MAF Eletricidade e Eletrônica

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1 PONTFÍCA UNVERSDADE CATÓLCA DE GOÁS ESCOLA DE CÊNCAS EXATAS E D TERRA Prfessr: Renat Medeirs MAF 1292 Eletricidade e Eletrônica NOTA DE AULA V Giânia 2018

2 Transistres iplares Até 1950 td equipament eletrônic utilizava válvulas que aquecia muit e cnsumia muits watts de ptencia. Pr SS, s equipaments a válvula exigiam uma fnte de alimentaçã rbusta e criavam uma ba quantidade de calr. Esquema de uma válvula. Válvula cmercial Em 1951, Shckley inventu primeir transistr de junçã e huve uma revluçã na eletrônica (Prêmi Nbel em 1956 em física). Eles revlucinaram a indústria de semicndutres e cntribuíram n desenvlviment de circuits integrads, circuits pt eletrônics e micrprcessadres. Mas a grande mudança crreu na indústria de micrcmputadres, antes um cmputadr cupava uma sala inteira (UNAC), hje eles cabem em uma escrivaninha (PC s) e até mesm na palma da mã (PAD) Curisidade sbre ENAC: Jhn W. Mauchly e J. Prester Eckert Jr., junt cm cientistas da Universidade da Pensylvânia e em parceria cm Gvern ds EUA, cnstruíram primeir cmputadr eletrônic, cnhecid cm ENAC (Eletrn ic Numerical ntegratr and Calculatr). As ideias de vn Neumann - que sã utilizadas até hje - fizeram cm que s cmputadres pudessem ser prgramads através de prgramas, rtinas de manipulaçã de dads que se utilizam de instruções próprias d cmputadr. O ENAC tinha as seguintes características: - ttalmente eletrônic válvulas

3 cnexões de slda - 30 tneladas de pes m² de área cnstruída - 5,5 m de altura - 25 m de cmpriment - 2 vezes mair que MARK 6.1 deias ásicas Na figura a seguir vems cristais que frmam transistr. O emissr é densamente dpad; sua funçã é de emitir, u injetar elétrns na base. A base é levemente dpada e muit fina; ela permite que a mairia ds elétrns injetads pel emissr passe para cletr. O nível de dpagem d cletr é intermediári, entre a dpagem densa d emissr e a dpagem graça da base. O cletr cleta u juntas s elétrns riunds da base. É mair pedaç d cristal e é nele que a mair parte de calr será dissipad. Os transistres têm duas junções, uma entre emissr e a base e utra entre a base e cletr. Pr causa diss, um transistr se assemelha a dis dids. Chamams did da esquerda de did emissr e da direita de did cletr. Pdems utilizar transistres tip npn e pnp (cnfrme figuras abaix). O que difere um d utr é tip de prtadres de cargas que serã lançads pel emissr.

4 Transistr pnp transistr pnp 6.2 transistres nã plarizads Cm s dids, s transistres também pssuem sua camada de depleçã. Entretant, cm tems agra dis dids, terems duas camadas de depleçã. Se fr de silíci, terems 0,7 V para cada camada de depleçã. Utilizarems s transistres de silíci, pis prprcinam especificações de tensões maires, mair crrente e menr sensibilidade à temperatura. 6.3 transistres plarizads Uma junçã PN é plarizada diretamente e a utra inversamente. A uniã desses dis cmpnentes pderá ser feita de duas frmas: uniã através d material P, para prduzir um transistr NPN e uniã através d material N, para prduzir um transistr PNP. 6.4 Funcinament de um transistr NPN A junçã emissr-base d transistr deve ser plarizada diretamente. A crrente circula d emissr para a base. Os elétrns prvenientes da área d emissr que chegam à área da base sã slicitads pr duas frças de atraçã: a primeira d terminal psitiv da bateria d cletr e a utra d terminal d terminal, também psitiv da bateria d emissr.

5 A tensã existente entre emissr e a base (V E) pssui tensã muit baixa, da rdem de 0,1 V enquant a tensã entre base e cletr (V C) ferece um valr bem mais elevad, pr exempl, 6 V. Cm iss pdems ntar que a grande mairia ds elétrns, cerca de 97%, a entrar na área da base será atraída pela área de mair tensã, a área d cletr; apenas uma pequena parte nã penetra na área da base e é atraída para terminal psitiv da bateria de plarizaçã. Esses pucs elétrns frnecem a crrente de base ( ), que pssui um valr muit pequen. Cada elétrn que deixa cletr deve ser substituíd e essa substituiçã é feita pel emissr que também deve ter seus elétrns substituíds, iss gera um flux cntínu de crrente. 6.5 Funcinament de um transistr PNP De frma similar a transistr d tip NPN, transistr PNP tem a junçã emissr-base plarizada diretamente, enquant a junçã base cletr é plarizada inversamente. Os prtadres majritáris n transistr PNP sã lacunas. Os elétrns d circuit extern passam para cletr e daí para emissr. As lacunas que penetram na área da base passam para cletr nde serã preenchidas cm elétrn prvenientes d terminal negativ da bateria de cletr. Os elétrns que chegam a emissr sã atraíds para terminal psitiv da bateria de plarizaçã. Cada elétrn que passa d emissr para a bateria de plarizaçã, deixa uma lacuna em seu lugar. Cm crre n transistr NPN, pdems aplicar uma pequena tensã de sinal a fim de prduzir um sinal amplificad na saída d cletr. 6.6 eta cc (β CC ) - Ganh de Crrente O β CC relacina a crrente d cletr cm a crrente da base, u seja, quant a crrente d cletr é mair que a crrente da base, sabend que a crrente d cletr é muit mair que a crrente da base. Quase tds s transistres pssuem β CC em trn de 20, u seja, a crrente n cletr é 20 vezes mair que a crrente na base. Pdems encntrar β CC variand de 20 a 300, e em alguns cass, tems transistres cm β CC de O parâmetr β CC é cnhecid cm ganh de crrente e pde ser calculad da seguinte maneira:

6 b CC = C Onde C é a crrente n cletr (crrente amplificada) e é a crrente na base (crrente a ser amplificada). Exercícis 01) O transistr tem uma crrente de cletr de 10 ma e uma crrente de base de 40 µa. qual é ganh de crrente d transistr? 02) O transistr tem um ganh de crrente de 175. Se a crrente da base fr de 0,1 ma, qual será a crrente n cletr? 6.7 Tensã de ruptura Cm as duas metades de um transistr sã dids, tensã reversa em demasia em qualquer did pde causar uma ruptura. Essa tensã de ruptura depende da largura da camada de depleçã e ds níveis de dpagem. Cm did emissr pssui uma dpagem alta, esse did tem uma tensã de ruptura baixa, em trn de 5 a 30 V, did cletr é mens dpad e, prtant, pssui uma tensã de ruptura mair, em trn de 20 a 300 V. 6.8 Cnexã Emissr cmum (EC) Um transistr encntra-se na mntagem emissr cmum, quand a entrada é na base e a saída é n cletr, tend emissr cm eletrd cmum. Características da mntagem: Ganh em crrente: grande. Ganh em tensã: médi. Resistência de entrada: média. Resistência de Saída: média. Ganh em ptência: Grande (40 a 50 d). Defasagem: 180 (defasagem da base para cletr). Sinal: entra na base e sai n cletr. O valr de V, tensã aplicada na base, é em trn de 5 a 15 V para aplicações de baixa tensã. Variand esse valr e valr da resistência da base (R ) pdems cntrlar a crrente da base ( ). N circuit cletr tems uma tensã de alimentaçã (V CC) e uma resistência d cletr (R C). A tensã entre cletr e emissr é denminada de V CE e a tensã entre a base

7 e emissr é denminada de V E. Cm já vims, a tensã V CC deve plarizar reversamente cletr, se nã transistr nã perará nrmalmente. V CE está na faixa de 1 a 15 V. 6.9 Crrente na base A tensã n resistr da base é igual a diferença de ptencial entre a tensã da fnte e a tensã na base-emissr. Usand a lei das malhas tems N cas d Silíci tems V E igual a 0,7 V. Cm essa equaçã pdems determinar a crrente que está entrand n transistr pela base, u seja, a crrente de base. 6.9 Curva d cletr V - R - V = 0 E V = Ajustand s valres de V e de V CC pdems bter valres diferentes para a tensã e a crrente n cletr e traçams um gráfic de CxV CE -V R E Quand V CE fr zer, did cletr nã está reversamente plarizad e a crrente será nula. Aumentand a tensã levemente até aprximadamente 1 V, a crrente aumenta mais que a tensã, u seja tem um ganh mair que aument da tensã. Depis ela se mantém cnstante. Acima d valr máxim (tensã de ruptura) did cletr atingirá a ruptura e transistr para de funcinar As regiões de perações. Na curva d cletr tems três regiões de perações bem distintas, a saber:

8 Primeira: entre 1 V e V máx Regiã de peraçã Nrmal. Plarizaçã direta n did emissr e plarizaçã reversa n cletr. É cnhecida cm regiã ativa. Na regiã ativa transistr pera cm amplificadr Segunda: acima de V máx Regiã de ruptura. Devems evitar a td cust que transistr esteja nessa regiã, se nã transistr pderá ser destruíd. Terceira: entre 0 V e 1 V Regiã de saturaçã. O did cletr nã esta plarizad reversamente ainda. Nas regiões de crte e saturaçã cm chave, u seja, serve para cmutaçã, cnduzind u nã. O transistr trabalhará na regiã de crte cas a crrente de base seja menr u igual a zer, dessa frma a crrente de cletr será nula. Pr utr lad se trabalharms cm uma crrente de base entre zer e a crrente de saturaçã (SAT), irems perar na regiã ativa. Para uma crrente de base acima de SAT, transistr perará na regiã de saturaçã, u seja, circular pel cletr uma crrente limite (CCSAT), impsta de acrd cm a plarizaçã Tensã e Ptência d Cletr. N circuit anterir, tmems circuit cletr (malha da direita) e usand kirchhff, tems: VCE = VCC -CRC

9 Esta é a equaçã para descbrirms qual a tensã está send aplicada entre s terminais emissr e cletr d transistr. Para saberms a ptência dissipada n transistr pdems utilizar a seguinte expressã: P = V Reta de carga. D CE C A reta de carga é usada para determinar s pnts de peraçã de um transistr (cm fizems ns dids). A btençã desta reta é muit parecida cm que fizems para bterms a reta de carga d did. Tmems circuit abaix Tmems n circuit s seguintes valres: V = 15 V; V CC = 15 V; R C = 3 kω. Cm iss tems smente n circuit cletr: V - R - V = 0 CC C C CE V = 0 C CE Pnt de crte: = 0Þ V = V Þ V = 15V c CE CC CE Pnt de crte é nde a reta de carga intercepta a regiã de crte das curvas d cletr. Este pnt é quase idêntic a pnt inferir da reta. O pnt diz qual a tensã máxima pssível ns terminais cletr-emissr. Pdems encntrar este valr zerand a crrente. Pnt de saturaçã: VCC 15 VCE = 0Þ c = Þ c = = 5mA R 3000 C Pnt de saturaçã é pnt nde a reta de carga intercepta a regiã de saturaçã. Este pnt é quase idêntic a pnt superir da reta de carga. Este pnt ns diz qual é a máxima crrente pssível para cletr neste circuit. Este pnt é encntrad fazend a tensã entre cletr e emissr igual a zer.

10 6.13 Pnt de Operaçã. Após a btençã ds pnts de saturaçã e de crte, pdems encntrar pnt de peraçã (pnt Q) d transistr. Este pnt é a intersecçã entre a curva d transistr e da reta de carga d transistr. Para um circuit nde tems V = 15 V; R = 500 Ω e β CC = 100 tems V 15 = = = 30µ A R 500k = b = 30µ 100 = 3mA C CC Cm tems uma queda n resistr d cletr de afirmar que a tensã entre emissr e cletr é igual a V = R = 3m3k = 9V, pdems RC C C V = V - R = 15-9 = 6V CE CC C C Cm iss tems pnt de peraçã para este transistr nesse circuit cm s valres de 6V para a tensã entre cletr e emissr e uma crrente de 3 ma pel cletr. O pnt de peraçã é chamad de pnt Q e é dad pel gráfic ns pnts ( C,V CE) dentificand a saturaçã. Cm saber se transistr esta na regiã ativa u de saturaçã? Tems duas maneiras para fazer iss. 1) Prcess pr absurd usad pels técnics:

11 a. Supnha que circuit esta na regiã ativa b. Faça s cálculs necessáris c. Se aparecer um valr absurd, a supsiçã é falsa. Exempl: na figura tems circuit: Calculems : = V 10 0,1mA R = 100k = Cm b = 50, tems: = 50 0,1m= 5mA. Entã CC Cm supms que transistr estava na regiã ativa e encntrams uma respsta absurda tems que transistr está na regiã de saturaçã. 2) Outr métd Calcule a crrente de saturaçã d cletr. C V = 20-10k 5m=-30V Þabsurd CE C( sat) = VCC 20 2mA R = 10k = C Essa crrente é a mair crrente pssível para este circuit. Cm idealmente a crrente na base é de 0,1 ma e cm β CC = 50, tems a crrente n cletr igual a 5 ma. Mas esse valr é acima de 2 ma, ist implica que transistr está saturad, u seja, se: ñ! transistr saturad C c( sat ) _

12 C á c( sat )! transistr _ regiã _ ativa 6.15 ganh n circuit emissr cmum. Operand na regiã ativa, pequenas variações na vltagem de entrada causam grandes variações sbre a resistência d cletr (R C). Para calcularms ganh d circuit (A) devems tmar a tensã de saída e dividirms pela tensã de entrada. Se este valr fr mair que 1 tems um circuit amplificand sinal. Se este valr fr menr que 1, circuit nã amplifica sinal. N circuit anterir pdems calcular este ganh. A tensã na resistência d cletr (tensã de saída) é dada pr: Cm iss tems ganh dad pr: V -VE V 10 =! = 0,1 ma R R 100k C CC CC C = b! b V R 10 = 50 = 5mA 100k V = R = 10k 5m= 50V L C C Vsaída VL 50 A = = = = 5 V V 10 enrada Pdems calcular ganh simplesmente pr: A = b CC R R C 03) Em um circuit emissr cmum, tems V = 10 V e R = 100 kω. qual a crrente na base? Use a primeira aprximaçã 04) Qual será a tensã entre cletr e emissr em um circuit se a crrente d cletr fr de 1 ma, a resistência d cletr fr de 3,6 kω e a tensã de alimentaçã d cletr igual a 30 V? 05) Qual é a tensã entre cletr e emissr na figura abaix. Use transistr ideal.

13 3,6 kω 470 Ω β CC= V 15 V 06) Qual é a tensã entre cletr e emissr na figura abaix. Use a segunda aprximaçã? 07) Qual será a tensã entre cletr e emissr se a tensã de alimentaçã da base fr de 5 V? Use a segunda aprximaçã. 08) N circuit abaix determine (a) pnt de saturaçã e de crte e (b) a reta de carga. 3,0 kω 470 kω β CC= V 15 V 6.16 ase cmum. Neste cas a base está na entrada e na saída d circuit, u seja, a base é eletrd cmum. Características de mntagem:

14 Ganh em crrente: aprximadamente igual a 1. Ganh de tensã: grande. Resistência de entrada: pequena. Resistência de saída: grande. Ganh de ptência: médi. Defasagem: 0 (nã há defasagem d emissr para cletr). Sinal: entrada n emissr e saída n cletr Cletr cmum. Aqui a entrada é na base e a saída é n emissr, tend cletr cm eletrd cmum. Características de mntagem: Ganh de crrente: grande. Ganh de tensã: pequen aprximadamente 1. Resistência de entrada: grande. Resistência de saída: pequena. Ganh de ptência: pequen (10 a 20 d). Defasagem: zer (nã há defasagem entre base e emissr). Sinal: entrada na base e saída n emissr Plarizaçã pr Divisr de Tensã (PDT). O circuit mais usad na plarizaçã d transistr é chamad plarizaçã pr divisr de tensã (PDT). Este circuit é derivad d circuit de plarizaçã d emissr. Algumas vezes, a tensã da fnte pde ser muit alta para ser aplicada diretamente na base. Para reslver esse

15 prblema, sem mdificar a fnte, aplicams um divisr de tensã cm mstrad na figura abaix. Esclhend adequadamente s valres de R 1 e R 2, pdems diminuir a tensã para valres adequads a nss prjet. Alguns circuits eletrônics têm apenas uma fnte simples, e nã duas. Neste cas devems reprjetar nss circuit de maneira a utilizar smente esta única fnte. Mesm valr da tensã V CC send muit grande, pdems trabalhar cm quaisquer valres de R 1 e R 2 de md a garantir que a tensã na base seja baixa suficiente para nã danificar nss transistr. O prcess de análise d circuit cmeça cm calcul da tensã aplicada nã base. Cm tems a tensã aplicada em R 2 representada pr V 2, e tems esse resistr em paralel cm transistr, u seja, R 2 está em paralel cm terminal da base, pdems afirmar que a tensã aplicada na base é exatamente igual a tensã aplicada n resistr d divisr de tensã, V = V 2. N circuit acima pdems utilizar a malha d divisr de tensã e encntrar a seguinte relaçã cm a ajuda da lei das malhas: V ( ) 0 CC -R 1 -R2 - = Onde é a crrente ttal que passa pel divisr de crrente e ( ) é a crrente que passa smente pel resistr R 2. Aqui pdems fazer nssa primeira aprximaçã ds cálculs. Cm estams prjetand, e sabems que na eletrônica pdems trabalhar cm uma margem de err, pdems faze a seguinte aprximaçã: se a crrente na base fr 20 vezes menr que a crrente em R 2 pderems desprezar a crrente que passa pela base. É imprtante salientar que nã estams faland que a crrente na base seja nula ( que nã é verdade) e sim a desprezand ns

16 cálculs da tensã na base. Na equaçã acima tems, entã,!, e cm iss pdems escrever: = R V CC + R 1 2 Essa é a lei de Ohm aplicada na resistência ttal d divisr de tensã. Tmems circuit abaix: Usand s valres d circuit acima tems: = 0,82mA 10k+ 2,2k = 12,2k = Cm sabems que a tensã na base é igual a tensã aplicada a R2, pdems usar a lei de hm para encntrar a tensã na base, u seja V = R V V 2 2 = R = R 2 Cm estams prjetand devems ter um puc mais de cuidad, cm iss estarems agra usand a segunda aprximaçã, nde V E = 0,7 V A tensã e a crrente n emissr. O próxim pass é encntrar a tensã n emissr. Observand nvamente circuit pdems cncluir que

17 V = V -V E E V = V -V E E Onde V E é a tensã entre a base e emissr e é dada pel valr da barreira de ptencial que existe entre a base e emissr. Achada a tensã aplicada n emissr pdems encntra, através da lei de Ohm, a crrente que passa pel emissr, u seja, E V = R E E 6.20 A tensã n cletr e a tensã n cletr-emissr. Agra pdems achar a tensã n cletr (V C) e entre cletr e emissr (V CE). Cm já vims anterirmente, tems V = V - R. Cm a crrente n cletr é C CC C C aprximadamente igual a crrente d emissr, pdems substituí-la pela crrente n emissr. Cm a tensã n cletr calculada, pdems calcular a tensã entre cletr e emissr, u seja, VCE = VC -VE RESUMNDO, PARA PROJETAR UM PDT DEVEMOS SEUR A SEGUNTE ORDEM: 1) Calcular a crrente n divisr 2) Calcular a tensã na base 3) Calcular a tensã n emissr 4) Calcular a crrente n emissr 5) Calcular a tensã n cletr 6) Calcular a tensã entre cletr e emissr Cm esses cálculs pdems prjetar qualquer circuit PDT A reta de carga e pnt Q para PDT.

18 Cm vist anterirmente pdems descbrir pnt de peraçã através d calcul da crrente n cletr e da tensã entre cletr e emissr. Calculand a crrente de æ V ö saturaçã CC ç e a tensã de crte, pdems pltar a reta C( SAT) = ( VCE( CORTE ) = VCC ) è RC + RE ø de carga e sbre ela pnt de peraçã, cm vist na figura abaix. O pnt Q é virtualmente imune às variações n ganh de crrente. Uma maneira de mver pnt Q sbre a reta é variand resistr d emissr. Aumentand a resistência d emissr pnt de peraçã desce sbre a reta de carga, aprximand d pnt de crte. Diminuind a resistência d emissr, pnt Q sbe sbre a reta de carga, aprximand-se d pnt de saturaçã. Muits prjetistas preferem ajustar pnt de peraçã n centr da reta de carga para se ter uma mair estabilidade d circuit. Para se calcular pnt de peraçã devems encntrar s valres da crrente n cletr e valr da tensã entre cletr e emissr. 09) Na figura abaix, determine a tensã entre cletr-emissr. 2 kω 10) A tensã de alimentaçã d cletr da figura d exercíci anterir fi triplicada. O que acntece cm a tensã cletr-emissr?

19 11) Sabend que a resistência da base é igual a 1 MΩ, a resistência d cletr igual a 3,3 kω. a tensã de alimentaçã da base igual a 10 V e de alimentaçã d cletr igual a 20 V. Desenhe a reta de carga deste circuit. 12) Dbrand-se a tensã de alimentaçã d cletr, que crre cm a reta de carga? 13) Cm s dads d exercíci 11 e sabend que ganh de crrente é igual a 100, determine a tensã entre cletr e emissr. 14) N circuit abaix determine a tensã n emissr? E n cletr? 10 kω 3,6 kω 2,2 kω 1,0 kω 25 V 15) N circuit abaix determine a tensã n emissr? E n cletr? 330 kω 150 kω 100 kω 51 kω 10 V