O Transistor de Junção

Transcrição

1 O Transstor de Junção Snas elétrcos e amplfcadores mos que uma fonte elétrca é caracterzada por duas grandezas: sua força eletromotrz e sua resstênca nterna. Imagne agora uma fonte construída de tal forma que estas característcas possam mudar com o tempo. Uma manera smples de construr sto sera com ajuda de nterruptores ou chaves. A fgura mostra uma fonte cuja força eletromotrz pode mudar entre os valores A ( t ) = 0 e ( t ) = 0, dependendo da posção da 0 chave. Podemos magnar também fontes com força eletromotrz contnuamente varável como aquela da fgura 2. stas fontes temporalmente varáves são fontes de snas elétrcos. Um snal elétrco pode ser usado para transmtr nformação. Por exemplo, a fonte da fgura 0 Fg. 2 Fonte varável com potencômetro Fg. Fonte varável com nterruptor podera ser lgada numa campanhnha elétrca dentro de uma casa e o nterruptor fca fora da casa. ada vez que um vstante coloca a chave na posção A a campanhnha toca e desta forma transmte a nformação que um vstante chegou. Um exemplo de uma fonte contínua de snas elétrcos é um mcrofone. O mcrofone é um equpamento que transforma um snal acústco num snal elétrco. Por outro lado, um alto-falante é um equpamento que faz a transformação nversa: ele transforma um snal elétrco num snal acústco. Poderíamos pensar numa transmssão de nformação da segunte forma: num ponto A um mcrofone capta a fala de uma pessoa e transforma o snal acústco num snal elétrco. ste snal elétrco é levado por dos fos condutores para um ponto muto dstante onde um alto-falante converte este snal de novo num snal acústco que sera audível para uma grande platéa (fgura 3). mcrofone alto-falante Fg. 3 Alto-falante lgado a um mcrofone Infelzmente este esquema da fgura 3 não funconará. m geral os snas elétrcos gerados por um mcrofone são bastante fracos e o alto-falante requer um snal elétrco forte. O que queremos dzer com snal fraco ou forte? O que sgnfca fraco e forte neste caso é a potênca envolvda. Sabemos (mostre-o!) que a potênca máxma, que podemos trar de uma fonte elétrca é dada por 2 Pmax = () Se o mcrofone fornece maxmamente uma potênca de um mlwatt e o alto-falante requer uma potênca de 500 W, a platéa não ouvrá nada com o esquema da fgura 3. Para poder realzar a déa da transmssão da fala para a grande platéa precsamos um amplfcador. Um amplfcador substtu um snal elétrco fraco por um snal forte, mas de tal forma que as característcas que envolvem a nformação contda no snal sejam

2 essencalmente mantdas. Por exemplo, o amplfcador podera substtur a função t por uma proporconalmente maor mantendo a mesma resstênca nterna: antgo snal : snal amplfcado: força eletromotrz ( t) resstênca nterna A t onde o fator de amplfcação A sera algum número maor que. om a equação () podemos conclur que a potênca máxma que pode ser obtda do snal crescera pelo 2 fator A. Outro tpo de amplfcador frequentemente usado é um que abaxa a resstênca nterna mantendo a mesma força eletromotrz: força eletromotrz resstênca nterna antgo snal : ( t) snal amplfcado: ( t) com > poder-se-a aprovetar mas potênca do novo snal do que do snal orgnal. Os amplfcadores parecem volar a conservação de energa substtundo um snal fraco por um snal forte. Mas não há volação da conservação de energa. O amplfcador precsa de uma fonte de energa separada do snal a ser amplfcado. Os elementos essencas de um amplfcador são os elementos atvos. stes são os componentes que realmente amplfcam um snal. les podem ser comparados com torneras ou regstros de água. Sabemos que podemos abrr uma tornera com facldade usando pouco esforço e provocar com nosso movmento um forte jato de água. Os elementos atvos da eletrônca funconam exatamente desta forma. Os prmeros elementos atvos foram as válvulas. Nestes dspostvos gera-se uma corrente de elétrons num tubo de vácuo e esta corrente pode ser regulada com campos elétrcos. As válvulas têm hoje um campo muto lmtado de aplcação. A grande maora dos elementos atvos da eletrônca hoje em da são transstores. xstem dos tpos de transstores: os transstores de junção e os transstores de efeto campo. Na prátca de hoje vamos conhecer o transstor de junção. Trata-se de um elemento que tem três conectores elétrcos chamados de emssor (), base () e coletor (). xstem dos tpos de transstor de junção, os transstores NPN e os transstores PNP. Nos transstores NPN o emssor deve ser lgado num pólo negatvo e o coletor num pólo postvo e nos transstores PNP a polardade é nversa. A fgura 4 mostra os snas que se usam para representar transstores NPN e PNP em esquemas eletrôncos. otamos as letras, e para ndcar emssor (), base () e coletor (). Mas em esquemas eletrôncos estas letras não são em geral ndcadas. Pessoas trenadas reconhecem os respectvos termnas pelo desenho: o emssor é o termnal com uma seta que lembra um símbolo de dodo e a base termna perpendcularmente num traço NPN PNP grosso. transstores NPN e PNP. Fg. 4 (2) (3) epresentação smbólca de 2

3 A 07 xpermentos báscos com um transstor NPN. A fgura 5 mostra um transstor de junção lgado num pequeno crcuto com dos amperímetros. Um potencômetro (trmpot) é posto no crcuto que serve para njetar uma pequena corrente I na base do transstor. sta corrente funcona como a alavanca da tornera de água. O trajeto da água na tornera sera aqu o trajeto coletor emssor. Se botarmos a posção do contato móvel do potencômetro na posção 0 não teremos corrente na base e nem no coletor. Mas se levantarmos o ponto móvel do potencômetro aparecem correntes, sendo a corrente I muto maor que a corrente I. Por exemplo, exstem transstores para os quas I sera 300 vezes maor que a corrente I. ste fator de proporconaldade entre estas correntes chama-se fator de amplfcação de corrente do transstor. Frequentemente este parâmetro é escrto como h F. I hf = (4) I 22 kω A I Fg. 5 rcuto teste com um transstor para medr o fator de amplfcação de corrente. 220 kω 0,9 0 A I 0-500Ω Tarefa : Monte o crcuto da fgura 5 usando o transstor número na placa de teste fornecda. are a posção do potencômetro e meça os valores de I e I para um número sufcentemente grande de posções do potencômetro para poder elaborar um bom gráfco que mostre a correlação de I com I. A partr do gráfco determne o fator de amplfcação do transstor. Tarefa 2: mos nesta prmera tarefa expermental que a corrente no coletor é aproxmadamente proporconal à corrente na base e ela é muto maor. Mas como será que esta corrente depende da voltagem aplcada no transstor? Para ver esta dependênca monte o crcuto da fgura 6 usando o transstor. 3

4 220 kω 22 kω 0,9 0 A 0 kω 0 - Fg. 6 rcuto teste com um transstor para medr a dependênca entre I e para uma dada corrente de base.. 500Ω oloque o contato móvel do reostato (potencômetro) de 0 kω na posção extrema tal que a resstênca deste resstor varável seja pratcamente nula e regule no trmpot de 220 kω uma corrente de base tal que a corrente no coletor seja aproxmadamente gual a 2 ma. Para varar a voltagem aplcada no transstor você pode agora alterar a posção do contato móvel do reostato de 0 kω. Mas faça sto sem alterar a posção do potencômetro de 220 kω! ubra o ntervalo de voltagens 9 até 0, com um número sufcente de meddas para poder elaborar um bom gráfco que mostre a corrente I em função de. Tarefa 3: Monte o crcuto da fgura 7 e faça meddas que permtam elaborar um gráfco que correlacone as voltagens T com T. Descreva o resultado verbalmente (olhe para a dferença T T ). 22 kω Fg. 7 rcuto teste com um transstor para comparar os potencas da base e do emssor. 220 kω 0, ṾT 500Ω T Tente fnalmente descrever os resultados das três experêncas verbalmente. m qual aspecto a analoga com a tornera de água não funcona bem? 4

5 A 08 Uma teora muto smplfcada de amplfcadores com transstores de junção. Transstores de junção podem ser usados para montar város tpos dferentes de amplfcador. Aqu vamos dscutr dos tpos. omeçaremos com um amplfcador de voltagem. Imagne que tenhamos uma fonte de voltagem varável no tempo que forneça t. Queremos substtur este snal elétrco por um maor mantendo a uma voltagem nformação contda na função ( ). amos aplcar esta voltagem na base de um transstor. Mas como ( t ) pode ser menor que 0,7 e pode nclusve ser negatvo, não sera adequado aplcarmos ( t ) dretamente entre base e terra (= pólo negatvo da batera no caso de transstor NPN). mos na últma experênca que exste uma relação bem smples entre potencal na base e no emssor desde que o potencal na base seja maor que 0,7 (tomando o potencal do pólo negatvo da batera como potencal zero). Para garantr que a dferença de potencal entre base e terra fque sempre maor que 0,7 temos que lgar a fonte da voltagem ( t ) em sére com alguma fonte de voltagem D que mantém uma dferença de potencal. O valor de deve ser = t seja sempre maor que 0,7. O resto do amplfcador escolhdo tal que é bem smples: Temos uma batera de força eletromotrz 0 que almenta o transstor. O emssor e o coletor são lgados aos termnas da batera através de dos resstores e como mostrado na fgura 8. Fg. 8 squema de um amplfcador de voltagem com transstor NPN. I I 0 (t) I mos na últma experênca que o potencal no emssor segue felmente o potencal da base. Temos aproxmadamente 0, 7 (5) A equação (5) vale desde que > 0,7. A explcação desta equação é a segunte: o trajeto ase mssor é smplesmente um dodo. Se tentássemos levantar o potencal da ase, a corrente ra crescer exponencalmente (lembre da curva Ix do dodo). Mas uma corrente elevada no mssor provocara uma maor queda de potencal no resstor, o que elevara o potencal do mssor até que a dferença de potencal fque pequena. 5

6 onhecendo o potencal podemos usar a le de Ohm para determnar a corrente no emssor: 0, 7 ( t) 0,7 I = = (6) O transstor tem pouca capactânca e pratcamente não armazena carga elétrca. Por tanto, podemos tratá-lo como um nó: I = I I (7) Deste que tenhamos uma dferenca de potencal sufcentemente grande (> 0,5) entre emssor e coletor, vale I >> I. ntão podemos fazer a aproxmação ( t) 0,7 I I = (8) Aplcando a le de Ohm no resstor do coletor vemos que há uma queda de potencal I neste resstor. ntão o potencal do termnal de será t 0,7 = 0 = t = const. A parte temporalmente varável deste potencal é proporconal ao snal ( t ). O fato que a constante de proporconaldade é negatva não mporta para mutas aplcações. Nos casos em que esta nversão de fato seja mportante, podemos utlzar um segundo transstor e ntroduzr mas um snal negatvo para a recuperação da fase orgnal. O que mporta é que / pode ser escolhdo maor que. xstem lmtações para este fator de amplfcação. Se escolhermos / grande demas esbarraremos em lmtações orundos do domíno de valdade das equações (5) e (8). Também podem ocorrer nstabldades que levaram a osclações. Alás, esta era a razão pela qual utlzamos um resstor de 500Ω no emssor nas experêncas e 2. O amplfcador junto com a batera de almentação pode ser consderado uma fonte com força eletromotrz 0,7 ( t) = 0 ( t) (0) Olhamos até agora somente para a força eletromotrz desta fonte. Temos que olhar também para a resstênca nterna da fonte. Fg. 9 Teste de resstênca nterna de uma fonte. Para testar a resstênca nterna de uma fonte podemos lgar a fonte numa resstênca carga. O nome carga t resstênca carga é lnguagem usual da engenhara. No caso carga não se refere à carga elétrca, mas é usado no sentdo de ônus ou fardo. A voltagem nos termnas de uma fonte de força eletromotrz e resstênca nterna quando lgado num resstor sera (lembre do dvsor de voltagem!) carga carga (9) 6

7 = carga carga () Desta relação obtemos a resstênca nterna da fonte: = carga (2) Para poder julgar o valor da resstênca nterna da do amplfcador, vamos consderar um resstor de carga lgado na, como ndcado na fgura 0. I I2 Fg. 0 Amplfcador lgado a um resstor de carga. I I 0 (t) I carga Temos I 2 = (3) carga e I = I2 I. A queda de potencal no resstor é agora dado pela corrente I. orrespondentemente temos para o potencal de : ( t) 0,7 = 0 carga (4) esolvendo sto para obtemos: ( t) 0,7 0 t = = / / carga carga (5) Inserndo este resultado na fórmula da determnação de resstênca nterna (2) obtemos () = (6) ntão, se queremos um fator de amplfcação / grande e para sto escolhemos um grande, temos que pagar um preço: a resstênca nterna da do amplfcador se torna grande. Mutas vezes um valor grande da resstênca nterna da de um amplfcador não é acetável. Isto acontece quando se pretende usar o amplfcador com uma carga (no sentdo de ônus) de resstênca nterna pequena (lembre do prncípo de casamento de resstêncas nternas que deve ter sdo dscutdo nas aulas teórcas). 7

8 ste problema nos leva ao segundo tpo de amplfcador que pode ser realzado com um transstor de junção. A fgura mostra um esquema deste tpo de amplfcador. De novo lgamos o snal a ser amplfcado em sére com uma fonte auxlar na base do transstor. Mas desta vez a do amplfcador não é no coletor mas no emssor. Na fgura já mostramos o resstor de carga que representa o equpamento que usará o snal amplfcado. ste pode por exemplo ser um alto-falante. stamos prevendo que a fonte do snal a ser amplfcado tenha uma resstênca nterna. O funconamento deste amplfcador é smples: O potencal na base é dado por = t I (7) m condções normas de operação sabemos então que o potencal na é = ( t) I 0, 7 (8) Se desprezarmos a pequena corrente de base completamente, vemos que a voltagem de segue felmente a força eletromotrz da fonte da entrada, mas a corrente na sua maor parte não precsa vr da fonte de entrada mas ela vem do coletor. A voltagem não é amplfcada, mas este amplfcador reduz a resstênca nterna. Para avalar esta redução da resstênca nterna mas quanttatvamente vamos agora consderar a corrente de base na equação (8). Temos I = I I = h I (9) e ntão vale Inserndo sto na (8) e resolvendo para F I = I aída = (20) carga ( h ) F carga obtemos: 0,7 = ( hf ) carga A do amplfcador se comporta como uma fonte de força eletromotrz ( t) ( t) = ( t) e (compare com a equação (2) ) de resstênca nterna (2) (22) 0, 7 (23) = (24) h F ntão este amplfcador reduz a resstênca nterna pelo fator h F. 8

9 Fg. edutor de resstênca nterna. I O deal para aplcações (t) prátcas é uma combnação carga dos dos tpos de amplfcador. Num prmero passo a voltagem é amplfcada e no fnal a resstênca nterna é reduzda. sta tarefa de juntar város amplfcadores nos obrga a falar de mas um assunto. Um pequeno detalhe precsa ser retfcado na nossa teora dos amplfcadores. m toda dscussão dos amplfcadores usamos fontes auxlares em sére com as fontes de entrada. Sera pouco prátco encher um aparelho eletrônco com dúzas de bateras auxlares. xste uma forma de substtur estas fontes auxlares por dvsores de voltagem. A fgura 2 mostra uma possbldade que funcona com snas alternados (A). 0 2 I Fg. 2 Acoplamento de uma fonte através de um capactor. 0 A déa deste esquema é (t) baseada na hpótese que o capactor seja muto grande de tal forma que a dferença de potencal nas placas do mesmo pratcamente não muda nas osclações da força eletromotrz da fonte. om esta hpótese e com um pouco de análse de crcutos pode-se mostrar que o potencal na base do transstor é dado por ( ( t) ) (25) onde é a méda temporal da força eletromotrz da fonte de entrada e ( hf ) 3 = h om h F >> e com não exageradamente pequeno temos 3. A equação (25) tem essencalmente a mesma forma que se obtém botando a fonte em sére com uma F (26) 9

10 batera auxlar. specalmente com mn {, } teríamos << sto fca evdente. Neste caso ( t) (27) 3 2 = Agora temos os conhecmentos necessáros para poder construr um pequeno amplfcador de som. O snal a ser amplfcado será um snal orundo de um mcrofone. omo mcrofone utlzaremos smplesmente um alto-falante. Da mesma forma que um motor elétrco em geral pode ser usado como dínamo um alto-falante pode ser usado também como mcrofone. Tarefa 4: Para poder aprecar o funconamento do amplfcador vamos prmeramente testar o crcuto da fgura 3. Lgue um alto-falante no outro. ncoste um alto-falante no ouvdo e cante, assobe ou fale no outro. om um pouco de atenção dá para ouvr que um snal acústco é realmente emtdo no alto-falante que está no ouvdo. Mas este som é extremamente fraco. Tarefa 5: Monte o crcuto da fgura 3. egule os trmpots dos transstores e 2 tal que o potencal nos coletores destes transstores fque aproxmadamente em 5. Depos pode brncar com o amplfcador: 5a) assobe ou cante no mcrofone, 5b) aproxme o alto-falante ao mcrofone de tal forma que um cone de papelão enfrente ou outro! 5c) oloque capactores de 0,22µF em paralelo aos resstores dos emssores dos transstores e 2 e observe o comportamento do amplfcador. Observação: na verdade o tercero transstor é uma combnação de dos transstores tal que a corrente de emssor do prmero fornece a corrente de base do segundo. sta assocação equvale a um transstor com altíssmo fator de amplfcação de corrente. sta assocação tem o nome de transstor Darlngton (compare a Fg. 4). Pense como podera tornar o fator de amplfcação varável. Fg. 3 Pequeno amplfcador de som (epare que um cruzamento de lnhas sem ponto não é uma lgação elétrca entre as lnhas.). 22 kω 220 kω mf. 68kΩ µf 22 kω 220 kω 500Ω µf kω 0kΩ µf 47kΩ 68kΩ 0 a.-f. - 0

11 Fg. 4 Transstor Darlngton O Transstor de junção como nterruptor. No Amplfcador da fgura 3 tomamos o cudado de operar os transstores num regme tal que os snas de estejam relaconados com os de entrada de forma aproxmadamente lnear. Para um amplfcador de som esta condção é mportante. Mas esta manera de operar um transstor tem certas desvantagens. Para poder alterar os potencas do coletor ou emssor contnuamente numa ampla faxa temos que operar o transstor de tal forma que haja normalmente certa dferença de potencal de alguns volt entre emssor e coletor e que tenha uma corrente I razoavelmente grande flundo no coletor. Nesta condção o transstor dsspa permanentemente a potênca PTransstor = I. Isto corresponde a um gasto de energa e cra problemas de resframento. ocê deve ter notado que o transstor 3 está acoplado a um dsspador de calor. Sem este dsspador o transstor 3 correra pergo de estragar com o uso do amplfcador da fgura 3. xste uma forma de utlzar os transstores que apresenta muto menos gastos de energa dentro do transstor. O truque é varar e I de tal forma que PTransstor = I é sempre pequeno. O transstor é mantdo em somente dos estados: estado lgado com 0 e I grande estado deslgado com = e I 0 Almentação grande A confguração básca para este tpo de operação é mostrada na fgura 5 Fg. 5 Transstor como nterruptor. entrada lm 0 - pb Podemos pensar neste crcuto como um amplfcador de voltagem com fator de amplfcação ( / ) nfnto. O resstor lm serve para lmtar a corrente da base. Geralmente usa-se um valor em torno de 300Ω a 500Ω para este resstor. O trajeto

12 base emssor é nada mas do que um dodo. A corrente neste dodo ra adqurr valores ggantes se o potencal da base fosse levado acma de 0,7. Isto ra destrur o transstor e possvelmente também a fonte de snal da entrada. É extremamente mportante lembrar da necessdade deste resstor de lmtação de corrente. Por exemplo, o esquecmento deste resstor num crcuto de nterface que é lgado na porta paralela (porta de mpressora) de um P leva à destrução da placa mãe do computador! Somente quando a fonte de entrada tver uma resstênca nterna alta pode-se dspensar este resstor. O resstor serve para puxar o potencal da base para baxo para garantr pb que o estado do transstor esteja deslgado quando a entrada for aberta, sto é, ndefnda. eremos como funcona este tpo de crcuto na prátca.: Tarefa 6 : Monte o crcuto da fgura 6. O símbolo de círculo com uma cruz representa uma lâmpada ncandescente. Observação: não é necessáro elmnar os resstores nos emssores dos transstores e 2. Lgue smplesmente fos paralelos aos resstores. Também você não deve desmontar os dvsores de voltagem das bases dos transstores e 2. Smplesmente deslgue-as dos transstores. Desta forma você ajuda o próxmo grupo de alunos. Lgue o crcuto na fonte e estabeleça uma lgação entre voltagem de almentação (0) e base do transstor com os dedos. Fg. 6 Detector de toque lâmpada dedo 68kΩ 470Ω 0kΩ 470Ω 0 MΩ MΩ 47kΩ - 2