Baixe Eletronica e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRÔNICA COLÉGIO TÉCNICO DE CAMPINAS UNICAMP ELETRÔNICA Prof. Roberto Angelo Bertoli V3 setembro, 00 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 2 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 ÍNDICE 1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO 4 1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 4 A ESTRUTURA DO ÁTOMO 4 ESTUDO DO SEMICONDUTORES 4 1.2 DIODO 7 POLARIZAÇÃO DO DIODO 8 CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO 8 RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE 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 14 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 16 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 17 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 19 1.6 CAPACITOR 20 1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR 24 1.8 DIODO ZENER 26 CORRENTE MÁXIMA NO ZENER 27 REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER 28 CÁLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. 28 1.9 CIRCUITO COM DIODOS 29 MULTIPLICADORES DE TENSÃO 29 LIMITADORES 30 GRAMPEADOR CC 32 1.10 EXERCÍCIOS 32 2 TRANSISTOR BIPOLAR 39 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES 39 POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN 40 TRANSISTOR PNP 42 AS CORRENTES NO TRANSISTOR 42 MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR 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 51 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM 51 POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO 51 REGRAS DE PROJETO 52 3.5 EXERCÍCIOS 53 4 AMPLIFICADORES DE SINAL 55 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 5 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 6 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 7 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: Catodo material tipo n Anodo material tipo p Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 10 Prof. Roberto A. Bertoli 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 . RETA DE CARGA Sendo a curva característica do diodo não linear, torna-se complex de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e resisto determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o u 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 U R U U R R S S D S = = − No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resisto tensão da fonte e a resistência RS, então são desconhecidas a corre diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 1 mA20U*01,0 100 U2I DD +−= −= Se UD=0V ! I=20mA. Esse ponto é chamado de ponto de saturaç valor que a corrente pode assumir. E se I=0A !UD=2V. Esse ponto é chamado corte, pois representa a atravessa o resistor e o diodo. A Eq. 1-4 indica uma relação linear entre a corrente e a tensão ( y = esta curva com a curva do diodo tem-se: Figura 1-12 set-00 o determinar através r. Um método para so da reta de carga. Eq. 1- 3 r. Se forem dados a nte e a tensão sob o 00Ω, então: Eq. 1- 4 ão, pois é o máximo corrente mínima que ax + b). Sobrepondo Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 11 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. 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: R VV I DSD − = 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. Figura 1-14 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 12 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 1.4 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 U sentido direto sentido reverso Figura 1-15 2ª APROXIMAÇÃO Leva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir. I U sentido direto sentido reverso 0 7V 0,7V rb 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 15 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: U U = N N 2 1 2 1 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: I I = N N 1 2 2 1 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. U U = N N 2 1 2 1 ! U 115 = 1 9 2 ! U2 = 12,8 VRMS U2PP=12,8/0,707=18VPP I I = N N 1 2 2 1 ! I 1,5 = 1 9 1 !I1 = 0,167ARMS 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 16 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 17 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 20 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 1-26 1.6 CAPACITOR Componente eletrônico, constituído por duas placas condutoras, separadas por um material isolante. 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 21 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 S d = ε . 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 22 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 25 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: fC IUOND = 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: DIODOOENROLAMENT P SURTO RR U I + = 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 26 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 1.8 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 27 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 ZZZ I*VP = Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificação de potência máxima de 400mW, qual será a corrente máxima permitida? SOL.: mA33,33 V12 mW400I ZMÁXIMA == • Este zener suporta até 33,3mA. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 30 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 31 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 32 Prof. Roberto A. Bertoli 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 da fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relação ao terra (-). O com o circuito? set-00 você testa a tensão que há de errado Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 35 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 36 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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? Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 37 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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)? Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 40 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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). Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 41 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 base- coletor. 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). Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 42 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 βCC : Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 45 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 βCC. 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=IBβCC. 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 βCC=IC/IB = 8mA/40µA=200. Mesmo para outros valores de IB, o βCC se mantém constante na região ativa. Na realidade o βCC não é constante na região ativa, ele varia com a temperatura ambiente e mesmo com IC. A variação de βCC 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 βCC. 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 46 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 47 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 3 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: Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 50 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 mA2,15 330 5I )SAT(C == 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 /βCC(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 E BES E R VV I − = Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 51 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Como VBE, VS, e RE são aproximadamente constantes, a corrente no emissor é constante. Independe de βCC, 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 βCC. Em circuitos digitais, com o uso de βCC(SAT), isto não é problema. Mas em circuitos que trabalham na região ativa, o ponto de operação varia sensivelmente com o βCC. Pois: BCCC I I ∗β= . 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: CC 21 2 2R VRR R V + = Eq. 3- 4 * a tensão VR2 não depende de βCC Com o valor de VR2 é simples o cálculo de IE. Deve-se olhar a malha de entrada: EBE2R VVV += Eq. 3- 5 como VE = IE RE E BE2R E R VV I − = Eq. 3- 6 Análise da malha de saída: EECECCCC IRVIRV ++= considerando IE = IC Figura 3-6 Figura 3-7 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 52 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 CEECCCC V)RR(IV ++= Eq. 3- 7 EC CECC C RR VVI + −= Eq. 3- 8 Notar que βCC não aparece na fórmula para a corrente de coletor. Isto quer dizer que o circuito é imune a variações em βCC, 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 V85,330 K18K6 K1VV 2RB =+ == Cálculo de IE a partir da Eq. 3-6 mA2,4 750 7,085,3IE = −= 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 βCC, considerar: ECC2 R01,0R β≤ Eq. 3- 9 onde o valor de βCC é o do pior caso, ou seja, o menor βCC 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 pode- se considerar ECC2 R1,0R β≤ Eq. 3- 10 assim R2 será maior, mas com possibilidade de degradação na 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: Figura 3-8 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 55 Prof. Roberto A. Bertoli 4 AMPLIFICADORES DE SINAL 4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM No capítulo anterior foi estudado a polarização dos transistores. Neste capítulo considera- se 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 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 atravé uma chave aberta para corrente cc e como ação permite obter um sinal ca de uma está de cada estágio. Figu Figura 4-1 set-00 s do capacitor C2. O capacitor funciona como chave fechada para a corrente alternada. Esta gio para outro sem perturbar a polarização cc ra 4-2 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 56 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: fC2 1XC π = 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 R1,0XC ≤ . então a capacitância será: Rf2,0 1C MENORπ ≥ 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 ! R1,0XC ≤ =0,1*1000=100 A escolha da freqüência recai sobre a de menor valor f=20Hz. F9,79 1000*20**2,0 1C µ= π ≥ ! A capacitância deve ser igual ou maior que 79,9µF 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 4- 4. 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. A menos que se diga o contrário, todos os capacitores de acoplamento e desvio são considerados estabilizados e segue a regra XC <= 0,1R. Figura 4-3 Figura 4-4 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 57 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 60 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 4-9 Uma outra maneira de se conseguir o valore de r’e é através da seguinte fórmula: ′ =r mV Ie E 25 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. βCC é a razão entre a corrente de coletor e a corrente de base. Como o gráfico não é linear, βCC depende do valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamado de βca 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. b c B C i i I I = ∆ ∆ =β 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 base- emissor, 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 61 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 4-10 Figura 4-11 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 62 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 4-12 GANHO D E TENSÃO O ganho de tensão é : entrada saída V v v A = 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: ' e s e r v i = Eq. 4- 8 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 65 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 1E ' e s e Rr v i + = a tensão de saída é o mesmo que da Eq. 4-9: Ccsaída riv −= considerando ic=ie 1E ' e C ' ee Cc entrada saída V Rr r ri ri v vA + −=−== 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 Figura 4-18 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 66 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 elementos puramente resistivos. A impedância de entrada da base é a razão entre a tensão aplicada na base (vb) e a corrente ib. b b base i v z = 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: 'e b ' eb b ' ee b b base ri ri i ri i vz β=β=== Eq. 4- 14 a impedância de entrada do estágio (zent) é a resultante do paralelo de R1, R2 e zbase. 'e21base21ent r//R//Rz//R//Rz β== Eq. 4- 15 A tensão ca na base é o divisor de tensão RS com a impedância de entrada do estágio s entS ent b vzR zv + = 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: )Rr(z 1E ' ebase +β= 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 67 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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: Ω==β= k17,22*100//2k2//k10r//R//Rz 'eA2A1entb 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 Figura 4-21 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 70 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 4-24 SOL.: A corrente cc no emissor mA465,0 k20 7,010IE = −= 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 8,62 8,53 K1,5//K10AV == A tensão de entrada no emissor é mV518,0m1 8,5350 8,53vent =+ = portanto a tensão na saída é mV5,32m518,0*8,62vAv entVsaída === 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 EECECC RIVV += Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 71 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Figura 4-25 isolando a corrente de emissor E CECC E R VVI −= 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 ' eE E ' eEe Ee ent saída V rr r )rr(i ri v vA + = + == Eq. 4- 26 geralmente rE>> r’e. Então 1AV ≅ Eq. 4- 27 o uso da Eq. 4-26 ou da Eq. 4-27 depende da precisão desejada no circuito. IMPEDÂNCIA DE ENTRADA Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 72 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 como visto antes, a base se comporta como uma resistência equivalente de b b )base(ent i vz = Eq. 4- 28 do equivalente ca a corrente de emissor ca é ' ee b e rr vi + = a resistência rE é o equivalente do paralelo RE com RL. Isolando vb ( )'eeeb rriv += Eq. 4- 29 inserindo a Eq. 4-29 na Eq. 4-28 b ' eee )base(ent i )rr(iz += a razão entre a corrente de coletor e a de base é aproximadamente igual β )rr(z 'eE)base(ent +β= Eq. 4- 30 a impedância de entrada do amplificador é o paralelo de R1, R2 e impedância de entrada da base )rr(//R//Rz 'eE21ent +β= como β(r’e +rE)>>R1, R2 então:: 21ent R//Rz = 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 75 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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? Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 76 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 5 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 base- emissor. 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 77 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 80 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 ' eL L V rR RA + = A impedância de entrada da base com carga é )rR(z 'eL)base(ent +β= 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 81 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 6 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 82 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 6.1 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 85 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 2 )off(GS GS DSSD V V 1II         −= 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 86 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. 0RIV GGRG ≅= Eq. 7- 3 unindo as Eq. 7-2 e Eq. 7-3 SSGSRS IRVV =−= Eq. 7- 4 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: SD II ≅ Eq. 7- 5 Análise da malha do lado direito do circuito: DSSDDDD V)RR(IV ++= 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 87 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 DSS )off(GS S I V R = 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: gs d GS D m v i V I g = ∆ ∆ = Eq. 7- 8 gsmd vgi = 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 ). mo DSS )off(gs g I2v −= Eq. 7- 10 abaixo o valor de gm para um dado VGS.         −= )off(gs gs mom v v 1gg Eq. 7- 11 TRANSCONDUTÂNCIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 90 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 Novamente por analogia: sm sm ms s v rg1 rg g/1r rA + = + = Eq. 7- 16 7.2 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 91 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 92 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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 2)th(GSGSD )VV(kI −= 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: )on(DD KII = Eq. 7- 18 onde 2 )th(GS)ON(GS )th(GSGS VV VV K         − − = 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 95 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 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. Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 96 Prof. Roberto A. Bertoli set-00 8 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.