Eletronica

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ELETRÔNICA II Londrina, fevereiro de 1999. Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 1 Revisão da Teoria Atômica 1.1 Introdução Em 1897, Thomson descobriu o elétron e provou que ele tinha carga negativa. Os elétrons são atraídos pelo núcleo que possui uma carga positiva. Uma força centrífuga age para fora em cada elétron e a atração que o núcleo exerce sobre o mesmo equilibra esta força. Depois, Bohr imaginou um modelo para o átomo que consistia em um núcleo rodeado por elétrons em órbitas bem definidas, este é conhecido como átomo de Bohr. Na Figura 1 é apresentado este modelo. Figura 1 - Modelo Atômico de Bohr Os elétrons são dispostos em órbitas elípticas de acordo com a distribuição atômica desenvolvida por Linus Paulling (camadas K, L, M, N, O, P e Q). Quanto mais próximo do núcleo estiver o elétron, ou seja, quanto menor for sua órbita, mais preso à estrutura nuclear ele estará. Para deslocar um elétron de uma órbita menor para outra maior é necessário energia para realizar trabalho de vencer a atração nuclear. A cada órbita está associado um nível de energia, quanto maior a órbita de um elétron mais alto seu nível de energia ou sua energia potencial em relação ao núcleo. A última órbita de um átomo define a sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através de bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento dos elétrons da última órbita de um átomo com os elétrons da ultima órbita de outro átomo). Esta órbita mais externa recebe o nome de camada de valência ou banda de valência. Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo, pois além deles possuírem mais energia, eles estão mais distantes do núcleo e a força de atração eletrostática é menor. Por isso uma pequena quantidade de energia recebida faz com que eles se tornem elétrons livres, formando assim uma banda de condução, sendo capazes de se movimentarem pelo material. Como as órbitas de um átomo estão a distâncias bem definidas em relação ao núcleo, então pode existir entre uma órbita e outra uma região onde não é possível existir elétrons, denominada região proibida. O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material, como mostra a Figura 2, onde três situações diferentes estão representadas. 2 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Figura 2 – Isolantes, Condutores e Semicondutores. Na Figura 2, observa-se que, em cada um dos casos, a banda proibida tem um tamanho diferente. No primeiro caso, um elétron, para se livrar do átomo, tem que dar um salto de energia muito grande. Desta forma, pouquíssimos elétrons têm energia suficiente para sair da banda de valência e atingir a banda de condução, fazendo com que a corrente elétrica neste material seja sempre muito pequena. Esses materiais são chamados de isolantes. No segundo caso, um elétron pode passar facilmente da banda de valência para a banda de condução sem precisar de muita energia. Isso acontece principalmente nos materiais metálicos, onde a própria temperatura ambiente é suficiente para o surgimento de uma grande quantidade de elétrons livres. Esses materiais são chamados de condutores. O terceiro caso é um intermediário entre os dois outros. Um elétron precisa dar um salto para sair da banda de valência e atingir a banda de condução, mas‚ um salto pequeno e, por isso, esses materiais possuem características intermediárias em relação aos dois anteriores sendo, portanto, chamados de semicondutores. 1.2 Teoria dos Semicondutores Hoje pode-se afirmar que o mundo depende dos semicondutores. Depois que este tipo de material começou a ser usado, o mundo da eletrônica se desenvolveu e continua se desenvolvendo numa velocidade de assustar. Existem vários tipos de materiais semicondutores. Os mais comuns e utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge). Os materiais semicondutores caracterizam-se por serem tetravalentes, ou seja, apresentam átomos com camada de valência ocupada por quatro elétrons. Exemplo: O átomo de silício apresenta a seguinte distribuição: dois elétrons estão na primeira órbita, oito na segunda e os quatro restantes na camada de valência. Por serem tetravalentes, cada átomo de um semicondutor pode realizar quatro ligações covalentes com outros quatro átomos. Existem também os semicondutores III-V, que são formados a partir da ligação entre um elemento trivalente e um pentavalente. Os mais comuns são o arseneto de gálio (GaAs) e o fosfeto de índio (InP). Nos materiais semicondutores existem as lacunas e os elétrons livres. As lacunas são os vazios na órbita que perdeu um elétron para uma órbita maior (de mais alta energia). Quando acontece o deslocamento de um elétron da banda de valência, diz-se que ele foi para a banda de condução e uma lacuna foi deixada. Isto acontece quando a energia térmica recebida quebra algumas ligações covalentes liberando um elétron para a banda de condução. Estes elétrons livres podem, na presença de 3 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ campo elétrico, mover-se estabelecendo uma corrente. As lacunas também podem produzir corrente elétrica, apesar de estarem na banda de valência. Uma lacuna atrai um elétron de valência que, apenas com uma pequena variação de energia, pode ser deslocado para a lacuna. Assim uma nova lacuna surge no local de onde saiu o elétron. As características dos materiais semicondutores podem ser alteradas significativamente pela adição de certos átomos de impureza ao material semicondutor relativamente puro. Essas impurezas, embora acrescentadas na proporção de uma parte para 10 milhões, podem alterar a estrutura de bandas suficientemente para mudar totalmente as propriedades elétrica do material. A dopagem é a técnica utilizada para acrescentar as impurezas em um cristal puro, para se conseguir materiais com excesso de elétrons livres (tipo n), ou de lacunas (tipo p). O cristal puro é chamado de semicondutor intrínseco e o cristal dopado de semicondutor extrínseco. A impureza também é conhecida como dopante. Os átomos utilizados para a obtenção de semicondutor tipo n são os pentavalentes. Exemplo: arsênio (As), antimônio (Sb) e fósforo (P). O efeito de uma dessas impurezas em um cristal puro de silício ou germânio, é um quinto elétron desassociado de qualquer ligação covalente. Este elétron remanescente vagamente preso ao seu átomo de origem, é relativamente livre para se movimentar dentro do material tipo n formado. Como o átomo inserido doou um elétron relativamente “livre” para a estrutura, impurezas com cinco elétrons de valência são chamadas átomos doadores. Por outro lado, os trivalentes são utilizados nos semicondutores tipo p, como o alumínio (Al), boro (B) e gálio (Ga). A dopagem feita com estes átomos, resulta em um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. Como a vaga resultante aceita facilmente um elétron livre, as impurezas trivalentes acrescentadas são chamadas de átomos receptores. Nos semicondutores tipo n os elétrons livres que não participaram das ligações são chamados portadores majoritários, enquanto que as lacunas são os minoritários. Nos semicondutores tipo p, os majoritários são as lacunas e os elétrons livres são minoritários. 4 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 2 Transistor – A Grande Revolução 2.1 Introdução No período de 1904-1947 a válvula foi, sem dúvida, um dispositivo eletrônico de interesse e desenvolvimento. Em 1904 a válvula diodo a vácuo foi apresentada por J.A. Fleming. Pouco depois, em 1906, Lee De Forest acrescentou um terceiro elemento, chamado grade de controle, ao diodo a vácuo, resultando no primeiro amplificador, o triodo. Nos anos seguintes, o rádio e a televisão deram grande estímulo à indústria de válvulas. A produção aumentou de aproximadamente um milhão de válvulas em 1922 para aproximadamente cem milhões em 1937. No ínicio da década de 30 ganhavam importância o tetrodo (quatro elementos) e o pentodo (cinco elementos) na indústria de válvulas. Nos anos seguintes, a indústria eletrônica tornou-se de grande importância e foram feitos rápidos avanços no projeto, técnicas de fabricação de alta freqüência e alta potência, e miniaturização. Em 23 de dezembro de 1947, entretanto, a indústria eletrônica experimentou o advento de uma direção completamente nova de interesse no seu desenvolvimento. Foi na tarde deste dia que Walter H. Brattain , John Bardeen e William Shockley demostraram a ação amplificadora do transistor no Bell Telephone Laboratories. Devido a esse invento eles ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1956. As vantagens desse novo dispositivo de estado sólido de três terminais em relação à válvula foram óbvias: ele era menor e mais leve: não tinha necessidade de filamento, que provoca perda de calor; era mais resistente; era mais eficiente, uma vez que absorvia menos energia; não necessitava de tempo de aquecimento, podendo ser usado a qualquer instante; e exigia menores tensões de operação. Com todas essas vantagens, os transistores revolucionaram a tecnologia eletrônica, permitindo que hoje, com toda a gama de tipos e tecnologias de fabricação, possamos ver as maravilhas que eles fazem. Figura 3 -– Vantagens Evidentes Entre o Transistor e a Válvula. O transistor contribuiu para todas as invenções relacionadas com os circuitos digitais, componentes optoeletrônicos e microprocessadores. A maior revolução se deu na tecnologia de computadores. Um microprocessador (coração do computador) pode chegar a ter um milhão ou mais de transistores em seus circuitos (todos montados numa única pastilha de 25 mm2). Antes de 1950 um computador ocupava uma sala inteira e custava milhões de dólares. Hoje, compra-se um bom computador portátil por menos de mil dólares (um pouco mais que mil reais). 5 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 2.2 Idéias Básicas de Junções NPN e PNP A teoria que se aplica aos diodos, que são junções PN, é praticamente a mesma utilizada nas junções PNP e NPN. Os conceitos de barreira de potencial, polarização direta, polarização reversa entre outros são utilizados para se entender o que acontece com estas junções. Na Figura 4 são representadas junções NPN e PNP. N P N P N P (a) (b) Figura 4 – (a) Junção NPN. (b) Junção PNP. Na Figura 4, tanto para as camadas N como para as P, os sinais apresentados representam as cargas em excesso, ou seja, as camadas N da junção NPN, por exemplo, apresentam tanto cargas negativas quanto positivas, mas os portadores majoritários são os elétrons. Então, feita a união dos materiais, o excesso de elétrons do material tipo N tende a migrar para o material tipo P, visando o equilíbrio eletrônico dos dois materiais, em que cada átomo do material N, que perde um elétron, fica com oito elétron na camada de valência. O mesmo acontece com os átomos do material tipo P, que tem a sua lacuna ocupada por este elétron. Este fenômeno é conhecido como recombinação. Como o processo de recombinação ocorre inicialmente na região próxima à junção, um fenômeno interessante acontece: a formação de uma camada de depleção. Depleção significa diminuição ou ausência e, neste caso, esta palavra corresponde à ausência de portadores majoritários na região próxima à junção. Com a recombinação são formados os íons negativos e positivos, representados pelos sinais menos e mais circulados na Figura 4, e estes são fixos à estrutura devido a ligação covalente. Nestas regiões formadas pelos pares de ions (camada de depleção) nas duas junções, criam-se diferenças de potenciais, que são as barreiras de potenciais. Estas diferenças de potenciais, a 25 oC são de aproximadamente 0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio. Estas tensões serão referenciadas por VT (tensão de Threshold). 2.3 Transistor O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas que consistem em duas camadas de material tipo n e uma tipo p, ou duas tipo p e uma tipo n. O primeiro é chamado transistor NPN, enquanto que o segundo é o transistor PNP. 6 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ O conjunto formado pela junção NPN ou PNP é encapsulado com material metálico ou plástico e apresenta para o exterior três terminais de conexão que partem de cada uma das regiões semicondutoras. Na Figura 5 são apresentadas a estrutura e o símbolo esquemático correspondente a cada tipo de transistor. N P N emissor P coletor N P coletor emissor base base C C B B E (a) NPN E (b) PNP Figura 5 - Aspectos Construtivos e Símbolos dos Transistores. O transistor possui três terminais, que são: o emissor, a base e o coletor. O emissor é fortemente dopado, ou seja, possui uma quantidade maior de portadores majoritários. Sua função é injetar estes portadores na base. A base é levemente dopada e muito fina; ela permite que a maioria dos portadores injetados pelo emissor cheguem até o coletor. O coletor tem dopagem média e recolhe os portadores liberados pelo emissor e que não foram recolhidos pela base. É a região mais extensa das três e dissipa mais calor. O comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Isto é possível polarizando-se adequadamente suas duas junções, como será visto mais adiante. Este controle de corrente do emissor para o coletor pode ser visto como uma resistência variável, daí o nome transistor, que vem do inglês TRANsfer - reSISTOR. 2.4 Funcionamento do Transistor Para entendermos o funcionamento do transistor, faremos todos os estudos daqui para frente considerando o transistor NPN. As mesmas análises feitas para o NPN são válidas para o PNP, lembrando que nestes, o fluxo não será de elétrons livres e sim de lacunas. Isto significa que os sentidos das correntes e tensões são contrários aos do transistor NPN. Para entendermos o funcionamento do transistor vamos estudar três maneiras básicas e diferentes de polarizá-lo. Considerando a Figura 6, temos que: No caso (a), duas baterias são conectadas de forma a polarizar diretamente os diodos baseemisor e base-coletor. Devido aos terminais negativos das fontes V1 e V2, os portadores majoritários das regiões N (emissor e coletor) adquirem energia suficiente para superarem as barreiras de potenciais das camadas de depleções e migram para os terminais positivos das baterias. Com isso correntes elevadas circularão pelo emissor, IE, pelo coletor, IC e pela base, IB. Invertendo as polaridades de ambas as baterias, como no caso (b), polariza-se reversamente ambas as junções e pequenas correntes circularão devido aos portadores minoritários. Estas correntes reversas geralmente são desprezíveis, e são chamadas de correntes de fuga. Raramente os transistores utilizados em circuitos lineares são polarizados dessas duas maneiras apresentadas. 7 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ No caso (c), que polariza-se diretamente o diodo emissor e reversamente o diodo coletor, ao contrário do que se possa imaginar (corrente elevada pelo emissor e desprezível pelo coletor), acontece um fenômeno conhecido como efeito transistor. N N P IE IB V1 IC N V2 P N (a) N IE V1 N P IB V1 V2 (b) IC V2 (c) Figura 6 - Polarizações do Transistor NPN. 2.4.1 Efeito Transistor Quando o diodo emissor (base-emissor) é polarizado diretamente, se a tensão aplicada entre a base e o emissor for maior que o potencial da barreira, um fluxo de elétrons sai do terminal negativo da fonte V1 e entra no emissor (veja Figura 6 (c)). Esta polarização força esses elétrons migrarem para a base. Como a base é fina e fracamente dopada, proporciona à maioria dos elétrons uma vida média suficiente para se difudirem através da camada de depleção do coletor. O campo da camada de depleção empurra os elétrons para dentro da região do coletor e estes seguem caminho para o terminal positivo da fonte V2. Na maioria dos transistores NPN, mais de 95% dos elétrons injetados pelo emissor fluem para o coletor, o restante preenchem as lacunas da base e fluem para fora através do terminal externo da base. Esta pequena corrente que flui pela base é chamada de corrente de recombinação. A Figura 7 reforça a explicação do fluxo de elétrons no transistor polarizado diretareversamente. N IE P N IC IB Figura 7 - Fluxo de Corrente Eletrônica no Transistor NPN. 8 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Com o que foi exposto até aqui, pode-se montar um esquema geral de tensões e correntes de portadores majoritários para os transistores NPN e PNP. Este esquema é mostrado na Figura 8. Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes e a Segunda lei de Kirchhoff para as tensões, obtém-se as seguintes equações para o transistor NPN: IE = IB + IC . VCE = VCB + VBE . Ambas as relações são sempre constantes. Observe que o sentido das correntes utilizado na Figura 8 é o convencional (do positivo para o negativo). NPN PNP Figura 8 - Tensões e Correntes nos Transistores. Para o transistor PNP, a equação que relaciona as correntes é a mesma apresentada para o transistor NPN. Entretanto, a equação para as tensões é dada por: VEC = VBC + VEB . 2.5 Efeito Amplificação Analisando o fenômeno que ocorre com a a polarização completa do transistor NPN, sob o aspecto da variação das correntes, tem-se o seguinte: • Um aumento na corrente da base, IB, provoca um número maior de recombinações, aumentando a corrente do coletor, IC. Da mesma forma, a diminuição na corrente da base provoca a diminuição na corrente do coletor. Isto significa que a corrente da base controla a corrente entre o emissor e coletor. • A corrente da base, sendo bem menor que a corrente do coletor, faz com que uma pequena variação ∆IB provoque uma grande variação ∆IC. Isto significa que a variação da corrente do coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente da base. • O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. Na Figura 9 é ilustrado o que foi dito anteriormente. 9 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Figura 9 – Efeito Amplificação no Transistor NPN. Este efeito amplificação, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação da corrente do coletor ∆IC e a variação da corrente da base ∆IB, ou seja, ∆I ganho de corrente = C . ∆I B 10 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 3 Configurações Básicas Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissor Comum (EC) e Coletor Comum (CC), onde o termo comum significa que o terminal é comum à entrada e à saída do circuito. Cada uma das configurações tem características específicas e aplicações diferentes. Para facilitar o cálculo da polarização dos transistores, os fabricantes podem fornecer duas funções na forma gráfica. Uma relacionada com a característica de entrada e a outra com a característica de saída do transistor em cada configuração. Geralmente, os fabricantes fornecem as curvas da configuração EC, e a partir desta, é possível obter os parâmetros para as demais configurações. A característica de entrada relaciona a corrente e a tensão de entrada para vários valores constantes de tensão de saída, formando um grupo de curvas, um para cada tensão de saída. Na característica de saída, tem-se a relação entre a corrente e a tensão de saída para vários valores constantes de corrente de entrada, formando um grupo de curvas, uma para cada corrente de entrada. A partir destes gráficos, pode-se calcular os resistores de polarização mais adequados para determinada configuração e aplicação. 3.1 Configuração Base Comum (BC) Nesta configuração o emissor é o terminal de entrada de corrente e o coletor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo o terminal de base, comum às tensões de entrada e saída, como é apresentado na Figura 10. Figura 10 – Configuração Base Comum. 3.1.1 Curva Característica de Entrada Para cada valor constante de tensão de saída VCB, variando-se a tensão de entrada VBE, obtémse uma corrente de entrada IE, resultando no gráfico apresentado na Figura 11. Observa-se que a característica de entrada, ou característica de emissor, é semelhante à curva característica de um diodo, pois a junção emissor-base funciona como um diodo polarizado diretamente. Ou seja, a partir do momento em que a tensão de entrada faz os portadores vencerem a barreira de potencial (VT = 0,7 V para o silício e VT = 0,3 V para o germânio), a corrente através da junção dispara. Assim, nesta região da curva, pequenas variações de VBE causam grandes variações de IE. 11 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Figura 11 – Curva Característica de Entrada BC. 3.1.2 Curva Característica de Saída BC Para cada valor constante de corrente de entrada IE, variando-se a tensão de saída VCB, obtémse uma corrente de saída IC, cujo gráfico é apresentado na .Figura 12. Figura 12 – Curva Característica de Saída BC. Para explicarmos a característica de saída ou de coletor, a dividiremos em três regiões distintas, que coincidem com as três possíveis condições de operação do transistor. Esta regiões podem ser observadas nas curvas apresentadas na Figura 13. 12 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Figura 13 – As Três Regiões de Trabalho de um Transistor. As três regiões de trabalho são: • Saturação. As duas junções estão polarizadas diretamente, fazendo com que uma pequena variação da tensão VCB (saída) resulte numa enorme variação da corrente do coletor (saída). Neste caso, o transistor está saturado, é como seus terminais estivessem em curto-circuito (VCB ≅ 0). • Ativa ou Linear. A junção emissor-base está polarizada diretamente e a junção basecoletor reversamente. Esta é a região central do gráfico de saída onde as curvas são lineares. Portanto, é esta a região utilizada na maioria das aplicações, principalmente na amplificação de sinais, para que a distorção seja mínima. • Corte. As duas junções estão polarizadas reversamente, fazendo com que a corrente de coletor (saída) seja praticamente nula (IC ≅ 0). Portanto, o transistor está cortado, é como se ele estivesse desconectado do circuito. 3.1.3 Ganho de Corrente na Configuração Base Comum O ganho de corrente de um circuito qualquer é a relação entre a variação da corrente de saída e a variação da corrente de entrada, para tensão de saída constante. Na configuração BC, o ganho de corrente é chamado de α (alfa), sendo definido matematicamente por: α= ∆I C ∆I E VCB = constante . Porém, como pode-se observar na Figura 12, na região ativa, as curvas de IE são praticamente paralelas ao eixo de VCB. Então pode-se fazer a seguinte aproximação: α= IC IE 13 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Em que IE e IC são as correntes do emissor e coletor respectivamente, em um ponto particular da característica do transistor. Como a corrente do emissor é a soma das correntes do coletor e base, conclui-se que α é sempre menor que 1. Na maioria dos transistores esse valor está entre 0,9 e 0,998, ou seja, é bem próximo de 1. Fisicamente isto significa que na maioria dos transistores entre 90 e 99,8% dos portadores majoritários injetados pelo emissor do transistor chegam ao coletor. Exemplo I Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN (Figura 14), determinar: a) A tensão de entrada aproximada, a partir da qual a corrente de entrada começa a fluir de forma intensa; b) De qual material semicondutor é feito este transistor; c) A corrente de entrada, quando a tensão de entrada vale 1 V; d) A corrente de saída, nas condições do item c; e) A corrente na base, nas condições do item d; f) O ganho de corrente, nas condições do item d. IE IE (mA) 50 IC(mA) 50 50 mA 40 40 40 mA VCB= 4 V 30 30 mA T = 25 o C 20 20 mA 10 10 mA 30 20 1 2 VBE(V) -1 0 1 2 entrada 4 3 5 6 VCB(V) saída Figura 14 – Curvas Características do Transistor. RESPOSTAS a) Pela curva característica de entrada, tem-se que a corrente de entrada IE começa quando a tensão de entrada VBE ≅ 0,7 V. b) Pelo valor de VBE de condução, o transistor é de silício. c) Para VBE = 1 V, tem-se que IE = 30 mA (veja na característica de entrada). d) A curva característica de entrada foi obtida para tensão de saída constante VCB = 4 V (veja detalhe na figura da entrada). Entretanto com esse valor na curva característica de saída, juntamente com a corrente de entrada IE obtida no item c, tem-se que a corrente de saída é de aproximadamente 28 mA (veja na característica de saída). e) Para o cálculo de IB, temos que: IE = IB + IC ⇒ 30 = IB + 28 ⇒ IB = 2 mA . f) Com os valores de IC e IE obtidos nos itens anteriores, tem-se que o ganho de corrente do transistor, nestas condições, vale: I 28 mA α = C = = 0,93 . IE 30 mA 14 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 3.2 Configuração Emissor Comum (EC) Esta é a configuração mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuação emissor comum. Nessa configuração, a base é o terminal de entrada de corrente e o coletor é terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de emissor é comum às tensões de entrada e saída, como é mostrado na Figura 15, para o transistor NPN. Figura 15 – Configuração Emissor Comum. 3.2.1 Curva Característica de Entrada EC Para cada valor constante de tensão de saída VCE, variando-se a tensão de entrada VBE, obtémse uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico apresentado na Figura 16. Figura 16 – Curva Característica da entrada EC. A curva característica de entrada, ou característica de base, é semelhante à da configuração BC, pois tem-se também a junção polarizada diretamente. Observa-se, portanto, que é possível controlar a corrente de base variando-se a tensão entre base e emissor. 15 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 3.2.2 Curva Característica de Saída EC Para cada valor constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtémse uma corrente de saída IC, cujo gráfico é apresentado na Figura 17. IC I B1 I B2 I B1 > I B2 > I Bn I Bn = 0 VCE 0 Figura 17 – Curva Característica de Saída EC. A característica de saída, ou de coletor, é também muito parecida com a da configuração BC. Entretanto, observa-se que a inclinação das curvas de IB constante, na região ativa, é maior. Nesta curva, também distingüem-se também as três regiões de trabalho do transistor: • Corte: IC ≅ 0; • Saturação: VCE ≅ 0; • Ativa: região entre o corte e a saturação (IB é linear). 3.2.3 Ganho de Corrente na Configuração Emissor Comum Para esta configuração, a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada, ou seja, a relação entre IC e IB, determina o ganho de corrente denominado de β (beta), que é definido como: β = IC . IB Sendo IC muito maior que IB, o ganho de corrente β é sempre muito maior que 1, ou seja, na configuração emissor comum, o transistor funciona como um amplificador de corrente. Como a inclinação das curvas da Figura 17 varia para cada valor de IB, o ganho de corrente β não é constante. Ele depende da temperatura e do valor de corrente de coletor. Por isso os fabricantes não fornecem o seu valor exato, mas sim uma faixa de valores possíveis. Por isso não é seguro projetar circuito que dependam do β. Geralmente os transistores possuem β entre 50 e 900, mas existem aqueles que possuem β na ordem de 1000. É comum encontrar nos catálogos de referencias de transistores o termo hFE, para indicar o beta. O parâmetro hFE é derivado de um outro sistema de análise chamado de parâmetros híbridos ou parâmetros h. No entanto lembre-se que hFE = β. 3.2.4 Relação Entre α e β A partir do ganho de corrente β, da configuração EC, pode-se obter o ganho de corrente α, da configuração BC, e vice-versa, como será demonstrado a seguir. Para um transistor as correntes se relacionam da seguinte forma: 16 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ IE = I B + IC . (1) Dividindo-se ambos os lados de (1) por IC e rearranjando, temos: IE IB = +1 IC IC 1 1 1 1 = +1 ⇒ = −1 α β β α α 1 1 −α ⇒ = ⇒β = ⋅ α 1 −α β Da mesma forma pode-se retirar o valor de α em função de β. Obtêm-se: α = β . β +1 Exemplo II Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN, determinar: a) A corrente na base para VBE = 0,8V; b) O ganho de corrente nas condições do item a; c) O ganho de corrente na configuração BC; d) O novo ganho de corrente, caso IB dobre de valor, mantida a tensão VCE; e) O novo ganho de corrente na configuração BC. IB (µA) I C (mA) ΙB (µΑ) 600 300 500 500 250 400 200 300 VCE= 5 V 200 400 150 T = 25o C 300 200 100 50 100 100 50 1 2 VBE(V) 0 1 2 entrada 3 4 5 6 7 V (V) CE saída Figura 15 – Curvas Características do Transistor. RESPOSTAS a) Para VBE = 0,8 V, tem-se que IB = 300 µA (veja característica da entrada). b) A curva característica de entrada foi obtida para VCE = 5 V. Entrando com esse valor na curva característica de saída, juntamente com a corrente de entrada IB obtida no item a, tem-se que a corrente de saída IC = 110 mA. Com os valores de IC e IB, tem-se que o ganho de corrente do transistor, nestas condições, vale: β= IC 110 × 10 −3 = = 367 . IB 300 × 10 − 6 c) Na configuração BC, o ganho de corrente vale: β 367 α = ⇒ ⇒ α = 0,9973 . β +1 1 + 367 17 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ d) Se a corrente de base dobrar de valor, tem-se que IB’ = 600 µA. Usando a curva característica de saída, determina-se o novo valor da corrente de coletor, que é IC’ = 280 µA. Assim: β' = IC' IB' = 280 × 10−3 = 467 . 600 × 10−6 e) Na configuração BC, o ganho de corrente vale: α' = β' ' β +1 ⇒ α' = 467 ⇒ α' = 0,9979 . 467 + 1 3.2.5 Maneira Prática de Obter-se a Característica de Saída EC Utilizando o circuito na configuração emissor comum (EC), apresentado na Figura 18, podese obter dados para as curvas IC versus VCE do transistor. Uma outra opção seria utilizar um traçador de curvas do transistor. RC + RB VCE + V BE VBB _ _ VCC Figura 18 - Circuito Para Medir a Corrente e a Tensão do Coletor de um Transistor. A idéia é variar as alimentações VBB e VCC para criar diferentes níveis de correntes e tensões para o transistor. Usualmente fixa-se um valor para IB (VBB), varia-se VCC e mede-se os valores de IC e VCE. Com isso pode-se fazer o gráfico IC x VCE. Por exemplo, fixando IB em 10 µA e variando VCC, obtêm-se um resultado cujo esboço é mostrado na Figura 19. I C (mA) I B=10 µΑ 1 1 VCE (V) Figura 19- Curva do Coletor para IB = 10 µA. Como pode ser observado, quando VCE é zero, o diodo coletor não está com polarização reversa, portanto sua corrente é desprezível. Para VCE entre zero e aproximadamente 1 V, a corrente do coletor aumenta e torna-se praticamente constante. Isto porque na polarização reversa é preciso que o diodo coletor atinja 0,7 V, para reverter a polarização do diodo coletor. Feito isso, um fluxo estável de elétrons atravessa o coletor tornando sua corrente praticamente igual a do emissor. 18 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Como o transistor possui β de aproximadamente 100, a corrente do coletor é de aproximadamente 100 vezes a corrente da base. Entretanto este valor pode variar pois a relação IC/IB não é a mesma ao longo da curva. Os fabricantes oferecem dois valores extremos de β (hFE). Por exemplo o BD137 possui β com valores entre 40 e 250. Depois que o diodo coletor conduz o valor de IC não sofre variações consideráveis com o aumento de VCE. Caso continue-se aumentando VCE o transistor alcança a tensão de ruptura (que será explicada mais adiante). Repetindo o processo para novos valores de corrente da base, os efeitos repetem-se, ou seja, IC faz-se praticamente constante em valores mais elevados (IC = βIB) e cada vez mais o valor da tensão de ruptura é menor. 3.3 Configuração Coletor Comum Nesta configuração, a base é o terminal de entrada de corrente e o emissor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de coletor é comum às tensões de entrada e saída, como é apresentado Figura 20. Esta configuração é utilizada principalmente em circuitos de casamento de impedâncias, pois possui alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Figura 20 – Configuração Coletor Comum (CC). Para a configuração coletor comum não é necessário curvas específicas de entrada e saída. Pode-se utilizar as mesmas características da configuração EC. As características de saída são praticamente as mesmas, já que IE ≅ IC e as correntes de entrada tanto para a configuração EC como para a CC é a corrente de base IB. A característica de entrada EC pode ser utilizada para determinarmos informações de entrada da configuração CC. Para isso basta resolvermos a equação das tensões dada por Kirchhoff, que relaciona as tensões VCE, VBE e VCB da Figura 20. 19 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 4 Especificações dos Transistores Os transistores, como quaisquer outros dispositivos, têm suas limitações, que devem ser respeitadas, para evitar que os mesmos se danifiquem. Os manuais técnicos fornecem pelo menos quatro parâmetros que possuem valores máximos. 4.1 Tensão de Ruptura Como as duas metades de um transistor são diodos, tensão reversa em demasia em qualquer diodo o leva a ruptura. Essa tensão de ruptura depende da largura da camada de depleção e dos níveis de dopagem. Como o diodo emissor possui alto nível de dopagem, ele tem uma tensão de ruptura baixa, aproximadamente de 5 a 30 V. O diodo coletor, por outro lado, é menos dopado o que implica que ele suporta níveis de tensão mais elevado, aproximadamente de 20 a 300 V. 4.2 Valores de Referências Máximas Os transistores de pequenos sinais podem dissipar meio watt ou menos, os de potência são capazes de dissipar mais de meio watt. Quando formos utilizar um transistor deve-se procurar em sua folha de referência suas especificações máximas, pois elas fixam limites das correntes, tensões e outras quantidades importantes do transistor. Os parâmetros que geralmente são especificados seus valores máximos pelos fabricantes, são: • Tensão máxima de coletor – VCEmax; • Corrente máxima de coletor – ICmax; • Potência máxima de coletor – PCmax (que depende da configuração): Para as configurações EC e CC, temos: PCmax = VCEmax × I Cmax . Para a configuração BC, tem-se: PCmax = VCBmax × I Cmax . • Tensão de ruptura das junções (BV = breakdown Voltage): BVCB0 – Tensão de ruptura entre coletor e base, com emissor aberto; BVCE0 – Tensão de ruptura entre coletor e emissor, com base aberta; BVCES – Tensão de ruptura entre coletor e emissor, com base e emissor curto-circuitados. As limitações de tensão, corrente e potência podem ser vistas na curva característica de saída do transistor, como é apresentado na Figura 21. São apresentados na tabela seguinte, parâmetros de alguns transistores: Tipo Polaridade BC548 NPN 2N2222 NPN TIP31A NPN 2N3055 NPN BC559 PNP BFX29 PNP VCEmax 45 30 60 80 -30 -60 ICmax 100 800 3000 15000 -200 -600 β 125 a 900 100 a 300 20 a 50 20 a 50 125 a 900 50 a 125 20 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ I I max Pmax Região Proibida V Vmax Figura 21 – Limitações do Transistor. Então por exemplo, se um transistor 2N2222 tiver uma tensão VCE = 20 V e corrente IC = 100 mA, pode-se calcular sua potência como sendo: PD = 20 V × 10 0mA = 2000 mW = 2 W . A região proibida apresentada na Figura 21, corresponde à região cuja potência excede a potência máxima permitida pelo transistor. Nesta região encontram-se as tensões de ruptura do transistor. 21 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 5 Polarização dos Transistores Os transistores são usados em uma grande variedade de aplicações e de várias maneiras diferentes. Para usar estes dispositivos para amplificação de sinais de tensão ou corrente, ou como elemento de controle (liga ou desliga), ou qualquer outra aplicação, é necessário primeiro polarizar o dispositivo. Normalmente a razão para esta polarização é ativar o dispositivo, e, em particular, colocálo em operação na região mais linear de suas características. A polarização é uma operação estática uma vez que ela visa fixar um nível de corrente (através do transistor) com uma queda de tensão fixa desejada nos terminais do dispositivo. As informações necessárias sobre o dispositivo podem ser obtidas a partir de suas características estáticas. Existem dois conceitos importantes quando se trabalha com circuitos, que são síntese e análise. A síntese é a técnica de como obter os elementos do circuito para que se tenha o ponto de polarização desejado de corrente e tensão, ou seja, é o projeto. A análise é determinar o ponto que realmente resulta para um determinado circuito com determinados elementos. Então a polarização de um transistor pode ser estudada usando-se a análise ou a síntese, onde na primeira parte-se de um circuito pronto para determinação de seu ponto de operação e na segunda parte-se do ponto de operação desejado e determina-se os elementos do circuito. 5.1 Ponto de Operação Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro das suas curvas características. Isto é, escolher valores de correntes e tensões adequadas para o circuito de qual o transistor faz parte. Por isso, a polarização é também chamada de polarização DC, pois fixa, através de resistores externos, valores de correntes e tensões contínuas no transistor. Este ponto de trabalho do transistor, determinado pela polarização é chamado de ponto de operação estática ou ponto quiescente (Q). A escolha do ponto quiescente é feita em função da aplicação que se deseja para o transistor, ou seja, ele pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. Restringindo-nos à região de operação segura do transistor, podemos selecionar várias áreas ou pontos de polarização. A área ou ponto exato de operação depende freqüentemente do uso a que se destina o circuito. Podemos considerar ainda algumas diferenças de operação nos diferentes pontos mostrados na Figura 22 para apresentar algumas idéias básicas sobre o ponto de operação e, portanto, sobre o circuito de polarização. I I max B C A Pmax D V Vmax Figura 22 – Vários Pontos de Operação. 22 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Se não fosse utilizada nenhuma polarização, inicialmente o dispositivo estaria completamente desligado, que resultaria na corrente do ponto A – ou seja, corrente nula através do dispositivo (e tensão nula nos seus terminais). O ponto B resulta na operação desejada. Se for aplicado um sinal ao circuito, além do nível de polarização, a corrente e a tensão do dispositivo variarão a partir do ponto B permitindo que o transistor reaja (e possivelmente amplifique) às partes positivas e negativas do sinal de entrada. Se por exemplo, o sinal de entrada for pequeno, a tensão e a corrente do transistor variarão mas não suficiente para levá-lo ao corte ou saturação. O corte é condição em que o transistor não conduz. A saturação é a condição em que a tensão nos terminais do transistor é a menor possível, com a corrente através do transistor atingindo um valor limite, dependendo do circuito externo. O ponto C também permitiria alguma variação positiva e negativa com o dispositivo ainda operando, mas a tensão de saída não poderia diminuir muito em virtude do potencial do ponto C ser menor que o do ponto B. O ponto C, também está muito próximo à região não-linear, em que o ganho do dispositivo é menor abaixo da característica e maior acima. O ponto D fixa o ponto de operação do transistor próximo ao nível máximo de tensão. A oscilação da tensão de saída no sentido positivo é portanto limitada, pois caso contrário a tensão máxima é ultrapassada. Então, se numa determinada aplicação deseja-se que o sinal do circuito varie tanto positiva quanto negativamente em relação ao ponto de operação, o ponto mais indicado é o ponto B. Um outro fator de polarização muito importante deve ser considerado. Tendo calculado a polarização para um ponto desejado de operação, vemos que o efeito da temperatura também deve ser levado em conta. A temperatura faz com que certas características do dispositivo, tais como ganho de corrente e corrente de fuga (corrente devido ao fluxo de cargas minoritárias), mudem. Uma temperatura mais elevada resulta em uma corrente maior do que à temperatura ambiente, conseqüentemente prejudicando a condição de operação fixada pelo circuito de polarização. Por esta razão, o circuito de polarização também deve ter um grau de estabilidade de temperatura, de forma que mudanças da temperatura do dispositivo resultem no mínimo de mudanças do ponto de operação. 5.2 Reta de Carga A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos quiescentes possíveis para uma determinada polarização. Por ser uma reta, ela necessita apenas de dois pontos de operação conhecidos (geralmente pontos de corte e saturação) para a sua determinação, como pode ser observado na Figura 23. Além disso, a reta de carga depende da configuração adotada para o transistor, como será visto a seguir. IC I Csat Reta de Carga I Ccorte VCEsat VCEcorte VCE Figura 23 – Reta de Carga de um Transistor. 23 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 5.3 Circuitos Polarizadores do Transistor Existem vários circuitos que podem polarizar um transistor. A seguir serão apresentados alguns, com análise das malhas de entrada e saída e determinação da reta de carga para cada caso. 5.3.1 Polarização em Base Comum A configuração em base comum (BC) constitui um ponto relativamente imediato e simples em nossas considerações sobre polarização DC. Na Figura 24 é apresentada a configuração de um circuito base-comum. VCE RC RE VBE VEE VCB IB IE VCC IC Figura 24 - Circuito de Polarização em Base Comum. Como pode ser observado, são necessárias duas fontes dc separadas para esta configuração. As fontes VCC e VEE, junto com os resistores, são utilizadas para fixar o ponto de operação. Os resistores RE e RC, também têm a função de limitar as correntes no transistor de forma que elas não ultrapassem os valores máximos permitidos. Para calcular os resistores, a análise do circuito é feita em duas etapas: análise da malha de entrada (malha base-emissor) e da malha de saída (malha base-coletor), através da Segunda Lei de Kirchhoff. Considerando o circuito da Figura 24, tem-se: Malha de Entrada: É composta pela bateria VEE, pelo resistor RE e pela junção emissor-base do transistor VBE. Escrevendo a equação de tensão para esta malha, tem-se que: − VEE + I E R E + VBE = 0 . Portanto, o resistor RE é dado por: RE = VEE − VBE . IE VBE é a tensão de polarização direta da junçãobase-emissor, e vale 0,7 V (para o transistor de silício) e 0,3 V ( para o transistor de germânio). Malha de Saída: Consiste na bateria VCC, no resistor RC e na tensão nos terminais da junção coletor-base do transistor, VCB. Somando as quedas de tensão da malha de saída ou de coletor-base obtemos: + VCC − I C R C − VCB = 0 . Então a equação para o resistor RC, é: RC = VCC − VCB . IC 24 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Determinação da Reta de Carga Para esta configuração, determina-se os dois pontos para que seja estabelecida a reta de carga da seguinte forma: • Ponto de Saturação: Na saturação, VCBsat = 0. Assim, pela equação da malha de saída, tem-se que: RC = • VCC − VCBsat V −0 V ⇒ I Csat = CC . ⇒ I Csat = CC I Csat RC RC Ponto de Corte: No corte, ICcorte = 0. Assim, pela equação da malha de saída, tem-se: RC = VCC − VCBcorte ⇒ VCBcorte = VCC − R C ⋅ I Ccorte ⇒ VCBcorte = VCC . I Ccorte Com esses dois pontos, traça-se a reta de carga sobre a curva característica de saída da configuração BC, como é apresentado na Figura 25. IC (sat) IE VCC RC Reta de Carga VCC VCB (corte) Figura 25 – Reta de Carga na Configuração Base Comum. Determinada a reta de carga, limita-se as possibilidades de operação do transistor, pois o ponto quiescente estará obrigatoriamente sobre ela. Fixado o ponto quiescente (ICQ e VCBQ) através dos resistores RE e RC, qualquer variação de tensão ou corrente no transistor corresponderá a um deslocamento deste ponto sobre a reta de carga (observe a Figura 26). IC IE VCC RC ∆ IC Q ∆I E VCC ∆VCB VCB Figura 26 – Deslocamento do Ponto Quiescente. 25 Maria Bernadete de Morais França Exemplo III http://www.mariabernadete.rg3.net/ Polarização na Configuração BC Polarizar e traçar a reta de carga de um transistor com β = 150, sabendo-se que o mesmo deve operar no meio da região ativa, no ponto quiescente formado por: VCBQ = 10 V, ICQ = 2 mA e VBEQ = 0,7 V. Dados do circuito: VEE = 5 V e VCC = 20 V. Característica de Saída do Transistor I C(mA) Circuito de Polarização IE 4 mA 4 3,5 mA 3 mA 3 2,5 mA 2 2 mA 1,5 mA 1 1 mA 5 10 15 V (V) 20 CB RESPOSTA: Calculando RC, tem-se: RC = VCC − VCBQ ICQ = 20 − 10 ⇒ RC = 5 kΩ . 2 × 10 −3 Calculando RE, tem-se: 150 β ⇒α= ⇒ α = 0,9934 150 + 1 β +1 ICQ 2 × 10 −3 IEQ = ⇒ IEQ = ⇒ IEQ = 2,013 mA α 0,9934 VEE − VBEQ 5 − 0,7 RE = ⇒ RE = ⇒ IEQ = 2136 Ω IEQ 2,013 × 10 −3 α= calculados os resistores de polarização, é possível traçar sua reta de carga sobre a curva característica de saída do transistor: V 20 Para VCBsat = 0 ⇒ ICsat = CC ⇒ ICsat = = 4 mA . RC 5000 E para ICcorte = 0 ⇒ VCBsat = VCC = 20 V. A reta de carga é mostrada abaixo. I C(mA) IE 4 mA 3,5 mA 3 mA 4 3 2,5 mA Q I CQ 2 2 mA 1,5 mA 1 1 mA 5 10 VCBQ 15 20 V (V) CB Note que o ponto Q acima da curva de IE = 2 mA, já que IEQ = 2,013 mA. 26 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Com esses dados é possível calcular também a corrente de base quiescente e a potência dissipada pelo coletor do transistor. IBQ = IEQ – ICQ ⇒ IBQ = 2,013-2 ⇒ IBQ = 0,013 mA = 13 µA. PC = VCBQ.ICQ ⇒ PC = 10x2x10-3 ⇒ PC = 20 mW. Na prática não é muito interessante utilizar mais de uma fonte de alimentação para alimentar um circuito, a não ser em casos muito especiais. Uma alternativa para solucionar este problema é apresentada na Figura 27, onde é colocado um divisor de tensão na base, alimentado com uma única fonte VCC’, de modo que a tensão em RB2 faça o papel de VEE, e a tensão em RB2 substitua a tensão VCC do circuito de polarização anterior. RC RE VCC VEE R B1 R B2 V'CC Figura 27 – Polarização BC com uma Fonte de Alimentação. Para a Figura 27, temos que: VEE = R B2 ' VCC R B2 + R B1 e VCC = R B1 ' VCC . R B2 + R B1 5.3.2 Polarização em Emissor Comum Utilizando duas baterias e resistores para limitar as correntes e fixar o ponto quiescente, podese utilizar o circuito na configuração emissor comum apresentado na Figura 28. Figura 28 – Circuito de Polarização em Emissor Comum. 27 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Da mesma forma apresentada na polarização em base comum, faremos a análise das malhas de entrada e saída desse circuito. Malha de Entrada: Composta pela bateria VBB e o resistor RB e pela junção base-emissor. Então aplicando a lei das malhas tem-se que: R B ⋅ I B + VBE = VBB . Portanto a equação de RB é: RB = VBB − VBE . IB Malha de Saída: Formada pela bateria VCC, o resistor RC e a junção coletor-emissor. Então tem-se que R C ⋅ I C + VCE = VCC . De onde retiramos a equação para RC, como sendo: RC = VCC − VCE . IC Como já foi mencionado utilizar duas fontes não é prático na polarização de um circuito. Existem várias formas para simplificar esta polarização, como veremos a seguir. 5.3.3 Polarização EC com Corrente de Base Constante Esta polarização também é chamada de polarização fixa. Para eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode-se fazer um divisor de tensão entre o resistor de base RB e a junção base-emissor, utilizando apenas a fonte VCC, como é apresentado na Figura 29. Figura 29 – Polarização EC com Corrente de Base Constante. Para garantir a polarização direta na junção base-emissor e reversa na junção coletor-emissor, RB deve ser maior que RC, para que VCE seja maior que VBE, para que a corrente do coletor seja muito maior que a corrente da base. Analisando este circuito tem-se que: 28 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ R B ⋅ I B + VBE = VCC . Malha de Entrada: Então a equação para RB é: RB = VCC − VBE . IB R C ⋅ I C + VCE = VCC . Malha de Saída: E a equação para RC é: RC = VCC − VCE . IC Neste circuito, como VCC e RB são valores constantes e VBE praticamente não muda, a variação da corrente de polarização da base é desprezível. Daí o motivo desse circuito ser também chamado de polarização fixa. Exemplo IV Polarização EC com Corrente de Base Constante Dado um transistor com β = 200 e uma fonte de alimentação de 12 V, determinar os resistores de polarização (valores comerciais) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC/2, ICQ = 15 mA e VBEQ = 0,7 V. RESPOSTA: Calculando RC, tem-se: RC = VCC − VCEQ ICQ = 12 − 6 ⇒ RC = 400 Ω 15 × 10 −3 Os valores comerciais disponíveis são RC = 470 Ω ou RC = 390 Ω A potência dissipada por RC é: Para RC = 390 Ω: PRC = RC . I2CQ = 390x(15x10-3)2 = 87,75 mW (1/8 W). Para RC = 470 Ω: PRC = RC . I2CQ = 470x(15x10-3)2 = 106 mW (1/4 W). Calculando RB, tem-se: I 15 × 10 −3 IBQ = CB ⇒ IBQ = ⇒ IBQ = 75 µA β 200 VCC − VBEQ 12 − 0,7 RB = ⇒ RB = ⇒ RB = 150667 Ω IBq 75 × 10 − 6 O valor comercial adotado é RB = 150 kΩ. A potência de RB é: PRB = RB . I2BQ = 150x103x(75x10-6)2 = 0,84 mW (1/8 W). Este tipo de polarização não é muito utilizada quando se deseja que o transistor trabalhe na sua região linear. Pois ele tem o inconveniente de ser muito sensível à variações de temperatura. Ele pode utilizado em circuitos digitais, onde os transistores podem ser utilizados como chaves (em corte ou saturação). Diante deste problema, apresentaremos a seguir como a temperatura influência o comportamento de um transistor. 5.3.4 Influências da Temperatura no Comportamento dos Transistores O cristal semicondutor é um material sensível à temperatura, ou seja, seu aumento pode fornecer energia suficiente aos átomos do cristal, gerando novos portadores. Assim sendo, os diodos e 29 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ transistores sofrem influência da temperatura. No caso dos transistores, a variação da temperatura altera principalmente o parâmetro β, a tensão VBE e a corrente de fuga. Na Figura 33, está esboçada graficamente a influência da temperatura para o parâmetro β e VBE. β 200 I (mA) C 50 oC -50 oC 100 o C 25 oC o 150 50 C 100 25 o C 100 oC 50 IC 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 VBE(V) Figura 30 – Influência da Temperatura no Transistor. A variação de VBE com a temperatura é muito baixa, ela diminui 2,5 mV por oC, por isso esta variação na maioria dos casos é desprezível. Porém, a corrente de fuga e o β podem ter variações acentuadas. No caso do β, esta mesma variação na temperatura, pode dobrar seu valor. Isto ocasiona uma grande variação na corrente de coletor, sem que haja variação na corrente de base. Isto deixa o circuito da Figura 29, instável. Vamos analisá-lo. Com a determinação do ponto quiescente, o que se deseja é fixar a corrente e a tensão de saída do circuito. Na polarização fixa, reproduzida na Figura 31, o ponto quiescente deve fixar os valores ICQ e VCEQ. Figura 31 – Variação do Ponto Q por Influência da Temperatura. Analisando a malha de saída, formada por VCC, RC e VCE, observamos que o aumento da temperatura faz com que a corrente do coletor ICQ aumente, aumentando a tensão VRC. Sendo VCC constante, esse aumento de VRC tem que ser compensado pela diminuição de VCEQ. Diminuindo VCEQ, um novo aumento de ICQ é provocado, resultando numa realimentação positiva, ou seja, numa instabilidade do circuito. 30 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Portanto, uma forma de contornar este problema é forçar uma realimentação negativa, sempre que houver uma tendência de instabilidade no circuito. A solução para isto é colocar em séria com o emissor um resistor, como será visto a seguir. 5.3.5 Polarização EC com Corrente de Emissor Constante Neste tipo de polarização, é inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte de alimentação, como é apresentado na Figura 32. Figura 32 – Polarização EC com Corrente de Emissor Constante. Analisando este circuito, percebe-se que se ocorrer um aumento na corrente de coletor devido ao aumento da temperatura, a corrente de emissor também aumenta. Conseqüentemente, aumentam VRC e VRE. Isto provoca uma diminuição de VCEQ, dando início à realimentação positiva (instabilidade). Porém, o aumento de VRE causa uma diminuição de VRB na malha de entrada, já que VBEQ mantém-se praticamente constante. A diminuição de VRB, por sua vez, provoca a diminuição de IBQ e conseqüentemente de ICQ, compensando o seu aumento inicial. A resposta dada por RE para o aumento de ICQ, chama-se realimentação negativa, e garante a estabilidade do circuito e do ponto quiescente. Como a realimentação negativa faz ICQ voltar ao seu ponto original, o mesmo acontece com IEQ, que mantém-se também constante. Daí este circuito de polarização ser conhecido como polarização EC com corrente de emissor constante. Agora, faremos uma análise matemática do que acontece nesse tipo de polarização. Equacionando o circuito da Figura 32 tem-se que: R B ⋅ I B + VBE + R E ⋅ I E = VCC . Malha de Entrada: Então, a equação para RB é: RB = Malha de Saída: VCC − VBE − R E ⋅ I E . IB R C ⋅ I C + VCE + R E ⋅ I E = VCC . Então, a equação para RC é: 31 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ RC = VCC − VCE − R E ⋅ I E . IC Neste caso, tem-se duas equações para três incógnitas: RB, RC e RE. Na prática, adota-se um dos seguintes critérios: 1) Adota-se um valor para RE compatível com as tensões e correntes do circuito; 2) Adota-se uma tensão para VRE de valor pequeno em relação à VCC, para que o resto da tensão possa ser utilizada para determinar a tensão e a corrente de saída quiescentes, respectivamente, VCEQ e ICQ (esta última através de VRC). Normalmente, utiliza-se VRE = VCC/10. Exemplo V Polarização EC com Corrente de Emissor Constante Dado um transistor com β = 250 e uma fonte de alimentação de 20 V, determinar os resistores de polarização (valores comerciais) para o ponto quiescente: VCEB = VCC / 2, ICQ = 100 mA e VBEQ = 0,7 V. RESPOSTA: Cálculo de RC: Adotando-se VRE = VCC/10 = 2 V: VCC − VCEQ − VRE 20 − 10 −2 RC = = ⇒ RC = 80 Ω ICQ 100 × 10 −3 Valor comercial adotado: RC = 82 Ω. Potência de RC: PRC = RC . I2CQ = 82 x (100x10-3)2 = 0,82 W (1,5 W). Cálculo de RB: ICQ 100 × 10 −3 ⇒ IBQ = ⇒ IBQ = 400 µA IBQ = β 250 VCC − VBEQ − VRE 20 − 0,7 − 2 ⇒ RB = ⇒ RB = 43250 Ω RB = IBQ 400 × 10 − 6 Valor comercial : RB = 47 kΩ. Potência de RB: PRB = RB . I2BQ = 47 x 103 x (4x10-6)2 = 7,52 mW (1/8 W). Cálculo de RE: IEQ = ICQ + IBQ ⇒ IEQ = 100 × 10 −3 + 300 × 10 −6 = 100,4 mA RE = VRE IEQ ⇒ RE = 2 ⇒ RE = 19,92 Ω 100,4 × 10 −3 Valor comercial: RE = 22 Ω. Potência de RE: PRE = RCE. I2EQ = 22 x (100,4x10-3)2 = 222 mW (1/2 W). 5.3.6 Polarização EC com Divisor de Tensão na Base Uma outra forma de solucionar o problema da instabilidade com a temperatura é o circuito de polarização apresentado na Figura 33, conhecido como polarização por divisor de tensão na base. Este tipo de circuito de polarização é projetado de forma a fixar o valor de VRB2. Da malha de entrada, tem-se: VRB2 = VBE +VRE. Fixado o valor de VRB2, como VBE é praticamente constante com a temperatura, VRE também permanece constante. Isto garante a estabilidade de IEQ e ICQ, independe da variação de β. 32 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ O valor de RB2 pode ser fixado a partir da sua corrente, adotando-se o seguinte critério: IB2 = 10.IB. Equacionando este circuito, tem-se: Figura 33 – Polarização EC com Divisor de Tensão na Base. R B2 ⋅ I B2 = VE + R E ⋅ I E , Malhas de Entrada: R B1 ⋅ I B1 + VBE + R E ⋅ I E = VCC . Portanto, as equações de RB2 e RB1 são: R B2 = VBE + R E ⋅ I E I B2 Malha de Saída: e R B1 = VCC - VBE − R E ⋅ I E I B1 R C ⋅ I C + VCE + R E ⋅ I E = VCC . Então a equação para RC é: RC = VCC − VCE − R E ⋅ I E . IC Para este tipo de polarização, devido ao número de incógnita, vale também o seguinte critério prático: VRE = VCC/10. 5.3.7 Determinação da Reta de Carga Considerando o circuito de polarização EC apresentado na Figura 33, para determinação de sua resta de carga, temos que encontrar dois pontos que definam esta reta. Estes pontos serão os pontos de corte e saturação, cujas determinações serão mostradas a seguir. Ponto de Saturação: significa VCEsat = 0. Pela equação da malha de saída, tem-se que: R C ⋅ I Csat + VCE + R E ⋅ I Esat = VCC ⇒ R C ⋅ I Csat + R E ⋅ I Esat = VCC . Como IC ≅ IE, tem-se: 33 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ (R C + R E )I Csat = VCC ⇒ I Csat = VCC . (R C + R E ) Ponto de Corte: em que ICcorte = IEcorte = 0. Pela equação de malha de saída, tem-se: R C ⋅ I Ccorte + VCEcorte + R E ⋅ I Ecorte = VCC ⇒ VCEcorte = VCC . Com esse dois pontos, traça-se a reta de carga sobre a curva característica de saída da configuração EC, onde se localizará o ponto quiescente, como é apresentado na Figura 34. Figura 34 – Reta de Carga na Configuração EC. Exemplo VI Polarização EC com Divisor de Tensão na Base Dado um transistor com β e uma fonte de alimentação de 9 V, determinar os resistores de polarização (valores comerciais) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC/2, ICQ = 20 mA e VBEQ = 0,65 V e traçar a sua reta de carga. Característica de Saída do Transistor I (mA) C Circuito de Polarização IB 140 µ A 120 µ A 50 40 30 20 10 100 µ A 80 µA 60 µA 40µ A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 VCE (V) RESPOSTA: Cálculo de RC: Adotando-se VRE = VCC/10 = 0,9 V 34 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ RC = VCC − VCEQ − VRE ICQ = 9 − 4,5 − 0,9 ⇒ RC = 180 Ω 20 × 10 −3 Valor comercial: RC = 180 Ω. Potência de RC: PRC = RC ⋅ I2CQ = 180 × (20 × 10 −3 )2 = 72mW Cálculo de RB1 e RB2: IBQ = ICQ β ⇒ IBQ = (1 / 8 W) 20 × 10 −3 ⇒ IBQ = 80 µA 250 IB2 = 10 ⋅ IBQ ⇒ IB2 = 10 × 80 × 10 − 6 ⇒ IB2 = 800 µA IB1 = IBQ + IB2 = 80 × 10 − 6 + 800 × 10 − 6 = 880 µA Da malha inferior de entrada, tem-se: V + VRE 0,65 + 0,9 RB2 = BE ⇒ RB2 = ⇒ RB2 = 1937 Ω IB2 800 × 10 − 6 Valor comercial: RB2=2k2 Ω. Potência de RB2: PRB2 = RB2 ⋅ I2B2 = 2,2 × 103 × (800 × 10 −6 )2 = 1,41 mW (1 / 8 W) Da malha formada por VCC, RB1, VBE e VRE, tem-se: V − VBE − VRE 9 − 0,65 − 0,9 RB1 = CC ⇒ RB1 = ⇒ RB1 = 8466 Ω . IB1 880 × 10 − 6 Valor comercial: RB1 = 8k2 Ω. Potência de RB1: PRB1 = RB1 ⋅ I2B1 = 8,2 × 103 × (880 × 10 −6 )2 = 6,351 mW (1 / 8 W) Cálculo de RE: IEQ = ICQ + IBQ ⇒ IEQ = 20 × 10 −3 + 80 × 10 −6 ⇒ IEQ = 20,08 mA RE = VRE IEQ ⇒ RE = 0,9 ⇒ RE = 44,8 Ω 20,08 × 10 −3 Valor comercial adotado: RE = 47 Ω. Potência de RE: PRE = RE ⋅ I2EQ = 47 × (20,08 × 10 −3 )2 = 19 mW (1 / 8 W) Determinação da reta de carga: VCC 9 Para VCEsat = 0 ⇒ ICsat = ⇒ ICsat = = 40 mA . RC + RE (180 + 47) E para ICcorte = 0 ⇒ VCEsat = VCC = 9 V. A reta de carga com o ponto quiescente calculado é mostrada abaixo. I (mA) C IB 140 µ A 50 40 30 20 10 120 µ A Q 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 µ A 80 µA 60 µA 40µ A VCE (V) 35 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 5.3.8 Polarização em Coletor Comum A terceira conexão para o transistor resulta na entrada pelo circuito de base e na saída pelo circuito de emissor, com o coletor comum(CC) às entradas ac e aos sinais de saída. Uma aplicação merece destaque para este tipo de polarização. É o circuito seguidor de emissor, que é apresentado na Figura 35. Figura 35 – Circuito Seguidor de Emissor. Observa-se que, como não existe resistor de coletor, este terminal fica diretamente ligado ao pólo positivo da fonte de alimentação. Porém, para sinais alternados, uma fonte de tensão contínua é considerada um curto. Neste caso, é como se o coletor estivesse conectado ao terra da fonte de alimentação, ou seja, para os sinais alternados, o coletor é comum às tensões de entrada VE e saída VS. Analisando o circuito, tem-se que a equação que relaciona as tensões de entrada e saída: vS = vE – VBE. Este circuito é chamado de seguidor de emissor porque a tensão de saída (tensão de emissor) segue as variações da tensão de entrada (tensão da base). Isto acontece pois, sendo VBE praticamente constante, a tensão de saída será sempre igual à de entrada, subtraindo-se VBE. Por exemplo, sendo VBE = 0,7, se a tensão de entrada variar de 2 V para 4 V (∆VE = 2 V), tensão de saída variará de 1,3 V para 3,3 V (∆VS = 2 V). Isto mostra que a tensão está em fase com a tensão de entrada e que este circuito é extremamente linear. Outra característica deste circuito é que ele possui alta impedância de entrada e baixa impedância de saída, sendo muito utilizado para fazer o casamento de impedâncias entre circuitos (estes conceitos serão apresentados com mais detalhes nos capítulos que tratarão sobre amplificadores). O cálculo de resistores de polarização pode ser feito através das equações das malhas de saída e entrada, como seguem: Malha de Entrada: R B ⋅ i B + VBE + R E ⋅ i E = VCC . Portanto, RB vale: RB = Malha de Saída: VCC − VBE − R E ⋅ i E iB VCE + R E ⋅ i E = VCC . Portanto, RE vale: 36 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ RE = Exemplo VII VCC − VCE iE Polarização CC (Seguidor de Emissor) Seja um transistor com β = 150 e uma fonte de alimentação de 10 V, determinar os resistores de polarização (valores comerciais) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC/2, ICQ = 20 mA e VBEQ = 0,7 V. Cálculo de RE: β ⇒ α = 0,9934 α= β+1 ICQ ⇒ IEQ = 20,133 mA IEQ = α VCC − VCEQ ⇒ RE = 248,35 Ω RE = IEQ Valor comercial adotado: RE = 220 Ω. Potência de RE: PRE = RE ⋅ I2EQ = 220 × (20,133 × 10 −3 )2 = 89 mW Cálculo de RB: (1 / 8 W) IBQ = IEQ − ICQ = 20,133 × 10 −3 − 20 × 10 −3 ⇒ IB = 133 µA RB = VCC − VBE − RE ⋅ IEQ IBQ ⇒ RB = 36622 Ω Valor comercial adotado: RB = 39 kΩ. Potência de RB: PRB = RB ⋅ I2BQ = 39 × 103 × (133 × 10 −6 )2 = 0,7 mW (1 / 8 W) Pelos valores obtidos, pode-se perceber que este circuito apresenta alta impedância de entrada (ordem de grandeza de RB) e baixa impedância (ordem de grandeza de RE). Assim, uma aplicação para ele seria a de servir como circuito de acoplamento (casador de impedâncias) entre um circuito de alta impedância de saída e um circuito de baixa impedância de entrada, garantindo a máxima transferência de potência, como é apresentado na Figura 36. Figura 36 – Casamento de Impedâncias. Por isso é muito importante a linearidade do circuito seguidor de emissor, pois isso garante que o mesmo não irá distorcer o sinal de saída do circuito I. 37 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 6 Aplicações Básicas do Transistor Entendemos por básicas, as aplicações que envolvem apenas os conceitos de polarização dos transistores. Neste capítulo serão analisadas duas aplicações dos transistores muito importantes para a eletrônica: o transistor como chave e o estabilizador de tensão transistorizado. 6.1 Transistor como Chave Um transistor operando na região de saturação e de corte funciona como uma chave, ou seja, como um elemento de controle on-off, conduzindo corrente ou não. Figura 37 – Analogia Transistor – Chave. O circuito de polarização utilizado nesta aplicação é o de corrente de base constante com duas fontes de alimentação, sendo que a fonte de polarização da base é, na realidade, o sinal de entrada que controla o transistor, cortando-o (chave aberta) ou saturando-o (chave fechada). Circuito Curva Característica. Figura 38 – Transistor Operando como Chave. Para que o transistor opere na região de corte Q1, é necessário que a tensão de entrada VE seja menor que VBE de condução. Nesta situação, não circula corrente pelo coletor (ICcorte ≅ 0) e a tensão de saída é máxima (VS = VCEcorte ≅ VCC). Para o transistor trabalhar na região de saturação Q2, é necessário que a tensão de entrada VE seja maior que VBE de condução. Nesta situação, a corrente de coletor é máxima (ICsat), dentro de um limite imposto pela polarização, e a tensão de saída é mínima. Para dimensionar RC e RB, utiliza-se a análise das malhas de entrada e saída. Malha de Entrada: VRB = VE – VBE 38 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ VRC = VCC – VCE Malha de Saída: Assim tem-se: RB = VE − VBE IB e RC = VE − VCE IC Como o corte do transistor depende apenas da tensão de entrada VE, o cálculo dos resistores de polarização é feito baseando-se apenas nos parâmetros de saturação. Um transistor comum, quando saturado, apresenta um VCEsat de aproximadamente 0,3 V e um determinado valor mínimo de β (entre 10 e 50), para garantir a saturação. A corrente de coletor de saturação ICsat depende da resistência acoplada ao coletor ou da corrente imposta pelo projeto. Assim, as equações são reescritas para: RB = Exemplo VIII VE − VBE I Bsat e RC = VE − VCEsat I Csat Transistor como Chave 1) No circuito a seguir, deseja-se que o LED seja acionado quando a chave estiver na posição OFF. Parâmetros do Transistor BC548: VBEsat = 0,7 V VCEsat = 0,3 V βsat = 20 ICmax = 200 mA VCEmax = 80 V Parâmetros do LED: VD = 1,5 V ID = 25 mA Os resistores de polarização do transistor devem ser calculados considerando a região de saturação, ou seja, quando a chave estiver na posição ON. Malha de Saída: VRC = VCC − VCEsat − VD ICsat = ID Então, RC pode ser calculado da seguinte forma: V − VCEsat − VD RC = CC ⇒ RC = 288 Ω ICsat Valor comercial adotado: RC = 270 Ω. Potência de RC: PRC = RC ⋅ I2Csat = 270 × (25 × 10 −3 )2 = 168,75 mW Malha de Entrada: Calculando RB: (1 / 4 W) VRB = VE – VBEsat 39 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ IBsat = RB = ICsat ⇒ IBsat = 1,25 mA βsat VE − VBEsat IBsat ⇒ RB = 6640 Ω Valor comercial: RB = 6k8 Ω. Potência de RB: PRB = RB ⋅ I2Bsat = 66,8 × 103 × (1,25 × 10 −3 )2 = 10,625 mW (1 / 8 W) Quando a chave passa para a posição OFF, a entrada é aterrada (VE < VBE), causando o corte do transistor e, conseqüentemente o LED se apaga. 2) Um circuito digital (TTL) foi projetado para acionar um motor de 110 V/60 Hz sob determinadas condições. Para tanto, é necessário que um transistor como chave atue sobre um relé, já que nem o circuito digital, nem um transistor podem acionar este motor. O circuito uitlizado para este fim está mostrado a seguir: Neste circuito, em série com RC coloca-se a bobina do relé. Esta bobina, normalmente apresenta uma resistência DC da ordem de algumas dezenas de Ohm. Por ser tão baixa, o resistor RC tem a função de limitar a corrente no transistor, para não danificá-lo. O diodo em paralelo com a bobina serve para evitar que o transistor se danifique devido à corrente reversa gerada por ela no chaveamento do relé. Parâmetros do Transistor 2N222: VBEsat = 0,7 V VCEsat 0,3 V βsat = 10 ICmax = 500 mA VCEmax = 100 V Cálculo de RC: V − RR ⋅ IR − VCEsat RC = CC IR Parâmetros do relé: RR = 80 Ω IR = 50 mA ⇒ RC = 14 Ω Valor comercial adotado: RC = 15 Ω. Potência de RC: PRC = RC ⋅ I2Csat = 15 × (50 × 10 −3 )2 = 37,5 mW Cálculo de RB: IBsat = (1 / 8 W) ICsat ⇒ IBsat = 5m A βsat Considerando que a tensão de saída nível alto TTL atinge 5 V tem-se: 40 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ RB = VE − VBEsat IBsat ⇒ RB = 860 Ω Valor comercial: RB = 820 Ω. Potência de RB: PRB = RB ⋅ I2Bsat = 820 × (5 × 10 −3 )2 = 20,5 mW (1 / 8 W) 6.2 Fonte de Tensão Estabilizada Uma outra aplicação para os transistores é na construção de fontes de tensão estabilizadas. Uma fonte de tensão estabilizada ideal é aquela que mantém a tensão de saída constante, independe da corrente solicitada pela carga. Na prática, isto só acontece dentro de uma faixa de valores de correntes na saída. Na Figura 39 são apresentados dois circuitos estabilizadores de tensão, sendo um para tensões positivas (com transistor NPN) e o outro para tensões negativas (com transistor PNP). (a) Tensão de Saída Positiva (b) Tensão de Saída Negativa Figura 39 – Circuitos Estabilizadores de Tensão. O circuito utilizado para implementar esta fonte é baseado na configuração base comum. A tensão de entrada VE pode ser constante (desejando estabilizá-la num valor menor) ou vir de um circuito retificador com filtro, cuja saída apresenta ondulação (ripple). O diodo zener garante a estabilidade e o transistor permite amplificar a faixa de valores de corrente de saída, sem sobrecarregar o diodo zener. RS é um resistor limitador de corrente para o diodo zener. Como os dois circuitos são semelhantes, a análise a seguir terá como referência o circuito estabilizador de tensão positiva, considerando que o mesmo está alimentando uma carga RL qualquer. Considerando o circuito da Figura 40, a tensão de saída pode ser determinada pela malha externa e pela malha de saída: Figura 40 – Análise do Circuito Estabilizador de Tensão. 41 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Malha Externa: VS = VE – VCE . (I) Malha de Saída: VS = VZ – VBE . (II) Sendo este um circuito estabilizador de tensão deve compensar tanto as variações de tensão de entrada VE, como as variações de corrente de saída IS (causadas pelas variações na carga RL). Pela equação (II), nota-se que a tensão de saída VS é constante, pois tanto a tensão zener VZ como a tensão VBE são estáveis. Assim, qualquer variação na carga é compensada pela variação de IS, mantendo a tensão de saída constante. No transistor tem-se que: VCE = VCB + VBE. Deste modo, um aumento na entrada VE, causa um aumento em VCB. Como VBE é constante, VCE aumenta. Portanto, pela equação (I), VS permanece constante. O mesmo ocorre para diminuição de VE, ou seja, VCE compensa as variações de tensão na entrada. Como VCB = VRS, as variações de tensão provocam variações na corrente IRS, que são absorvidas pelo diodo zener com variações de IZ, sem que sua tensão de saída se altere. Como se vê, as variações na tensão de entrada e na corrente de saída são sempre compensadas pelas variações de VCE e IZ. Por outro lado, existem limites máximos e mínimos tanto para VCE como para IZ. Isto limita os valores máximos e mínimos da tensão de entrada e da corrente de saída, para que haja tanto a estabilização da tensão como a proteção do transistor e do diodo zener. Limitações da Tensão de Entrada: menor. 1. O diodo zener limita a tensão mínima de entrada na garantia de regulação (IZm): VEm = (IB + IZm).RS + VZ. 2. O diodo zener limita a tensão máxima de entrada por sua corrente máxima de condução (IZM): VEM = (IB + IZM).RS + VZ. 3. O transistor limita a tensão mínima de entrada na sua condição de saturação (VCEsat): VEm = VCEsat+VS 4. O transistor limita a tensão máxima de entrada por sua tensão máxima (VCEmax): VEM = VCEM + VS. Das tensões mínimas VEm, escolhe-se a maior, e das tensões máximas VEM, escolhe-se a Limitações Impostas pela Corrente de Saída: A corrente mínima de saída é zero (circuito sem carga) e neste caso, IB = 0 e IZ = IRS. Portanto, a corrente de saída zero faz com que toda a corrente passe pelo diodo zener, limitando os valores mínimos e máximos de RS: A corrente máxima de saída ISM (carga muito baixa) é limitada pela corrente máxima de coletor do transistor (ICmax), que por sua vez, depende da potência máxima que o transistor pode dissipar (PCmax). Considerando IS ≅ IC, tem-se: ISM = ICmax e PCmax = (VEM – VS) . ISM As equações anteriores, referentes às limitações do circuito e dos dispositivos, devem ser utilizadas conforme as especificações do projeto e em função dos dispositivos disponíveis ou escolhidos. 42 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Exemplo IX Fonte Estabilizada Projetar uma fonte de alimentação de 15 V para um circuito eletrônico, cujo consumo de corrente varie entre 0 e 100 mA. A tensão de rede é de 220 V. 1) Escolha do Circuito de Entrada do Estabilizador de Tensão: Para obter uma tensão contínua para alimentar a fonte estabilizada, podem ser utilizados um transformador abaixador, um retificador de onda completa e um capacitor de filtro, para diminuir o ripple do sinal. O circuito utilizado é mostrado a seguir: 2) Escolha do Transformador: Um dado de ordem prática, é que a tensão VE deve ser pelo menos 50% maior que a tensão VS desejada. Assim, a tensão de entrada é estimada em: VE = 1,5 x VS ⇒ VE = 1,5 x 15 ⇒ VE = 22,5 V. Para este circuito, que utiliza um transformador com derivação central, a tensão de cada parte do secundário do transformador (V2a e V2b) deve ter um valor de pico próximo ao VE estipulado. Assim, a tensão eficaz no secundário do transformador deve ser próxima de: V2a(rms) = VE 2 ⇒ V2a(rms) = 15,91 V Portanto, será utilizado um transformador de 220 V/17,5 + 17,5 – 500 mA. Esta corrente foi escolhida, pois é bem maior que a corrente da carga, para que este transformador trabalhe com folga em caso de máximo consumo de corrente. 3) Escolha dos Diodos Retificadores e do Capacitor de Filtro Os diodos escolhidos são do tipo 1N4001 (100 V/ 1 A), facilmente encontrados comercialmente. O capacitor não necessita ter um valor tão alto, já que o ripple de saída será eliminado pelo estabilizador de tensão, mas deve ter uma tensão de isolação maior que a tensão de pico na saída do retificador. Assim, foi escolhido um capacitor de 1000 µF / 40 V. 4) Características do circuito Retificador com Filtro Com estes dispositivos, as características da tensão de entrada do circuito estabilizador podem ser estimadas em: VEM = V2a(rms) × 2 − VT ⇒ VEM = 17,5 × 2 − 0,7 ⇒ VEM = 24 V . Considerando um ripple VR = 4,3 V: VEm = VEM − VR ⇒ VEm = 24 − 4,3 ⇒ VEm = 19,7 V . 5) Escolha do Transistor: A escolha é feita em função da máxima potência de coletor. Então: PCmax=(VEM-VS).ISM=(24 – 15) x 100x10-3 = 900 mW Para garantir o funcionamento do transistor com folga, escolhe-se um que tenha uma potência máxima de pelo menos o dobro da potência desejada. Assim, escolheu-se o transistor BD137, que é muito comum no mercado e sua potência máxima é de 8 W, o que satisfaz com muita folga a necessidade do circuito. 6) Escolha do Diodo Zener: Como a fonte é de VS = 15 V, o diodo zener deve ter uma tensão de: VZ = VS + VBE ⇒ VZ = 15 + 0,7 ⇒ VZ = 15,7 V. 43 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Optou-se pelo diodo zener BZW03-C16, com VZ = 16 V e PZM = 6 W. Tem-se portanto: P IZM = ZM ⇒ IZM = 375 mA VZ IZm = 0,1 ⋅ IZM ⇒ IZm = 37,5 mA Embora a sua tensão nominal seja um pouco maior que a tensão necessária, a escolha se justifica pelo fato do fabricante prever para este dispositivo uma variação entre 15,3 e 17,1 V. Quando à corrente e potência máximas, mais adiante elas poderão ser comparadas com a corrente e potência máximas do diodo zener neste circuito. 7) Escolha do Resistor Limitador RS: V − VZ RSm = EM ⇒ RSm = 21,33 Ω IZM RSM = VEM − VZ IZm ⇒ RSM = 98,67 Ω Assim: 21,33 Ω ≤ RS ≤ 98,67 Ω. Valor adotado: RS = 68 Ω. (V − VZ )2 V 2RSM PRSM = ⇒ PRSM = EM ⇒ PRSM = 0,94 W . RS RS Portanto, será utilizado: RS= 68 Ω / 2W. 8) Verificação da Corrente e Potência Máximas do Diodo Zener: V − VZ V ⇒ IZMcirc = 117,65 mA IZMcirc = RSM ⇒ IZMcirc = EM RS RS PZMcic = IZMcir ⋅ VZ ⇒ PZMcic = 1,88 W Portanto, os parâmetros IZM e PZM do diodo zener escolhido estão compatíveis com as limitações do circuito. Finalmente, o circuito da fonte de tensão estabilizada fica como mostrada a seguir: Neste exemplo, o que se fez realmente foi projetar uma fonte de tensão de 15 V/100 mA, podendo ser utilizada para a alimentação de qualquer circuito de 15 V, desde que o mesmo tenha um consumo máximo de corrente de 100 mA, ou seja, desde que esse circuito represente uma carga RL, cujo valor mínimo seja de: V RLm = S ⇒ RLm = 150 Ω . ISM 44 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 7 Fundamentos de Amplificadores Nas aplicações mostradas anteriormente, foi considerada somente a polarização do transistor com um ponto quiescente Q, como base. Agora podemos acoplar em sua base um pequeno sinal alternado. Isto produz flutuações na corrente do coletor de mesma forma e freqüência, ou seja o transistor é utilizado como amplificador de sinais. Entretanto para o estudo adequado dos amplificadores, novos conceitos serão introduzidos, explorando toda a potencialidade do transistor. Assim, além de amplificador ser uma das principais aplicações do transistor, seu estudo será importante para a compreensão de vários parâmetros de circuitos, abrindo as portas para o estudo de diversos outros dispositivos, como o JFET e o MOSFET. 7.1 Parâmetros de um Amplificador Considerando como referência um transistor polarizado na configuração EC, cujo ponto quiescente está no meio da região ativa, uma pequena variação na tensão vBE (tensão de entrada) provoca uma variação semelhante na corrente de base iB(corrente de entrada). Esta variação em iB produz na corrente do coletor iC (corrente de saída) e na tensão vCE (tensão de saída), também uma variação com forma de onda que acompanha a forma da entrada, como pode ser observado Figura 41. (Note que foram utilizadas letras minúsculas para designar as variáveis, isto porque estas, agora representam sinais alternados.) Figura 41 – Variações de Tensão e Corrente no Transistor. 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 for muito grande, as flutuações ao longo da reta de carga levarão o transistor à saturação e ao corte. Isto elimina os picos do sinal e o amplificador não é mais linear. A partir desta análise inicial, serão definidos alguns parâmetros e conceitos importantes para a análise e o projeto de circuitos amplificadores. 45 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ 7.1.1 Ganhos de Corrente, Tensão, Potência e Defasagem Como a ordem de grandeza das variações da corrente de coletor ∆IC (em geral, mA) é maior que a ordem de grandeza da corrente de base ∆IB (em geral, µA), significa que as variações da corrente de entrada foram amplificadas de um fator Ai, denominado ganho de corrente: Ai = ∆I C ∆I B Da mesma forma, como a ordem de grandeza das variações da tensão de saída ∆VCE (em geral, V) é maior que a ordem de grandeza das variações da tensão de entrada ∆VBE (em geral, mV), significa que as variações da tensão de entrada foram amplificadas de um fator Av, denominado ganho de tensão: Av = ∆V CE ∆V BE No caso do ganho de tensão, para este circuito de referência, seu resultado é negativo, pois uma variação positiva na tensão de entrada causa uma variação negativa na tensão de saída. Isto significa que o amplificador defasa a saída em 180º. Já o ganho de corrente tem um resultado positivo, significando que o amplificador mantém a corrente de saída em fase com a corrente de entrada, ou que a defasagem é nula. Figura 42 – Sinais Variáveis no Amplificador. Defasagem, ganho de corrente e ganho de tensão são os três primeiro parâmetros importantes num amplificador, sendo que os dois últimos dão origem a um parâmetro complementar, denominado ganho de potência Ap: Ap = Av ⋅ Ai Obs.: O ganho de potência é calculado é em módulo, pois não faz sentido levar-se em conta um eventual sinal negativo, já que o mesmo refere-se à defasagem entre variações de entrada e saída. Um amplificador genérico pode ser representado pelo símbolo mostrado na Figura 43, sendo A o ganho de corrente, tensão ou potência, em função do parâmetro que se deseja enfatizar. 46 Maria Bernadete de Morais França http://www.mariabernadete.rg3.net/ Figura 43 – Símbolo do Amplificador. 7.1.2 Capacitores de Acoplamento Como foi mencionado anteriormente, para que os transistores possam operar de forma linear como amplificadores, eles devem estar polarizados na região ativa, cujas tensões e correntes quiescentes são valores contínuos (níveis DC – Direct Current) impostos pelos resistores e pela fonte de tensão contínua VCC que alimenta o circuito. Porém, se o sinal variável de entrada possui também um nível DC (por exemplo: positivo), este soma-se à tensão VBEQ, deslocando o ponto quiescente na reta para o próximo da região de saturação, como é mostrado na Figura 44. Figura 44 – Distorção pelo Deslocamento do Ponto Q. Com isso, o sinal de entrada, ao atingir o limite máximo, distorce o sinal de saída. Analogamente, se o sinal de entrada tiver uma componente negativa, o ponto quiescente se desloca no sentido contrário, provocando uma distorção no sinal de saída devido à sua proximidade com a região de corte. Para evitar este problema, entre o circuito gerador do sinal e a entrada do amplificador, é colocado um capacitor de acoplamento de entrada AC (Alternate Current), que bloqueia o nível DC, deixando passar apenas a componente AC. Por exemplo, na Figura 45(a), a tensão alternada no ponto A é transmitida para o ponto B. Para que isto aconteça, a reatância capacitiva XC deve ser muito pequena comparada com a resistência em série. 47 Maria Bernadete de Morais França R TH XC A http://www.mariabernadete.rg3.net/ B CC - ABERTO RL V TH A B CA - EM CURTO (a) (b) Figura 45 – (a) Capacitor de Acoplamento entre Fonte e Carga. (b) Circuito Equivalente para o Capacitor de Acoplamento. Não importa quais sejam os circuitos que estão de cada lado do capacitor; desde que se possa reduzir o circuito a uma única malha como na figura, a corrente alternada flui através de uma resistência total de RTH + RL. Sabe-se que, num circuito RC com uma única malha, a intensidade de corrente alternada é dada por: 1 V e XC = , I= 2πfC R 2 + X C2 em que R é a resistência total da malha, f a freqüência do sinal e C o valor do capacitor. Na Figura 45(a), R = RTH + RL. À medida que a freqüência aumenta, XC diminui até se tornar menor que R. Neste caso, a corrente atinge um máximo de V/R. Em outras palavras, o capacitor acopla sinal convenientemente de A par B quando XC<