipos: Figura 2-1 Cada um dos três cristais que compõe o transistor bipolar recebe o nome relativo a sua função. O cristal do centro recebe o nome de base, pois é comum aos outros dois cristais, é levemente dopado e muito fino. Um cristal da extremidade recebe o nome de emissor por emitir portadores de carga, é fortemente dopado e finalmente o último cristal tem o nome de coletor por receber os portadores de carga, tem uma dopagem média. Apesar de na Figura 2-1 não distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre si no tamanho e dopagem. O transistor tem duas junções, uma entre o emissor a base, e outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a dois diodos. O diodo da esquerda é comumente designado diodo emissor - base (ou só emissor) e o da direita de coletor - base (ou só coletor). Será analisado o funcionamento do transistor npn. A análise do transistor pnp é similar ao do npn, bastando levar em conta que os portadores majoritários do emissor são lacunas em vez dos elétrons livres. Na prática isto significa tensões e correntes invertidas se comparadas com o npn. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 40 TRANSISTOR NÃO POLARIZADO Figura 2-2 A difusão dos elétrons livres através da junção produz duas camadas de depleção. Cada camada tem aproximadamente uma barreira potencial de 0,7V (silício) em 25°C. Com os diferentes níveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleção tem larguras diferentes. Tanto maior a largura quanto menor a dopagem. Ela penetra pouco na região do emissor, bastante na base e médio na região do coletor. A Figura 2-2 mostra as camadas de depleção nas junções do transistor npn. POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN As junções do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamente. JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO DIRETA Na Figura 2-3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo emissor, e a bateria B2 polariza diretamente o diodo coletor. Os elétrons livres entram no emissor e no coletor, juntam-se na base e retornam para as baterias. O fluxo de corrente elétrica é alto nas duas junções. Figura 2-3 JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO REVERSA Na Figura 2-4 os diodos emissor e coletor ficam reversamente polarizado. A corrente elétrica circulando é pequena (corrente de fuga). Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 41 Figura 2-4 JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO DIRETA - REVERSA Na Figura 2-5 o diodo coletor está reversamente polarizado e diodo emissor diretamente polarizado. A princípio espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor e uma alta corrente no diodo emissor. No entanto isto não acontece, nos dois diodos as correntes são altas. Figura 2-5 No instante em que a polarização direta é aplicada ao diodo emissor, os elétrons do emissor ainda não penetraram na região da base. Se a tensão entre base e emissor (VBE) for maior que 0,7V, muitos elétrons do emissor penetram na região da base. Estes elétrons na base podem retornar ao pólo negativo da bateria B1, ou atravessar a junção do coletor passando a região do coletor. Os elétrons que a partir da base retornam a bateria B1 são chamados de corrente de recombinação. Ela é pequena porque a base é pouco dopada. Como a base é muito fina, grande parte dos elétrons da base passam a junção basecoletor. Esta junção, polarizada reversamente, dificulta a passagem dos portadores majoritários do cristal de base (lacunas) para o coletor, mas não dos elétrons livres. Esses atravessam sem dificuldade a camada de depleção penetram na região de coletor. Lá os elétrons livres são atraídos para o pólo positivo da bateria B2. Em suma, com a polarização direta do diodo emissor, é injetado uma alta corrente em direção a base. Na base uma pequena parcela da corrente, por recombinação, retorna ao pólo negativo da bateria B1 e o restante da corrente flui para o coletor e daí para o pólo positivo da bateria B2. Ver Figura 2-6. Obs. Considerar a tensão coletor - base (VCB) bem maior que a tensão emissor - base (VBE). Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 42 Figura 2-6 TRANSISTOR PNP No transistor pnp as regiões dopadas são contrárias as do transistor npn. Isso significa que as lacunas são portadores majoritários no emissor em vez dos elétrons livres. O funcionamento é como a seguir. O emissor injeta lacunas na base. A maior parte dessas lacunas circula para o coletor. Por essa razão a corrente de coletor é quase igual a do emissor. A corrente de base é muito menor que essas duas correntes. Qualquer circuito com transistor npn pode ser convertido para uso de transistor pnp. Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de alimentação, os diodos e capacitores polarizados. E o funcionamento será idêntico ao modelo npn. Considerando esta similaridade, neste curso os circuitos analisados são sempre os com transistores npn. AS CORRENTES NO TRANSISTOR Figura 2-7 A Figura 2-7 Figura 2-7 mostra o símbolo esquemático para um transistor pnp e npn. A diferenciação a nível de esquemático é feito através da seta no pino do emissor. A direção da seta mostra o fluxo de corrente convencional. Na figura é mostrado também o sentido das correntes convencionais IB , IC e IE . A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes num nó é igual a soma das que saem. Então: IE = IC + IB Eq. 2- 1 A relação entre a corrente contínua de coletor e a corrente contínua de base é chamada de ganho de corrente β CC : Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA β CC = IC IB 43 Eq. 2- 2 Em geral mais de 95% dos elétrons livres atingem o coletor, ou seja, a corrente de emissor é praticamente igual a corrente de coletor. O parâmetro αcc de um transistor indica a relação entre a corrente de emissor e coletor: α CC = IC IE Eq. 2- 3 Quanto mais fina e levemente dopada a base, mais alto o αcc. Pode-se relacionar o αcc com o β CC : !CC = !CC /(1 - !CC ) Eq. 2- 4 TESTE DE DIODOS E TRANSISTORES. Uma maneira simples é mostrada a seguir para se testar diodos e transistores utilizando um ohmímetro. Teste de funcionamento de um diodo com um ohmímetro. 1. Encosta-se a ponta de prova negativa no cátodo 2. Encosta-se a ponta de prova positiva no ânodo O ohmímetro deve indicar resistência baixa. 3. Inverte-se as pontas de provas, a resistência deve ser alta. Teste de funcionamento de um transistor npn com um ohmímetro 1. Encosta-se a ponta de prova negativa na base do transistor 2. Encosta-se a ponta de prova positiva no coletor do transistor O ohmímetro deve indicar resistência alta. 3. Muda-se a ponta de prova positiva para o emissor do transistor O ohmímetro deve indicar resistência alta. 4. Inverte-se as pontas de provas, isto é, encosta-se a positiva na base e repete os itens 2 e 3. As resistências devem ser baixas. Isto é válido para os multímetros digitais. Em geral, nos multímetros analógicos, a ponta de prova positiva está ligada ao pólo negativo da bateria. MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR Na Figura 2-8, o lado negativo de cada fonte de tensão está conectado ao emissor. Neste caso denomina-se o circuito como montado em emissor comum. Além da montagem em emissor comum, existem a montagem em coletor comum e base comum, analisadas mais a frente. O circuito é constituído por duas malhas. A malha da esquerda que contém a tensão VBE e malha da direita com a tensão VCE. Prof. Roberto A. Bertoli VS = R S I B + VBE Eq. 2- 5 VCC = I C R C + VCE Eq. 2- 6 set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 44 Figura 2-8 RELAÇÃO IB VERSUS VBE Existe uma relação entre IB e VBE, ou seja, para cada IB existe uma tensão VBE correspondente (Figura 2-9). Naturalmente, esta curva semelhante a curva do diodo. Figura 2-9 RELAÇÃO IC VERSUS VCE A partir de VCC e VS é possível obter diversos valores de IC e VCE . a Figura 2-10 mostra esta relação supondo um IB fixo. Figura 2-10 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 45 A parte inicial da curva é chamada de região de saturação. É toda a curva entre a origem e o joelho. A parte plana é chamada de região ativa. Nesta região uma variação do VCE não influencia no valor de IC. IC mantém-se constante e igual a IB β CC. A parte final é a região de ruptura e deve ser evitada. Na região de saturação o diodo coletor está polarizado diretamente. Por isso, perde-se o funcionamento convencional do transistor, passa a simular uma pequena resistência ôhmica entre o coletor e emissor. Na saturação não é possível manter a relação IC=IBβ CC. Para sair da região de saturação e entrar na região ativa, é necessário uma polarização reversa do diodo coletor. Como VBE na região ativa é em torno de 0,7V, isto requer um VCE maior que 1V. A região de corte é um caso especial na curva IC x VCE. É quando IB =0 (eqüivale ao terminal da base aberto). A corrente de coletor com terminal da base aberto é designada por ICEO (corrente de coletor para emissor com base aberta). Esta corrente é muito pequena, quase zero. Em geral se considera: Se IB=0 !IC =0. O gráfico da Figura 2-10, mostra a curva IC x VCE para um dado IB. Habitualmente o gráfico fornecido pelo fabricante leva em consideração diversos IB’s. Um exemplo está na Figura 2-11. Notar no gráfico que para um dado valor de VCE existem diversas possibilidades de valores para IC. Isto ocorre, porque é necessário ter o valor fixo de IB. Então para cada IB há uma curva relacionando IC e VCE. No gráfico de exemplo, a tensão de ruptura está em torno de 80V e na região ativa para um IB=40µA tem-se que o β CC=IC/IB = 8mA/40µA=200. Mesmo para outros valores de IB, o β CC se mantém constante na região ativa. Na realidade o β CC não é constante na região ativa, ele varia com a temperatura ambiente e mesmo com IC. A variação de β CC pode ser da ordem de 3:1 ao longo da região ativa do transistor. Na Figura 2-12 é mostrado um exemplo de variação de β CC. Os transistores operam na região ativa quando são usados como amplificadores. Sendo a corrente de coletor (saída) proporcional a corrente de base (entrada), designa-se os circuitos com transistores na região ativa de circuitos lineares. As regiões de corte e saturação, por simularem uma chave controlada pela corrente de base, são amplamente usados em circuitos digitais. Figura 2-11 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 46 Figura 2-12 O MODELO DE EBERS-MOLL Na análise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em trabalhar com o transistor a nível de malhas. Uma opção é a de se criar um circuito equivalente para o transistor usando componentes mais simples como fonte ou resistor. O modelo de Ebers-Moll é um circuito equivalente do transistor levando em consideração que ele esteja trabalhando na região ativa, ou seja: o diodo emissor deve estar polarizado diretamente; o diodo coletor deve estar polarizado reversamente e a tensão do diodo coletor deve ser menor do que a tensão de ruptura. Veja Figura 2-13. O modelo faz algumas simplificações: 1. VBE =0,7V 2. IC=IE !IB=IE/ !CC 3. despreza a diferença de potencial produzida pela corrente de base ao atravessar a resistência de espalhamento da base . Figura 2-13 Modelo Ebers-Moll Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 3 47 ELETRÔNICA POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES Um circuito transistorizado pode ter uma infinidade de funções e os transistores para cada função tem um ponto de funcionamento correto. Este capítulo estuda como estabelecer o ponto de operação ou quiescente de um transistor. Isto é, como polariza-lo. 3.1 RETA DE CARGA A Figura 3-1 mostra um circuito com polarização de base. O problema consiste em saber os valores de correntes e tensões nos diversos componentes. Uma opção é o uso da reta de carga. Figura 3-1 a conceito de reta de carga estudado no capítulo sobre diodos, também se aplica a transistores. usa-se a reta de carga em transistores para obter a corrente IC e VCE considerando a existência de um RC. A análise da malha esquerda fornece a corrente IC: IC = (VCC - VCE )/ RC Eq. 3- 1 Nesta equação existem duas incógnitas, IC e VCE. A solução deste impasse é utilizar o gráfico IC x VCE. Com o gráfico em mãos, basta Calcular os extremos da reta de carga: VCE = 0 !IC = VCC / RC ponto superior Eq. 3- 2 IC = 0 !VCE = VCC ponto inferior Eq. 3- 3 A partir da reta de carga e definido uma corrente IB chega-se aos valores de IC e VCE. Exemplo 3-1 No circuito da Figura 3-1 suponha RB= 500Ω Construa a linha de carga no gráfico da Figura 3-2 e meça IC e VCE de operação. SOL.: Os dois pontos da reta de carga são: VCE = 0 !IC = VCC / RC (15 )/1k5 = 10mA ponto superior IC = 0 !VCE = VCC = 15V ponto inferior O corrente de base é a mesma que atravessa o resistor RB: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA IB = 48 15 − 0,7 = 29µA 500K Figura 3-2 Após traçar a reta de carga na curva do transistor chega-se aos valores de IC =6mA e VCE=5,5V. Este é o ponto de operação do circuito (ponto Q- ponto quiescente). O ponto Q varia conforme o valor de IB. um aumento no IB aproxima o transistor para a região de saturação, e uma diminuição de IB leva o transistor região de corte. Ver Figura 3-3 O ponto onde a reta de carga intercepta a curva IB =0 é conhecido como corte. Nesse ponto a corrente de base é zero e corrente do coletor é muito pequena (ICEO ). A interseção da reta de carga e a curva IB= IB(SAT) é chamada saturação. Nesse ponto a corrente de coletor é máxima. Figura 3-3 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 3.2 ELETRÔNICA 49 O TRANSISTOR COMO CHAVE A forma mais simples de se usar um transistor é como uma chave, significando uma operação na saturação ou no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta de carga. Quando o transistor está saturado, é como se houvesse uma chave fechada do coletor para o emissor. Quando o transistor está cortado, é como uma chave aberta. CORRENTE DE BASE A corrente de base controla a posição da chave. Se IB for zero, a corrente de coletor é próxima de zero e o transistor está em corte. Se IB for IB(SAT) ou maior, a corrente de coletor é máxima e o transistor satura. Saturação fraca significa que o transistor está levemente saturado, isto é, a corrente de base é apenas suficiente para operar o transistor na extremidade superior da reta de carga. Não é aconselhável a produção em massa de saturação fraca devido à variação de β CC e em IB(SAT). Saturação forte significa dispor de corrente da base suficiente para saturar o transistor para todas as variações de valores de β CC. No pior caso de temperatura e corrente, a maioria dos transistores de silício de pequeno sinal tem um β CC maior do que 10. Portanto, uma boa orientação de projeto para a saturação forte é de considerar um β CC(SAT)=10, ou seja, dispor de uma corrente de base que seja de aproximadamente um décimo do valor saturado da corrente de coletor. Exemplo 3-2 A Figura 3-4 mostra um circuito de chaveamento com transistor acionado por uma tensão em degrau. Qual a tensão de saída? SOL.: Quando a tensão de entrada for zero, o transistor está em corte. Neste caso, ele se comporta como uma chave aberta. Sem corrente pelo resistor de coletor, a tensão de saída iguala-se a +5V. Figura 3-4 Quando a tensão de entrada for de +5V, a corrente de base será: IB = 5 − 0,7 = 1,43mA 3K Supondo o transistor com um curto entre coletor e o emissor (totalmente saturado). A tensão de saída vai a zero e a corrente de saturação será: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA I C (SAT ) = 50 5 = 15,2mA 330 Isto é aproximadamente 10 vezes o valor da corrente de base, ou seja, certamente há uma saturação forte no circuito. No circuito analisado, uma tensão de entrada de 0V produz uma saída de 5V e uma tensão de entrada de 5V, uma saída de 0V. Em circuitos digitais este circuito é chamado de porta inversora e tem a representação abaixo: Exemplo 3-3 Recalcule os resistores RB e RC no circuito da Figura 3-4 para um IC=10mA. SOL.: Cálculo de IB Se IC =10mA ! IB (sat) = IC /β CC(SAT) = 10m /10 = 1,0mA Cálculo de RC ao considerar o transistor saturado, o VCE de saturação é próximo de zero. RC = VCC / IC = 5 /10mA = 500Ω Cálculo de RB RB = VE - VBE / IB = 5 - 0.7 / 1mA = 4k3Ω 3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE A Figura 3-5 mostra um transistor como fonte de corrente. Ele tem um resistor de emissor RE entre o emissor e o ponto comum. A corrente de emissor circula por esse resistor produzindo uma queda de tensão de IE RE. Figura 3-5 A soma das tensões da malha de entrada da é: VBE + IE RE - VS = 0 logo, IE IE = Prof. Roberto A. Bertoli VS − VBE RE set-00 Colégio Técnico de Campinas 51 ELETRÔNICA Como VBE, VS, e RE são aproximadamente constantes, a corrente no emissor é constante. Independe de β CC, RC ou da corrente de base. 3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM Fontes de alimentação e resistores polarizam um transistor, isto é, eles estabelecem valores específicos de tensões e correntes nos seus terminais, determinando, portanto, um ponto de operação no modo ativo (o ponto de operação). A Figura 3-6 mostra o circuito de polarização por base já estudado anteriormente, a principal desvantagem dele é a sua susceptibilidade à variação do β CC. Em circuitos digitais, com o uso de β CC(SAT), isto não é problema. Mas em circuitos que trabalham na região ativa, o ponto de operação varia sensivelmente com o β CC. Pois: IC = β CC ∗ IB . Figura 3-6 POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO O circuito mais usado em amplificadores é chamado de polarização por divisor de tensão. A Figura 3-7 mostra o circuito. A principal evolução do circuito em relação ao polarização por base é de fixar uma tensão na base, via os resistores R1 e R2. O valor de I deve ser bem maior que IB para a corrente IB não influenciar na tensão sob R2. Como regra prática, considerar a corrente I 20 vezes maior que IB. Para a análise da tensão em VR2, observar que R1 e R2 formam um divisor de tensão. Supondo I>> IB: VR 2 = R2 VCC R1 + R 2 Eq. 3- 4 Figura 3-7 * a tensão VR2 não depende de β CC Com o valor de VR2 é simples o cálculo de IE. Deve-se olhar a malha de entrada: VR 2 = VBE + VE Eq. 3- 5 VR 2 − VBE RE Eq. 3- 6 como VE = IE RE IE = Análise da malha de saída: VCC = R C I C + VCE + R E I E considerando IE = IC Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 52 ELETRÔNICA VCC = I C (R C + R E ) + VCE IC = Eq. 3- 7 VCC − VCE R C + RE Eq. 3- 8 Notar que β CC não aparece na fórmula para a corrente de coletor. Isto quer dizer que o circuito é imune a variações em β CC, o que implica um ponto de operação estável. Por isso a polarização por divisor de tensão é amplamente utilizada. Exemplo 3-4 Encontre o VB, VE, VCE e IE para o circuito da Figura 3-8. SOL.: Cálculo de VR2 a partir da Eq. 3-4 VB = VR 2 = 1K 30 = 3,85V 6K8 + 1K Cálculo de IE a partir da Eq. 3-6 IE = 3,85 − 0,7 = 4,2mA 750 cálculo de VE VE = IE RE = 4,2m*750= 3,15V cálculo de VCE a partir da Eq. 3-7 VCE = 30- 4,2m*(3k+750)=14,3V REGRAS DE PROJETO Sempre ao polarizar um transistor, deseja-se manter o ponto Q de operação fixo independente de outros parâmetros externos. ou seja, espera-se um divisor de tensão estabilizado. Para minimizar o efeito do β CC, considerar: R 2 ≤ 0,01β CC R E Eq. 3- 9 onde o valor de β CC é o do pior caso, ou seja, o menor β CC que o transistor pode ter. O defeito desta regra, é o fato de um baixo R2 influenciar negativamente na impedância de entrada. Então como opção podese considerar R 2 ≤ 0,1β CC R E Eq. 3- 10 assim R2 será maior, mas com possibilidade de degradação na Figura 3-8 estabilidade do ponto Q. Quando se segue a regra da Eq. 3-10 designa-se o circuito de polarização por divisor tensão firme e quando se segue a regra da Eq. 3-9 é polarização por divisor de tensão estabilizado. Na escolha do ponto de operação da curva IC x VCE, deve-se dar preferência a um ponto central, isto é, VCE =0,5 VCC ou IC =0,5 IC(SAT). De forma que o sinal possa excursionar ao máximo tanto com o aumento de IB quanto com a diminuição. Por último, aplicar a regra de VE ser um decimo de VCC. VE = 0,1 VCC Eq. 3- 11 Exemplo 3-5 Polarizar um transistor por divisão de tensão firme. Dados: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 53 ELETRÔNICA VCC= 10V, IC= 10mA e β CC= 100 SOL.: Cálculo de RE aplicando a regra da Eq. 3-11 VE= 0,1*10=1V I E= IC RE= VE/ IE = 100Ω cálculo de RC a partir da Eq. 3-8 e VCE= 0,5 VCC RC = 10 − 5 − 100 = 400Ω 10m cálculo de R2 a partir da Eq. 3-10 R 2 ≤ 0,1 * 100 * 100 = 1000 R2 = 1000Ω cálculo de R1 Eq. 3-4 VR 2 = R2 1000 VCC = 1,0 + 0,7 = * 10 R1 + R 2 1000 + R 1 R1 = 4888=4k7Ω 3.5 EXERCÍCIOS Ex. 3-1) No circuito da figura abaixo, encontre as tensões VE e VCE de cada estágio. Ex. 3-2) Projete um circuito de polarização por divisor de tensão com as seguintes especificações: VCC = 20V, IC = 5mA, 80< β CC < 400. Considere VE = 0,1 VCC e VCE = VCC /2 Ex. 3-3) O transistor da figura abaixo tem um β CC =80. • Qual a tensão entre o coletor e o terra? • Desenhe a linha de carga. • Para β CC = 125, calcule a tensão na base, a tensão no emissor e a tensão de coletor. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 54 ELETRÔNICA Ex. 3-4) Qual a tensão do emissor e do coletor (os dois em relação ao terra) para cada estágio do circuito abaixo, sendo VCC = 10V. Ex. 3-5) No exercício anterior, suponha VCC = 20V e calcule de cada estágio: VB, VE, VC e IC . Ex. 3-6) Ainda em relação ao exercício 4. Considere VCC =20V. Indique o que ocorre com a tensão do coletor Q1 (aumenta, diminui, não altera) se: • 1k8 aberto • coletor emissor do Q1 em curto • 240 aberto • 240 em curto • 300 em curto • 1k aberto • 910 aberto Indique o que ocorre com a tensão do coletor Q1 (aumenta, diminui, não altera) se: 1k aberto 180 aberto 620 aberto coletor emissor de Q3 em curto 150 aberto Prof. Roberto A. Bertoli 1k em curto 180 em curto 620 em curto coletor emissor de Q3 aberto 150 em curto set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 4 AMPLIFICADORES DE SINAL 4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM 55 No capítulo anterior foi estudado a polarização dos transistores. Neste capítulo considerase os transistores devidamente polarizados com seus pontos de operação próximos a meio da reta de carga para uma máxima excursão do sinal de entrada sem distorção. Ao injetar um pequeno sinal ca à base do transistor, ele se somara a tensões cc de polarização e induzirá flutuações na corrente de coletor de mesma forma e freqüência. Ele será chamado de amplificador linear (ou de alta-fidelidade - Hi-Fi) se não mudar a forma do sinal na saída. Desde que a amplitude do sinal de entrada seja pequena, o transistor usará somente uma pequena parte da reta de carga e a operação será linear. Por outro lado se o sinal de entrada for muito grande, as flutuações ao longo da reta de carga levarão o transistor à saturação e ao corte Um circuito amplificador é mostrado na Figura 4-2. A polarização é por divisor de Figura 4-1 tensão. A entrada do sinal é acoplada à base do transistor via o capacitor C1 e a saída do sinal é acoplada à carga RL através do capacitor C2. O capacitor funciona como uma chave aberta para corrente cc e como chave fechada para a corrente alternada. Esta ação permite obter um sinal ca de uma estágio para outro sem perturbar a polarização cc de cada estágio. Figura 4-2 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 56 ELETRÔNICA CAPACITOR DE ACOPLAMENTO O capacitor de acoplamento faz a passagem de um sinal ca de um ponto a outro, sem perda significativa do sinal. Por exemplo na Figura 4-3 a tensão ca no ponto A é transmitida ao ponto B. Para não haver atenuação apreciável do sinal, a capacitância reativa XC, comparada com a resistência em série (RTH e RL ), precisa ser bem menor. Quanto menor a reatância capacitiva, melhor será o acoplamento, naturalmente não é possível uma reatância nula. Se a reatância for no máximo 10% da resistência total tem-se um acoplamento estabilizado. A fórmula da reatância capacitiva é: XC = 1 2πfC Figura 4-3 Eq. 4- 1 Na Eq. 4-1, há duas incógnitas, a freqüência e a capacitância. Num amplificador existe um faixa de freqüências de operação, a escolha deve recair para o pior caso, ou seja, a menor freqüência do sinal. A resistência total (R) é a soma de RL e RTH. Para um acoplamento estabilizado X C ≤ 0,1R . então a capacitância será: C≥ 1 0,2πf MENOR R Eq. 4- 2 Exemplo 4-1 Suponha o projeto de um estágio com transistor na faixa de áudio, 20 Hz a 20kHz. O sinal de entrada entra no estágio via capacitor de acoplamento. Qual o valor mínimo para o capacitor se ele perceber uma resistência total de 10 kΩ? SOL.: Cálculo do XC ! X C ≤ 0,1R =0,1*1000=100 A escolha da freqüência recai sobre a de menor valor f=20Hz. C≥ 1 = 79,9µF ! A capacitância deve ser igual ou maior que 79,9µF 0,2 * π * 20 * 1000 CAPACITOR DE DESVIO Um capacitor de desvio é semelhante a um capacitor de acoplamento, exceto que ele acopla um ponto qualquer a um ponto aterrado, como mostra a Figura 44. O capacitor funciona idealmente como um curto para um sinal ca. O ponto A está em curto com o terra no que se refere ao sinal ca. O ponto A designado de terra ca. Um capacitor de desvio não perturba a tensão cc no ponto A porque ele fica aberto para corrente cc. O capacitor C3 da Figura 4-2 é um exemplo de capacitor de desvio. A sua função no circuito é a de aterrar o emissor para sinais ca e não interferir na polarização cc. Figura 4-4 A menos que se diga o contrário, todos os capacitores de acoplamento e desvio são considerados estabilizados e segue a regra XC <= 0,1R. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 57 TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES Num amplificador transistorizado, a fonte cc estabelece correntes e tensões quiescentes. A fonte ca produz então, flutuações nessas correntes e tensões. O jeito mais simples de análise do circuito é dividindo a análise em duas partes: uma análise cc e uma análise ca. Em outras palavras, aplica-se o teorema da superposição. O teorema da superposição diz que se pode calcular os efeitos produzidos no diversos pontos de um circuito para cada fonte de alimentação funcionando sozinha. O efeito total será a soma de cada efeito individual. CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC. O circuito da Figura 4-2 tem duas fontes de alimentação (VCC e VS). Cria-se o circuito devido a fonte cc denominado equivalente cc. E depois o circuito devido a fonte ca denominado equivalente ca. EQUIVALENTE CC Análise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. Somente correntes cc atuam neste caso e, portanto, os capacitores são desprezados. Seqüência: • Reduzir a fonte ca a zero (considerar a fonte VS em curto). • Abrir todos os capacitores. A Figura 4-5 mostra o circuito equivalente cc. Figura 4-5 EQUIVALENTE CA Análise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte VCC. Somente correntes ca atuam neste caso e, portanto, os capacitores são considerados em curto. Seqüência: • Reduzir a fonte cc a zero (considerar a fonte VCC em curto). • Todos os capacitores em curto. A Figura 4-6 mostra o circuito equivalente ca. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 58 Figura 4-6 A corrente total em qualquer ramo é a soma das correntes cc e ca. Igualmente a tensão total em qualquer ponto é soma das tensões cc e ca. NOTAÇÃO A partir daqui, é conveniente distinguir os sinais contínuos dos alternados. Para isto as variáveis com suas letras e índices passam a ter a seguinte convenção: letra e índices maiúsculos para as quantidades cc.! IC, VE, VCC. Letras e índices minúsculos para as quantidades ca.! ic, ve, vs. Sinal negativo para indicar tensões ou correntes senoidais 180° fora de fase. Figura 4-7 Figura 4-7 RESISTÊNCIA CA DO DIODO EMISSOR Ao polarizar corretamente o transistor, o modelo Ebers-Moll é uma alternativa boa e simples de representação do transistor. Até agora, o VBE foi aproximado para 0,7V. O modelo continua válido para pequenos sinais alternados, com uma alteração no diodo emissor. A Figura 4-8 mostra a curva do diodo relacionando IE e VBE. Na ausência de um sinal ca o transistor funciona no ponto Q, geralmente localizado no meio da linha de carga cc. Quando um sinal ca aciona o transistor, entretanto, a corrente e a tensão do emissor variam. Se o sinal for pequeno, o ponto de funcionamento oscilará senoidalmente de Q a pico positivo de corrente em A e, a seguir, para um pico negativo em B, e de volta para Q, onde o ciclo se repete. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 59 Figura 4-8 Um sinal é considerado pequeno quando a oscilação de pico a pico na corrente do emissor (ie) for menor do que 10% do valor da corrente quiescente do emissor (IE ). Se o sinal for pequeno, os picos A e B serão próximos de Q, e o funcionamento é aproximadamente linear. O arco A e B é quase uma linha reta. Logo, o diodo emissor para pequenos sinais ca se apresenta como uma resistência, chamada de resistência ca do emissor e pela lei de Ohm: re' = ∆VBE ∆I E Eq. 4- 3 onde: r’e = resistência ca do emissor ∆VBE pequena variação na tensão de base-emissor ∆IE variação correspondente na corrente do emissor. ∆VBE e ∆IE, na verdade são, respectivamente, uma tensão e uma corrente alternada. Rescrevendo: re' = v be ie Eq. 4- 4 vbe = tensão ca através dos terminais da base-emissor ie = corrente ca através do emissor. A Figura 4-9 mostra o modelo ca Ebers-Moll. Neste modelo, o diodo base-emissor é substituído pela resistência ca do emissor. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 60 ELETRÔNICA Figura 4-9 Uma outra maneira de se conseguir o valore de r’e é através da seguinte fórmula: re′ = 25mV IE Eq. 4- 5 Obs.: r’e depende só de IE de polarização. βCA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA A Figura 4-10 mostra a curva IC x IB. β CC é a razão entre a corrente de coletor e a corrente de base. Como o gráfico não é linear, β CC depende do valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamado de β ca ou simplesmente β) é a relação entre a variação da corrente de coletor e a variação da corrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q. β= ∆I C i c = ∆I B i b Eq. 4- 6 Graficamente β é a inclinação da curva no ponto Q. Ele pode assumir diversos valores dependendo da posição Q. 4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO A Figura 4-11mostra um circuito com um capacitor de desvio ligado ao emissor. O capacitor aterra o emissor em termos de ca. A fonte vs injeta uma pequena onda senoidal à base do transistor através do capacitor de acoplamento. Esta onda faz variar a tensão de vbe e pela curva da Figura 4-8 induz uma variação no ie. Como a corrente de coletor é praticamente igual a corrente de emissor, há uma queda de tensão proporcional no RC. Sendo mais preciso, um pequeno aumento na tensão vs, aumenta a tensão de baseemissor, que por sua vez aumenta a corrente ie, como ic é igual a ic, há uma queda de tensão nos terminais do RC o que culmina com uma queda de tensão de vce. Em suma uma variação positiva de vs produz uma variação negativa em vce, isto significa que os sinais de entrada e saída estão defasados de 180º. Veja a Figura 4-12. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 61 Figura 4-10 Figura 4-11 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 62 Figura 4-12 GANHO D E TENSÃO O ganho de tensão é : AV = v saída v entrada Eq. 4- 7 Figura 4-13 A Figura 4-13 mostra o circuito equivalente ca para amplificador da Figura 4-11, o resistor do coletor RC e R1 tem um dos lados aterrado, porque a fonte de tensão VCC aparece como um curto em ca. Por causa do circuito paralelo na entrada, a tensão vs aparece diretamente sobre diodo emissor. Na Figura 4-14 o mesmo circuito ao considerar o modelo Ebers-Moll. A tensão de entrada aparece com uma polaridade mais - menos para indicar o semiciclo positivo. A lei de Ohm aplicada em r’e: ie = Prof. Roberto A. Bertoli vs re' Eq. 4- 8 set-00 Colégio Técnico de Campinas 63 ELETRÔNICA Figura 4-14 na Figura 4-14, a malha do lado direito tem dois resistores em paralelo RC e RL. O resistor equivalente é: rC = RL // RC na malha do lado direito a tensão de saída é a tensão sobre o resistor equivalente rC. v saída = −i c rC Eq. 4- 9 então o ganho AV = v saída −i r = c 'C v entrada i e re Eq. 4- 10 como a corrente do coletor é aproximadamente igual a corrente do emissor AV = − 4.3 rC re' Eq. 4- 11 REALIMENTAÇÃO Quando uma parte do sinal de saída de um circuito é aplicado de volta á entrada do mesmo, dizemos que houve uma realimentação no circuito. Quando o sinal aplicado novamente à entrada do circuito possui a mesma fase que o sinal existente na entrada, este processo é designado como realimentação positiva. Por outro lado, se o sinal reaplicado na entrada tiver fase oposta ao sinal já existente na entrada, o nome dado é realimentação negativa. A realimentação negativa é mais aplicada nos amplificadores e, a realimentação positiva, na maioria dos circuitos osciladores. A realimentação negativa em amplificadores tem como desvantagem a diminuição do ganho, dado que ela subtrai parcialmente a tensão de entrada. A sua grande vantagem é estabilização do circuito. O próximo item analisa um circuito com realimentação negativa, observando a questão do ganho e da estabilidade. 4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL No amplificador de emissor comum a tensão de saída é inversamente proporcional a r’e. E o valor de r’e depende do ponto de operação. Isto é um problema para a tensão de saída, pois, ela se torna susceptível as variações de temperatura e troca de transistor. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 64 ELETRÔNICA Naturalmente nos amplificadores com controle de volume (tensão de entrada), o problema é contornável. Mas nem todos o amplificadores tem este controle. Uma opção para estabilizar o ganho de tensão é deixar uma certa resistência de emissor sem ser desviada. Esse resistor não desviado recebe o nome de resistor de realimentação porque ele produz uma realimentação negativa. Veja Figura 4-15. Figura 4-15 v s = v be + v R E1 r’e A corrente ca do emissor deve circular através do resistor RE1 antes de passar pelo capacitor de desvio e pelo ponto de aterramento. Sem o resistor de realimentação o diodo emissor recebe toda a tensão ca de entrada (como mostrado na Eq. 4-8). No entanto com a inclusão do RE1, a tensão ca aparece no diodo e no RE1. Ou seja: ou v be = v s − v R E1 Quando a tensão de entrada aumenta, a tensão no emissor aumenta. Isso implica que a tensão de realimentação está em fase com a tensão ca de entrada. Como resultado, a tensão ca no diodo emissor é menor que antes. A realimentação é negativa porque a tensão de realimentação diminui a tensão ca no diodo emissor e portanto a corrente ie. Figura 4-16 Na Figura 4-16 está o equivalente ca do amplificador com realimentação parcial. a equação da corrente de emissor é: Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 65 ELETRÔNICA ie = vs r + R E1 ' e a tensão de saída é o mesmo que da Eq. 4-9: v saída = −i c rC considerando ic=ie AV = v saída −i r r = c 'C = − ' C v entrada i e re re + R E1 Eq. 4- 12 Em geral o valor de RE1 é bem maior que o de r’e e o ganho de tensão passa a não ser influenciado pelas variações de r’e. Em contrapartida, quanto maior o RE1 menor será o ganho de tensão. Em suma, existe um compromisso entre a estabilidade do ganho de tensão e o valor do ganho. IMPEDÂNCIA DE ENTRADA No circuito da Figura 4-15 a tensão de entrada é aplicada diretamente na base do transistor. No entanto, na maioria das aplicações a fonte vs tem uma resistência em série como mostrado na Figura 4-17. Figura 4-17 Para uma análise mais detalhada do comportamento ca, deve-se primeiro criar o equivalente ca como mostrado na Figura 4-18. No circuito equivalente, pode-se ver um divisor de tensão do lado da entrada do transistor. Isso significa que a tensão ca na base será menor que a tensão vs. O divisor de tensão é formado pelo resistor RS e os resistores R1 //R2. Mas como na base do transistor entra uma corrente ib, ela deve ser considerada. A resistência ca vista da base é conhecida como impedância de entrada da base. Abaixo de 100kHz basta considerar os Prof. Roberto A. Bertoli Figura 4-18 set-00 Colégio Técnico de Campinas 66 ELETRÔNICA elementos puramente resistivos. A impedância de entrada da base é a razão entre a tensão aplicada na base (vb) e a corrente ib. z base = vb ib Eq. 4- 13 Para descobrir a impedância da base é melhor aplicar o modelo de Ebers-Moll no circuito da Figura 4-18. Figura 4-19 através do circuito é possível saber o valor vb em função de r’e. vb=ier’e e a partir da Eq. 4-13: z base = v b i e re' i bβ re' = = = β re' ib ib ib Eq. 4- 14 a impedância de entrada do estágio (zent) é a resultante do paralelo de R1, R2 e zbase. z ent = R 1 // R 2 // z base = R 1 // R 2 // β re' Eq. 4- 15 A tensão ca na base é o divisor de tensão RS com a impedância de entrada do estágio vb = z ent vs R S + z ent Eq. 4- 16 No amplificador com realimentação parcial, aplica-se a mesma regra, a única diferença é a impedância de entrada da base. Ela será: z base = β(re' + R E1 ) Eq. 4- 17 ESTÁGIOS EM CASCATA Para obter um maior ganho de tensão na saída de um amplificador, é usual conectar dois ou mais estágios em série, como mostra a Figura 4-20. Este circuito é chamado de estágios em cascata, porque conecta a saída do primeiro transistor à base do seguinte. Abaixo uma seqüência de valores a serem calculados para análise de um amplificador de dois estágios: 1. a impedância de entrada do 2° estágio. 2. A resistência ca do coletor do 1° estágio. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 67 ELETRÔNICA 3. O ganho de tensão do 1º estágio. 4. A tensão de entrada do 1° estágio 5. O ganho de tensão de 2° estágio. 6. O ganho de tensão total. Figura 4-20 A polarização cc é analisada individualmente, os capacitores de acoplamento isolam os dois estágios entre si e também da entrada vs e saída RL (o resistor de carga pode, por exemplo, estar representando um terceiro estágio). Os dois estágios são idênticos para polarização cc. VB= 1,8V VE= 1,1V IE= 1,1mA VC= 6,04V ’ com o valor de IE, tem-se r e : ’ r e = 25mV/ IE= 22,7Ω ANÁLISE DO PRIMEIRO ESTÁGIO O equivalente ca é mostrado na Figura 4-21: O segundo estágio age como uma resistência de carga sobre o primeiro. O valor desta carga é a impedância de entrada do segundo estágio zentb. Supondo β = 100: Figura 4-21 z entb = R 1A // R 2 A // β re' = 10k // 2k 2 // 100 * 22,7 = 1kΩ na Figura 4-21, RC está em paralelo com zentb: rc=RC//zentb=3,6k//1k=783Ω o ganho de saída do primeiro estágio é Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 68 AV=-783/22,7=-34,5 O primeiro e segundo estágios tem a mesma impedância de entrada vb = 1k * 1m = 0,625mVpp 1k + 600 logo a tensão ca de saída do primeiro estágio é vc=-34,5*o,625=-21,6mVpp ANÁLISE DO SEGUNDO ESTÁGIO O equivalente ca para o segundo estágio é mostrado na Figura 4-22: Figura 4-22 Por causa do capacitor de acoplamento entre os dois estágios, a tensão ca na base do segundo é igual a -21,6mVpp. O segundo estágio tem um ganho de tensão de AV=-2,65k/22,7=-117 por fim, a tensão de saída é vsaída=-117*-21,6=2,53Vpp. GANHO DE TENSÃO TOTAL O ganho de tensão total é a razão entre a tensão de saída do segundo estágio pela tensão de entrada: AVT = vsaída 2° est./ventrada 1° est.=2,53/0,625m=4048 ou seja, o ganho de tensão total é AVT= AV1AV2 4.5 Eq. 4- 18 AMPLIFICADOR BASE COMUM A Figura 4-23 mostra um amplificador em base comum (BC), a base é ligada ao referencial comum (terra). O ponto Q é dado pela polarização do emissor. Portanto a corrente cc do emissor é dada por IE = Prof. Roberto A. Bertoli VEE − VBE RE Eq. 4- 19 set-00 Colégio Técnico de Campinas 69 ELETRÔNICA O sinal de entrada aciona o emissor e a tensão de saída é tomada do coletor. A impedância de entrada de um amplificador BC é aproximadamente igual a z ent ≅ re' Eq. 4- 20 v saída = i c R C Eq. 4- 21 a tensão de saída é Ela está em fase com a entrada. Como a tensão de entrada é igual a v ent = i e re' O ganho de tensão é AV = icR C i e re' Eq. 4- 22 O ganho de tensão é o mesmo que do amplificador emissor comum sem realimentação parcial, apenas a fase é diferente. Idealmente a fonte de corrente tem uma impedância infinita, e então, a impedância de saída de um amplificador BC é z saída = R C Eq. 4- 23 Uma das razões para o não uso do amplificador BC quanto o EC é sua baixa impedância de entrada. A fonte ca que aciona o amplificador BC vê como impedância de entrada z entrada = re' Eq. 4- 24 que pode ter um valor bem baixo, em função de IE. Figura 4-23 A impedância de entrada de um amplificador BC é tão baixa que ela sobrecarrega quase todas as fontes de sinais. Por isso, um amplificador BC discreto não é muito utilizado em baixas freqüências. Seu uso é viável principalmente para freqüências acima de 10MHz, onde as fontes de baixa impedância são comuns. Exemplo 4-2 Qual a tensão de saída ca da Figura 4-24. RE=20kΩ e RC=10kΩ. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 70 Figura 4-24 SOL.: A corrente cc no emissor IE = 10 − 0,7 = 0,465mA 20k e a resistência ca do emissor é de r’e = 25m/0,465m=53,8Ω a impedância de entrada ZENT=53,8Ω o ganho de tensão levando a carga em consideração é AV = 10K // 5,1K = 62,8 53,8 A tensão de entrada no emissor é v ent = 53,8 1m = 0,518mV 50 + 53,8 portanto a tensão na saída é v saída = A V v ent = 62,8 * 0,518m = 32,5mV 4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM Ao se conectar uma resistência de carga em um amplificador EC, o ganho de tensão diminuí. Quanto menor a resistência de carga, maior a queda do ganho. Esse problema é chamado de sobrecarga. Uma forma de evitar a sobrecarga é usar um amplificador cc (coletor comum), também conhecido como seguidor de emissor. O seguidor de emissor é colocado entre a saída do amplificador EC e a resistência de carga. A Figura 4-25 mostra um seguidor de emissor. Como o coletor está no terra para ca, ele é um amplificador coletor comum (CC). O gerador de sinal está acoplado à base do transistor por meio de um capacitor de acoplamento. primeiramente a análise cc para descobrir o valor da corrente de coletor a malha externa é VCC = VCE + I E R E Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 71 Figura 4-25 isolando a corrente de emissor IE = VCC − VCE RE Eq. 4- 25 a Figura 4-26 mostra o circuito ca para o seguidor de emissor Figura 4-26 o ganho de tensão é dado por AV = v saída i e rE r = = E ' ' v ent i e (rE + re ) rE + re Eq. 4- 26 geralmente rE>> r’e. Então AV ≅ 1 Eq. 4- 27 o uso da Eq. 4-26 ou da Eq. 4-27 depende da precisão desejada no circuito. IMPEDÂNCIA DE ENTRADA Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 72 como visto antes, a base se comporta como uma resistência equivalente de z ent ( base ) = vb ib Eq. 4- 28 do equivalente ca a corrente de emissor ca é ie = vb re + re' a resistência rE é o equivalente do paralelo RE com RL. Isolando vb ( v b = i e re + re' ) Eq. 4- 29 inserindo a Eq. 4-29 na Eq. 4-28 z ent ( base ) = i e (re + re' ) ib a razão entre a corrente de coletor e a de base é aproximadamente igual β z ent ( base ) = β(rE + re' ) Eq. 4- 30 a impedância de entrada do amplificador é o paralelo de R1, R2 e impedância de entrada da base z ent = R 1 // R 2 // β(rE + re' ) como β(r’e +rE)>>R1, R2 então:: z ent = R 1 // R 2 Eq. 4- 31 com base na Eq. 4-27 a tensão de emissor segue a tensão na base, sem amplificar. Ou seja a tensão de saída é igual a de entrada. A vantagem de montagem é o fato de ter uma alta impedância de entrada se comparada com emissor comum. TRANSISTOR DARLINGTON Figura 4-27 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 73 Um caso especial de amplificador coletor comum é a conexão Darlington. Ela consiste na ligação em cascata de dois seguidores de emissor, como mostra a Figura 4-27. A corrente da base do segundo transistor vem do emissor do primeiro transistor. Portanto, o ganho de corrente entre a primeira base e o segundo emissor é β =β1 β2 Eq. 4- 32 A principal vantagem da conexão Darlington é a alta impedância de entrada olhando para a base do primeiro transistor. E é zent(base)= β RE Eq. 4- 33 Os fabricantes podem colocar dois transistores montados em coletor comum em um mesmo encapsulamento. Esse dispositivo de três terminais como mostrado no lado direito da Figura 4-27 é conhecido como transistor Darlington, opera com como um único transistor com um β CC entre 1.000 e 20.000. ele pode ser tratado como um transistor comum exceto pelo valor de β e também pelo valor de VBE que passa a ser a soma dos dois VBE’s. Ou seja, aproximadamente igual a 1,4V. 4.7 EXERCÍCIOS Ex. 4-1) A fonte ca da figura abaixo pode ter uma freqüência entre 100Hz e 200Hz. Para ter um acoplamento estabilizado ao longo desta faixa, que valor deve ter o capacitor de acoplamento? Ex. 4-2) Na figura 2, desejamos um capacitor de acoplamento estabilizado para todas as freqüências entre 500Hz e 1MHz. Que valor ele deve ter? Ex. 4-3) Desenhe o circuito cc equivalente para o amplificador da figura abaixo. Rotule as três correntes com a notação cc padronizada. A seguir, desenhe o circuito ca equivalente. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 74 Ex. 4-4) Desenhe os circuitos cc e ca equivalente para a figura 4. Ex. 4-5) Calcule o valor de r´e para cada uma destas correntes cc do emissor: 0,01mA, 0,05mA, 0,1mA, 0,5mA, 1mA e 10mA. Ex. 4-6) Qual o valor de r´e no amplificador do exercício 4-4? Ex. 4-7) E no circuito abaixo? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 75 Ex. 4-8) Se vent = 1mV na figura 6, qual o valor de vsaída ? Ex. 4-9) Os resistores do exercício anterior, tem uma tolerância de 5%. Qual o ganho mínimo de tensão? Qual o ganho máximo de tensão? Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 5 ELETRÔNICA 76 AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA São usados quando se deseja amplificar sinais de grande amplitude, tanto de tensão como de corrente. Assim os amplificadores de potência são amplificadores que trabalham com grandes sinais e o regime de operação destes é severo em relação aos amplificadores de pequenos sinais. Os amplificadores de potência de um modo geral, podem ser divididos em quatro classes: • Classe A • Classe B • Classe AB • Classe C As classes dos amplificadores de potência estão relacionadas diretamente com o ponto quiescente ou ponto de operação dos transistores de saída dos amplificadores. Portanto, as classes estão relacionadas também com o ângulo de condução (θ) dos transistores de saída, quando estes estiverem funcionando em regime dinâmico. A Figura 5-1 tem um gráfico que relaciona a corrente de coletor, com sua tensão baseemissor. Ele mostra as formas de onda dos quatro tipos básicos de amplificadores de potência, classes A, B, AB e C, e seus pontos quiescentes. No amplificador de potência classe C o transistor de saída é polarizado num ponto de operação abaixo da região de corte do transistor, isto é, com VBEQ <0. Isto significa que o sinal VBE aplicado a base do transistor, tem que vencer a tensão VBEQ para iniciar a sua condução. Portanto, a corrente de coletor circula somente durante um intervalo menor que 180°. Em geral, os amplificadores classe C são utilizados em circuitos de RF. 5.1 CLASSE A No amplificador de potência classe A, a polarização do transistor de saída é feita de tal forma que a corrente de coletor circula durante todo o ciclo do sinal de entrada VBE. Isto resulta num ângulo de condução de θ=360° para transistor de saída. O ponto de operação do transistor de saída está localizado no centro da região ativa e neste caso a polarização do transistor de saída é semelhante à polarização de transistores de baixo sinal. POTÊNCIA DE SAÍDA A Figura 5-2 mostra um exemplo de amplificador de potência classe A. É um emissor comum já comentado antes. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 77 Figura 5-1 Figura 5-2 A resistência de carga RL, pode ser um alto-falante, um motor, etc. O resistor RC do coletor, por outro lado, é um resistor comum que faz parte da polarização por divisão de tensão. O interesse é na potência transferida à resistência de carga, porque ela realiza Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 78 ELETRÔNICA um trabalho útil. Gera ondas acústicas, gira o motor, etc. Em contra partida, qualquer potência no resistor RC, é uma potência perdida e é transformada em calor. Então quando se fala em potência de saída, é uma referência a potência útil da carga. Ela é dada por PL=VLIL ou PL = onde VL2 RL VL = tensão rms na carga IL = corrente rms na carga A potência máxima na carga ocorre quando o amplificador está produzindo a tensão máxima de pico a pico na saída sem ceifamento do sinal. Nesse caso, a potência na carga é PL = (MPP )2 8R L MPP é o valor (máximo de pico a pico) da tensão ca sem ceifamento. No denominador tem o número 8 resultante da conversão de rms para pico a pico. POTÊNCIA CC DISSIPADA NO AMPLIFICADOR Quando o amplificador está sem sinal na entrada, a dissipação de potência no transistor é igual a: PD=VCEQICQ Há também a potência dissipada no resistores R1 e R2 P1 = I1VCC 2  VCC  VCC ) ( VCC = =  R1 + R 2  R1 + R 2  Então a potência cc total no amplificador é PS=P1+PD ou PS=ISVCC onde Is (corrente de dreno), é a soma da corrente no divisor de tensão e corrente no coletor EFICIÊNCIA É a razão entre à potência ca na carga e a potência da alimentação cc multiplicada por 100% η= PL 100% PS Quanto maior a eficiência do amplificador, melhor. Os amplificadores classe A tem uma baixa eficiência, tipicamente em torno de 25% (teoricamente). Isso ocorre por causa de perdas de potência nos resistores de polarização, de coletor, de emissor e transistor. 5.2 CLASSE B Geralmente os amplificadores de potência classe B e classe AB utilizam dois transistores de potência num montagem denominada push-pull. A configuração push-pull significa que quando um dos transistores está conduzindo, o outro está em corte e vice-versa. No amplificador classe B, cada um dos transistores de saída é polarizado num ponto de operação situado na região de corte do transistor, isto é, VBEQ =0. Desta maneira, a Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 79 corrente de coletor de cada transistor, circula durante um ângulo de condução de θ=180°, ou seja, a cada semiciclo do sinal de entrada VBE. A Figura 5-3 mostra uma forma de conectar um seguidor de emissor push-pull classe B. Foi conectado um seguidor de emissor npn e um seguidor de emissor pnp. O projetista escolhe os resistores de polarização para situar o ponto de operação no corte. Isso polariza o diodo emissor de cada transistor entre 0,6V e 0,7V. Idealmente, ICQ=0 como os resistores de polarização são iguais, cada diodo emissor é polarizado com a mesma tensão. Como resultado, metade da tensão de alimentação sofre uma queda entre os terminais coletor e emissor de cada transistor. Isto é, VCEQ = VCC 2 Figura 5-3 RETA DE CARGA CC como não há resistência cc no circuito do coletor ou do emissor da Figura 5-3, a corrente de saturação é infinita, ou seja, a reta é vertical, (Figura 5-4). É muito difícil encontrar um ponto de operação estável na região de corte num amplificador push-pull. Qualquer diminuição significativa de VBE com a temperatura pode deslocar o ponto de operação para cima da reta de carga cc a valores muito altos de correntes. RETA DE CARGA CA A Figura 5-4 mostra a reta de carga ca. Quando um dos transistores está conduzindo, seu ponto de operação move-se para cima ao longo da reta de carga ca. O ponto do outro transistor permanece no corte. A oscilação de tensão do transistor em condução pode seguir todo o percurso desde o corte à saturação. No semiciclo oposto, o outro transistor faz a mesma coisa. Isso significa que a tensão de pico a pico máxima (MPP) não ceifada do sinal de saída é igual a VCC. Isto é o dobro de tensão que de um amplificador classe A sob mesma tensão de alimentação. Em termos de eficiência η máxima teórica será de 78,5%. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 80 Figura 5-4 A Figura 5-5 mostra o equivalente ca do transistor em condução. Isso é praticamente idêntico ao seguidor de emissor classe A. O ganho de tensão com carga é AV = RL R L + re' A impedância de entrada da base com carga é z ent ( base ) = β(R L + re' ) Figura 5-5 5.3 CLASSE AB Os amplificadores de potência AB também utilizam dois transistores de potência numa configuração push-pull. A diferença para a classe B, é que cada um dos transistores de saída é polarizado num ponto de operação situado um pouco acima da região de corte do transistor, (VBEQ>0). Isto significa que cada um dos transistores está conduzindo um pequena corrente de base e, consequentemente, uma corrente de coletor proporcional a ela. A corrente de coletor de cada transistor, circula durante um ângulo de condução de θ>180°, porém, menor que 360°. A eficiência teórica fica entre 50% e 78,5%. A grande vantagem é a eliminação da distorção por crossover. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 6 ELETRÔNICA 81 OSCILADOR DE BAIXA FREQÜÊNCIA A Figura 6-1 mostra o diagrama de blocos básico de um circuito oscilador. Figura 6-1 A saída do amplificador de ganho A, realimenta a entrada do próprio amplificador, por meio do circuito de realimentação que possui um ganho B, também chamado de rede de realimentação. Esta forma, o sinal realimentado VR é somado, ou seja, aplicado em fase com o sinal de entrada VE. Este sinal VE não é um sinal externo, mas um sinal qualquer de referência, que existe na entrada do amplificador. Portanto, com a aplicação do sinal realimentador VR na entrada do amplificador, este torna-se instável e começa a oscilar. O circuito de realimentação deve, portanto, defasar ou não o sinal de amostragem VA, de tal modo que o sinal VR fornecido à entrada esteja sempre em fase com o sinal de referência VE. A defasagem a ser feita no sinal VA depende da defasagem imposta pelo amplificador e, portanto, do sinal de saída VS. Por exemplo, se um amplificador possuir uma montagem emissor comum, então o sinal de saída VS estará defasado de 180° em relação ao sinal de entrada VE e o circuito de realimentação deverá, neste caso, provocar uma defasagem de 180°, para que o sinal VR fique novamente em fase com o sinal VE. Se a montagem do amplificador for em base comum VS estará em fase com VE e, nesse caso, o circuito ou rede de realimentação não deverá provocar defasagem e assim, o sinal VR já estará em fase com o sinal VE. Um outro critério muito importante para que haja oscilação é que o ganho total do oscilador, dado por A+B (A- ganho do amplificador, B- ganho da rede de realimentação), deve ser maior que um. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 6.1 ELETRÔNICA 82 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE a Figura 6-2 mostra o circuito de um oscilador por deslocamento de fase. Ele é utilizado para gerar sinais na faixa de freqüências de áudio. Figura 6-2 O amplificador está na montagem emissor comum e portanto, sua tensão de saída VS está defasada de 180° em relação a tensão de entrada VE. O sinal de saída é aplicado no circuito de realimentação, formado com resistores R e R3 e os capacitores C, que provoca uma defasagem adicional de 180°, de modo que uma parcela do sinal de saída é novamente aplicada na entrada, mas em fase com o sinal de entrada VE. Ao ligar o circuito será provocado uma instabilidade na base do transistor Q1. Isto é o suficiente para o circuito iniciar a sua oscilação, pois o transistor Q1 amplifica e posteriormente reamplifica o sinal presente em sua base. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 7 83 ELETRÔNICA TRANSISTORES ESPECIAIS Até agora foi estudado os transistores bipolares, se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar. Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field Effect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET). 7.1 JFET Na Figura 7-1, é mostrada a estrutura e símbolo de um transistor de efeito de campo de junção ou simplesmente JFET. Figura 7-1 a condução se dá pela passagem de portadores de carga da fonte (S - Source) para o dreno (D), através do canal entre os elementos da porta (G - Gate). O transistor pode ser um dispositivo com canal n (condução por elétrons) ou com canal p (condução por lacunas). Tudo que for dito sobre o dispositivo com canal n se aplica ao com canal p com sinais opostos de tensão e corrente. POLARIZAÇÃO DE UM JFET A Figura 7-2 mostra a polarização convencional de um JFET com canal n. Uma alimentação positiva VDD é ligada entre o dreno e a fonte, estabelecendo um fluxo de corrente através do canal. Esta corrente também depende da largura do canal. Uma ligação negativa VGG é ligada entre a porta e a fonte. Com isto a porta fica com uma polarização reversa, circulando apenas uma corrente de fuga e, portanto, uma alta impedância entre a porta e a fonte. A polarização reversa cria camadas de depleção em volta da regiões p e Prof. Roberto A. Bertoli Figura 7-2 set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 84 isto estreita o canal condutor (D-S). Quanto mais negativa a tensão VGG, mais estreito torna-se o canal. Para um dado VGG , as camadas de depleção tocam-se e o canal condutor (D-S) desaparece. Neste caso, a corrente de dreno está cortada. A tensão VGG que produz o corte é simbolizada por VGS(Off) . CURVA CARACTERÍSTICA DE DRENO Para um valor constante de VGS, o JFET age como um dispositivo resistivo linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento. Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante. Os índices IDSS referem-se a corrente do dreno para a fonte com a porta em curto (VGS=0V). IDSS é a corrente de dreno máxima que um JFET pode produzir. Na Figura 7-3, é mostrado um exemplo de curva para um JFET. Quando o JFET está saturado (na região ôhmica), VDS situa-se entre 0 e 4V, dependendo da reta de carga. A tensão de saturação mais alta (4V) é igual à intensidade da tensão de corte da portafonte (VGS(Off) = -4V). Esta é uma propriedade inerente a todos os JFET’s. Para polarizar um transistor JFET é necessário saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá trabalhar como amplificador ou como resistor controlado por tensão. Como amplificador, a região de trabalho é o trecho da curva, na Figura 7-3, após a condição de pinçamento e à esquerda da região de tensão VDS de ruptura. Se for como resistor controlado por tensão a região de trabalho é entre VDS igual a zero e antes de atingir a condição de pinçamento. Figura 7-3 CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA A curva de transcondutância de um JFET é um gráfico da corrente de saída versus a tensão de entrada, ID em função de VGS. A sua equação é : Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 85 ELETRÔNICA  VGS I D = I DSS 1 −  VGS( off )      2 Eq. 7- 1 Figura 7-4 AUTOPOLARIZAÇÃO a polarização de um transistor JFET se faz de maneira semelhante à polarização de transistor bipolar comum. Em outras palavras, usa-se o transistor JFET como se fosse um transistor bipolar. Para um JFET funcionar corretamente devemos lembrar que, primeiramente, o mesmo deve estar reversamente polarizado entre porta e fonte. Na Figura 7-5 vemos um JFET polarizado, ou seja, com resistores ligados ao terminais para limitar tensões e correntes convenientemente, como visto na polarização de transistores bipolares. Figura 7-5 Esse é o tipo de polarização mais comum e se chama autopolarização por derivação de corrente, pois o VGS aparece devido à corrente de dreno sobre RS, o que resulta em VRS. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 86 Essa tensão, distribui-se entre RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Assim aparecem VRG e VGS que somadas perfazem VRS. VRG = VRS + VGS Eq. 7- 2 o diodo porta-fonte está reversamente polarizado e a corrente IG é uma pequena corrente de fuga aproximadamente igual a zero. VRG = I G R G ≅ 0 Eq. 7- 3 VRS = −VGS = R S I S Eq. 7- 4 unindo as Eq. 7-2 e Eq. 7-3 A corrente de fonte é a soma da corrente de dreno e de porta. Naturalmente a corrente de dreno é muito maior que a de porta. Então: I D ≅ IS Eq. 7- 5 Análise da malha do lado direito do circuito: VDD = I D (R D + R S ) + VDS Eq. 7- 6 RETA DE AUTOPOLARIZAÇÃO Para a polarização do JFET, uma alternativa é o uso da curva de transcondutância para encontrar o ponto Q de operação. Seja a curva da Figura 7-4 a base para encontrar o ponto Q. A corrente de dreno máxima é de 13,5mA, e a tensão de corte da porta-fonte é de -4V. Isso significa que a tensão da porta tem de estar entre 0 e -4V. Para descobrir este valor, pode-se fazer o gráfico da Figura 7-4 e ver onde ela intercepta a curva de transcondutância. Exemplo 7-1 Se o resistor da fonte de um circuito de autopolarização for de 300Ω. Qual o ponto Q. Usar o gráfico da Figura 7-4. SOL.: A equação de VGS é VGS = -ID *300 para traçar a reta basta considerar ID = 0 e ID = IDSS. Para ID nulo, VGS=0 e para o outro valor de ID, VGS= 13,5m*300=-4V. Aplicando na curva, o ponto Q é : VGS= -1,5V e ID =5mA Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 87 SELEÇÃO DO RS O ponto Q varia conforme o valor de RS. O ideal é escolher um RS em que o ponto Q fique no na região central, como o do Exemplo 7-1 . O método mais simples para escolher um valor para RS é RS = VGS( off ) I DSS Eq. 7- 7 Este valor de RS não produz um ponto Q exatamente no centro da curva, mas é aceitável para a maioria dos circuitos. TRANSCONDUTÂNCIA Grandeza designada por gm e é dada por: gm = i ∆I D = d ∆VGS v gs Eq. 7- 8 i d = g m v gs Eq. 7- 9 gm é a inclinação da curva de transcondutância (Figura 7-4) para cada pequena variação de VGS. Ou em outras palavras, é uma medida de como a tensão de entrada controla efetivamente a corrente de saída. A unidade é o mho, (razão entre a corrente e a tensão 1/Ohm). O equivalente formal é o Siemens. A Figura 7-6 mostra o circuito equivalente ca simples para um JFET válida para baixas freqüências. Há uma resistência RGS muito alta entre a porta e a fonte. Esse valor está na faixa de centenas de MΩ. O dreno do JFET funciona como uma fonte de corrente com um valor de gm VGS. Figura 7-6 A Eq. 7-10 mostra como obter VGS(Off) a partir da corrente máxima de dreno e da transcondutância para VGS= 0V (gmo ). v gs ( off ) = − 2I DSS g mo Eq. 7- 10 abaixo o valor de gm para um dado VGS.  v gs   g m = g mo 1 −  v gs ( off )    Eq. 7- 11 TRANSCONDUTÂNCIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 88 ELETRÔNICA O conceito de transcondutância pode ser usado em transistores bipolares. Ela é definida como para os JFET’s. Com base na Eq. 7-8: gm = ∆I C i = c ∆VBE v be como r’e = vbe/ie gm = 1 re' Eq. 7- 12 esta relação ajuda no momento de comparar circuitos bipolares com JFET’s. AMPLIFICADOR FONTE COMUM A Figura 7-7 mostra um amplificador fonte comum. Ele é similar a um amplificador emissor comum. As regras aplicadas para a análise são as mesmas Figura 7-7 Na Figura 7-8 o equivalente ca para a análise do ganho. Figura 7-8 o resistor de carga está em paralelo com a resistência de dreno. Simplificando: rd = R D // R L Quando a corrente de saída gm vent flui através de rd ela produz uma tensão de saída vsaída = − rd g m v ent Eq. 7- 13 dividindo ambos os lados por vent Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 89 v saída v = − rd g m ent v ent v ent finalmente o ganho de tensão ca para fonte comum A V = −g m rd Eq. 7- 14 notar a semelhança com a do amplificador em emissor comum AV = − rc 1 ∴ g m = ' ⇒ A V = −g m rc ' re re AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL Na Figura 7-9 tem um amplificador com realimentação parcial Figura 7-9 o ganho por analogia com o transistor bipolar, considerando r’e = 1/ gm, é: Av = − rd g r =− m d rs1 + 1 / g m 1 + g m rs1 Eq. 7- 15 AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE A Figura 7-10 mostra um seguidor de fonte Figura 7-10 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 90 Novamente por analogia: Av = 7.2 rs g r = ms rs + 1 / g m 1 + g m rs Eq. 7- 16 MOSFET O FET de óxido de semicondutor e metal , MOSFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno. A diferença básica para o JFET é porta isolada eletricamente do canal. Por isso, a corrente de porta é extremamente pequena, para qualquer tensão positiva ou negativa. MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO A Figura 7-11 mostra um MOSFET de modo depleção canal n e o seu símbolo. O substrato em geral é conectado a fonte (pelo fabricante), Em algumas aplicações usa-se o substrato para controlar também a corrente de dreno. Neste caso o encapsulamento tem quatro terminais. Os elétrons livres podem fluir da fonte para o dreno através do material n. A região p é chamada de substrato, e ela cria um estreitamento para a passagem dos elétrons livres da fonte ao dreno. Figura 7-11 A fina camada de dióxido de silício (SiO2), que é um isolante, impede a passagem de corrente da porta para o material n. Figura 7-12 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 91 A Figura 7-12 mostra o MOSFET de modo depleção com uma tensão de porta negativa. A tensão VDD força os elétrons livres a fluir através do material n. Como no JFET a tensão de porta controla a largura do canal. Quanto mais negativa a tensão, menor a corrente de dreno. Até um momento que a camada de depleção fecha o canal e impede fluxo dos elétrons livres. Com VGS negativo o funcionamento é similar ao JFET. Como a porta está isolada eletricamente do canal, pode-se aplicar uma tensão positiva na porta (inversão de polaridade bateria VGG do circuito da Figura 7-12). A tensão positiva na porta aumenta o número de elétrons livres que fluem através do canal. Quanto maior a tensão, maior a corrente de dreno. Isto é que a diferencia de um JFET. MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO O MOSFET de modo crescimento ou intensificação é uma evolução do MOSFET de modo depleção e de uso generalizado na industria eletrônica em especial nos circuitos digitais. Figura 7-13 A Figura 7-13 mostra um MOSFET de canal n do tipo crescimento e o seu símbolo. O substrato estende-se por todo caminho até o dióxido de silício. Não existe mais um canal n ligando a fonte e o dreno. Quando a tensão da porta é zero, a alimentação VDD força a ida dos elétrons livres da fonte para o dreno, mas substrato p tem apenas uns poucos elétrons livres produzidos termicamente. Assim, quando a tensão da porta é zero, o MOSFET fica no estado desligado (Off). Isto é totalmente diferente dos dispositivos JFET e MOSFET de modo depleção. Quando a porta é positiva, ela atrai elétrons livres na região p. Os elétrons livres recombinam-se com as lacunas na região próxima ao dióxido de silício. Quando a tensão é suficientemente positiva, todas as lacunas encostadas a dióxido de silício são preenchidas e elétrons livres começam a fluir da fonte para o dreno. O efeito é o mesmo que a criação de uma fina camada de material tipo n próximo ao dióxido de silício. Essa camada é chamada de camada de inversão tipo n. Quando ela existe o dispositivo, normalmente aberto, de repente conduz e os elétrons livres fluem facilmente da fonte para o dreno. O VGS mínimo que cria a camada de inversão tipo n é chamado tensão de limiar, simbolizado por VGS(th). Quando VGS é menor que VGS(th), a corrente de dreno é zero. Mas quando VGS é maior VGS(th), uma camada de inversão tipo n conecta a fonte ao dreno e a corrente de dreno é alta. VGS(th) pode variar de menos de 1V até mais de 5V dependendo do MOSFET. A Figura 7-14 mostra as curvas ID x VDS e ID x VGS do MOSFET de modo intensificação e reta de carga típica. No gráfico ID x VDS, a curva mais baixa é para VGS(th). Quando VGS maior que VGS(th), a corrente de dreno é controlada pela tensão da porta. Neste estágio o Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 92 ELETRÔNICA MOSFET pode trabalhar tanto quanto um resistor (região ôhmica) quanto uma fonte de corrente. A curva ID x VGS, é a curva de transcondutância e é uma curva quadrática. O início da parábola está em VGS(th). Ela é I D = k (VGS − VGS( th ) ) 2 Eq. 7- 17 onde k é uma constante que depende do MOSFET em particular. O fabricante fornece os valores de ID(On) e VGS(On). Então rescrevendo a fórmula: I D = KI D ( on ) Eq. 7- 18 onde  VGS − VGS( th )   K =  VGS( ON ) − VGS( th )    2 Eq. 7- 19 Figura 7-14 TENSÃO PORTA-FONTE MÁXIMA Os MOSFET têm uma fina camada de dióxido de silício, um isolante que impede a circulação de corrente de porta tanto para tensões positivas como negativas. Essa camada isolante é mantida tão fina quanto possível para dar a porta um melhor controle sobre a corrente de dreno. Como a camada é muito fina, é fácil destruí-la com uma tensão porta fonte excessiva. Além da aplicação direta de tensão excessiva entre a porta fonte, pode-se destruir a camada isolante devido a transientes de tensão causados por retirada/colocação do componente com o sistema ligado. O simples ato de tocar um MOSFET pode depositar cargas estáticas suficiente que exceda a especificação de VGS máximo. Alguns MOSFET são protegidos por diodos zener internos em paralelo com a porta e a fonte. Mas eles tem como inconveniente, diminuir a impedância de entrada. 7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR ÓPTICO FOTOTRANSISTOR Os fototransistores são constituídos basicamente de duas junções, havendo uma janela que permite a incidência de a luz sobre a junção base-emissor, aumentando a condutividade deste diodo emissor, com o conseqüente aumento da corrente de coletor. Na Figura 7-15, um exemplo de curva IC x VCE. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 93 Figura 7-15 Sempre que houver luz incidindo sobre a base, haverá uma corrente de base e, portanto, o transistor deixa ser aberto. Abaixo, a representação de um fototransistor: Um fotodiodo é uma alternativa ao fototransistor. A diferença é que a luz incidindo no fotodiodo gera a corrente que atravessa o diodo, enquanto no fototransistor, esta mesma luz produz uma corrente de base e por sua vez uma corrente de coletor que é β vezes maior que no fotodiodo. A maior sensibilidade do fototransistor traz como desvantagem uma redução na velocidade de chaveamento. ACOPLADOR ÓPTICO A Figura 7-16 mostra um acoplador óptico. Consiste de um LED próximo a um fototransistor, ambos encapsulados em um mesmo invólucro. Ele é muito mais sensível que um LED e fotodiodo devido ao ganho β. O funcionamento é simples, qualquer variação em VS produz uma variação na corrente do LED, que faz variar a emissão de luz e, portanto, a corrente no fototransistor. Isso por sua vez, produz uma variação na tensão dos terminais coletor-emissor. Em suma, um sinal de tensão é acoplado do circuito de entrada para o circuito de saída. Figura 7-16 A grande vantagem de um acoplador óptico é o isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e de saída. Não existe nenhuma relação entre os terras de entrada e saída. 7.4 EXERCÍCIOS Ex. 7-1) No circuito da Figura abaixo, calcule ID , RS e RD . VDD=20V, VDS=8V e VGS=-1,2V. Prof. Roberto A. Bertoli Dados: RD+RS=12kΩ, set-00 Colégio Técnico de Campinas 94 ELETRÔNICA Ex. 7-2) Dados: VDD = +12V, VGSQ=-0,5V (tensão de operação de VGS) e ID = 8mA (para VDS= 0V). Calcule RD , RS e RG (suponha IG=5µA), para o circuito de autopolarização. Utilize o método da reta de carga e a curva a seguir. ID(mA) 8m VGS =0V 4m -0,5V 2m -1V -1,5V -2,0V 2 4 6 8 10 12 14 16 VDS (V) Ex. 7-3) No circuito da figura abaixo calcule AV e ZENT . Dados: gm=3000µmho, RG=2M2Ω, RS=1kΩ, RD=4k7Ω e VDD=18V. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 95 Ex. 7-4) No circuito seguidor de fonte, com RG = 1MΩ e RS= 3kΩ, calcule o ganho de tensão, sabendo que: VDD=+9V, VGSQ = -4V, IDQ =1,6mA, IDSS = 16mA e VGS(OFF)= -5V. Ex. 7-5) Um 2N5457 tem IDSS=5mA e gmo=5.000µmho. Qual ID para VGS=-1v? Qual o valor de gm para essa corrente de dreno? Ex. 7-6) Se gm=3.000!mho na figura 3. Qual a tensão c.a. de saída? Dados: vent=2mV, Rent=100kΩ, RG=10MΩ, RS=270Ω, RD=1kΩ, RL=10kΩ e VDD =+15V Ex. 7-7) O amplificador JFET da figura abaixo, tem VGS(OFF)= -4V e IDSS =12mA. Nesse caso qual a tensão c.a. de saída? Dados: vent=2mV, Rent = 100kΩ, RG = 10MΩ, RS= 270Ω, RD = 1kΩ, RL=10kΩ e VDD = +15V. Ex. 7-8) Se o seguidor de fonte da figura abaixo tem gm = 2.000µmho, qual a tensão c.a. de saída? Dados: vent=5mV, Rent =100kΩ, RG=10MΩ, RS=3900Ω, RL=1kΩ e VDD=+15V. Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Colégio Técnico de Campinas 8 96 ELETRÔNICA REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA " CATHEY, Jimmie J. Dispositivos e circuitos eletrônicos, 1ª ed. São Paulo, Makron Books, 1994. (coleção Schaum) " HONDA, Renato. 850 exercícios de eletrônica, 3ª ed. São Paulo, Érica, 1991. " MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4ª ed. São Paulo, Makron Books, 1997. " MELLO, Hilton Andrade de; INTRATOR, Edmond. Dispositivos semicondutores, 3ª ed. Rio de Janeiro, Livros técnicos e Científicos, 1978. Prof. Roberto A. Bertoli set-00