APOSTILA ELÉTRICA-2 E ELETRÔNICA-1 MÓDULO

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1 APOSTILA LÉTRICA-2-1 AULA 10 DIODO LD - TRANSISTORS LD - características gerais TRANSISTORS - funcionamento Polarização de transistores - testes práticos Polarização de transistores - análise teórica DIODO LD O diodo emissor de luz, também conhecido pela sigla em em inglês LD (Light mitting Diode), funciona como um diodo comum com relação a polarização, ou seja, para conduzir necessita de uma polarização direta (tensão positiva no ânodo e negativa no cátodo). Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada. specialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de sinaleiras. figura 1 ANODO LD: vista interna chip semicondutor copo refletor lente terminais de polarização figura 1a CATODO ANODO CATODO figura 1b ANODO (A) CATODO (K) Características (fonte: Wikipedia) O LD é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível por isso LD (Diodo missor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte eléctrica de energia é chamado eletroluminescência. m qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. ssa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido a opacidade do material), e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável. Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfato de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes. A forma simplificada de uma junção P-N de um LD demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área do semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao material semicondutor. Na ligação, os íons desse material dopante (íons "aceitadores") removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas" (ou buracos), portanto, o semicondutor tornase do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o semicondutor do tipo N. Os semicondutores também podem ser do tipo compensados, isto é, possuem ambos os dopantes (P e N). Neste caso, o dopante em maior concentração determinará a que tipo pertence o semicondutor. Por exemplo, se existem mais dopantes que levariam ao P do que do tipo N, o semicondutor será do tipo P. Isso implicará, contudo, na redução da mobilidade dos 101

2 APOSTILA LÉTRICA-2-1 LD ALTO RILHO XRCÍCIOS PROPOSTOS 2) Calcule a tensão no ponto indicado para que o LD1 funcione normalmente com uma 1) Calcule o valor do resistor para que o diodo corrente de 10mA, polarizado pelo resistor LD funcione com um brilho médio (1,5V e de 1k. 10mA). R? +10V 1k 120Vac R=? G 1,5V LD 1 10mA 3) Calcule o valor do resistor R para que circule uma corrente de 10mA pelo circuito formado pelo gerador de corrente alternada de 120Vac e retificado, sabendo que a tensão de polarização do LD1 é de 2V. LD 1 10mA 2V LD 1 Características básicas Imed = 10mA Vmed. = 1,5V figura figura 1 figura 1

3 APOSTILA LÉTRICA-2-1 TRANSISTOR N P N Coletor missor figura 1 figura 2 ase P N P missor Coletor ase aspectos físicos de vários invólucros de transistores 103

4 APOSTILA LÉTRICA-2-1 figura 3a figura 3b P N N P aspectos físicos de transistores montados em superfície (SMD) figura 4 P N P missor Carregado negativamente Coletor ase 104

5 APOSTILA LÉTRICA-2-1 corrente entre coletor-emissor, pois estes canais tem dimensões consideráveis. Caso não seja aplicado uma polarização entre baseemissor, não haverá corrente entre coletor-emissor, pois a barreira na junção base-emissor não permitirá. Na figura 5, temos os símbolos dos transistores NPN e PNP. A seta no emissor indica a polarização direta e sentido de corrente para a junção base-emissor, tanto no caso NPN (figura 5a), como no caso PNP (figura 5b). figura 5 Coletor missor Um dos transistores mais utilizados em nosso treinamento é o C548 e C558, cuja disposição dos terminais é mostrada (Coletor-ase-missor da esquerda para a direita). Também utilizaremos o D135 ao D140, além da codificação TIP. disposição dos terminais nos transistores mais populares ase NPN ase PNP missor Coletor Resumo Aplicando-se uma polarização direta na junção baseemissor, teremos um grande fluxo entre coletor/emissor devido o acúmulo de lacunas na junção base-emissor e consequentemente, da captação dos elétrons do coletor (análise com transistor PNP). Sem polarização entre base-emissor, o transistor se comporta como chave aberta entre coletor-emissor, pois não haverá corrente circulante. Nas figuras abaixo, podemos ver uma série de transistores com seus respectivos terminais. sta tabela deve ser utilizada pelo aluno inexperiente, para identificação dos terminais e auxílio em várias montagens. tipos de invólucro e a disposição de componentes 105

6 APOSTILA LÉTRICA-2-1 Polarização de transistores testes práticos 106

7 APOSTILA LÉTRICA-2-1 ponta preta no terminal negativo POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN (C548) da bateria ou fonte. 3 - Coloque e mantenha a ponta Medição 1 vermelha do multímetro no 1 - Solde um dos resistores de 1k no coletor do coletor do transistor, que deverá transistor (terminal externo) deixando a outra ponta medir os mesmos 6V anteriores. do resistor livre. 4 Aplique um curto entre base e 2 - Solde o outro resistor de 1k no emissor (de forma momentânea) emissor do transistor (terminal que pode ser feito com um externo) deixando a outra ponta do pedaço de fio ou chave de fenda. resistor livre. 3 Deixe a base do transistor sem nenhuma ligação (em aberto). 4 Ligue o potencial positivo da fonte (garra vermelha) no resistor de 1k que está ligado ao coletor do transistor. 5 Ligue o potencial negativo da fonte (garra preta) no resistor de 1k que está ligado ao emissor do transistor. 5 Durante a aplicação do curto observe a tensão que aparece no coletor do transistor. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, durante o curto baseemissor do transistor, a tensão de coletor cairá até 0V. Interpretação: podemos dizer que durante a aplicação do curto entre emissor e base, a resistência entre emissor e coletor ficou muito alta, 6 Coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua devido a retirada da corrente que circulava ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. anteriormente por base e emissor. 7 Meça as tensões de coletor com a ponta Atenção: caso as tensões indicadas não tenham vermelha e depois a de emissor, também com a sido obtidas, verifique se o transistor é ponta vermelha. realmente PNP e se os terminais coletor e Resultados: considerando que a fonte de emissor foram ligados aos potenciais corretos alimentação possui 12V, no coletor será medido (coletor via resistor para o negativo e emissor 12V e no emissor 0V. via resistor para o positivo). Interpretação: podemos dizer que a resistência entre coletor e emissor é muito mais alta CONCLUSÕS PRÁTICAS: (infinitamente) do que os resistores que estão no MDIÇÃO 1: O TRANSISTOR COMPORTOU-S coletor e emissor. Assim, podemos dizer que temos COMO UMA CHAV ARTA (CORTADO) uma chave aberta entre os dois terminais do MDIÇÃO 2: O TRANSISTOR COMPORTOU-S transistor. COMO UMA CHAV FCHADA (SATURADO) MDIÇÃO 3: O TRANSISTOR COMPORTOU-S Medição 2 INICIALMNT COMO UMA CHAV FCHADA 1 Mantenha todas as ligações que foram feitas em APÓS O CURTO AS-MISSOR COMO UMA Medição 1 CHAV ARTA (SATURADO APÓS 2 - Desligue a fonte de alimentação e solde na base CORTADO) do transistor (terminal que estava em aberto) o 107

8 APOSTILA LÉTRICA-2-1 resistor de 100k. Interpretação: podemos dizer 3 - Ligue o outro extremo do que durante a aplicação do curto resistor de 100k no potencial entre emissor e base, a positivo da fonte. resistência entre coletor e 4 coloque o multímetro da emissor ficou muito alta, devido a escala de 20Vdc e sua ponta retirada da corrente que preta no terminal negativo da circulava anteriormente por base bateria ou fonte. e emissor. 5 Meça as tensões de coletor com a ponta vermelha e depois a de emissor, também com a ponta vermelha. Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, no coletor será medido 6V e no emissor também 6V. Interpretação: podemos dizer que a resistência entre coletor e emissor ficou muito menor do que os valores dos resistores de emissor e coletor. Assim, podemos dizer que temos uma chave fechada entre os dois terminais do transistor, criando circulação de corrente pelos resistores e consequentemente queda de tensões de 6V em cada um deles. Atenção: caso as tensões indicadas não tenham sido obtidas, verifique se o transistor é realmente NPN e se os terminais coletor e emissor foram ligados aos potenciais corretos (coletor via resistor para o positivo e emissor via resistor para o negativo). CONCLUSÕS PRÁTICAS: Medição 3 1 Mantenha todas as ligações que foram feitas em M D I Ç Ã O 1 : O T R A N S I S TO R Medição 2 COMPORTOU-S COMO UMA CHAV 2 coloque o multímetro da escala de 20Vdc e sua ARTA (CORTADO) ponta preta no terminal negativo da bateria ou fonte. 3 - Coloque e mantenha a ponta vermelha do M D I Ç Ã O 2 : O T R A N S I S TO R multímetro no coletor do transistor, que deverá COMPORTOU-S COMO UMA CHAV medir os mesmos 6V anteriores. 4 Aplique um curto entre base e emissor (de forma FCHADA (SATURADO) momentânea) que pode ser feito com um pedaço de fio ou chave de fenda. M D I Ç Ã O 1 : O T R A N S I S TO R 5 Durante a aplicação do curto observe a tensão COMPORTOU-S INICIALMNT COMO que aparece no coletor do transistor. UMA CHAV FCHADA APÓS O Resultados: considerando que a fonte de alimentação possui 12V, durante o curto base- CURTO AS-MISSOR COMO UMA emissor do transistor, a tensão de coletor deverá CHAV ARTA (SATURADO APÓS subir para 12V. CORTADO) 108

9 APOSTILA LÉTRICA-2-1 Polarização de um transistor visão básica e teórica figura 6 figura 7 Polarização Direta +11,4V Polarização Reversa? Polarização Reversa? +0,6V Polarização Direta figura 8 Hfe (ganho) = 50 10k 5,7V 6,3V 0,6V 57mA 1,14mA Corrente base-emissor A corrente de base será multiplicada por 50, resultando na corrente de coletor-emissor 100 A Corrente de coletor-emissor Obs: O resultado da corrente do coletor-emissor dependerá da máxima corrente que este terá, limitada pelo resistor de

10 APOSTILA LÉTRICA-2-1 figura 9 A 1k 1k A 0V C Rb figura 11 Resistência média Rb A 1k 7V A 0,6V 7V 1k4 ou C Média corrente entre base-emissor R = 1k4 A resistência de 1k de coleto-emissor, faz com que tenhamos 7V no coletor do transístor. figura 10 Rb 0,6V A 1k A 0V Saturado 0V ou C Alta corrente entre base-emissor m relação a resistência de 1ka resistência coletor -emissor será praticamente, uma chave fechada. R c/e = 1 110

11 APOSTILA LÉTRICA-2-1 figura 13a figura 13b R1 Ice C Rt figura 12a R2 figura 12b Ibe Re R1 Ice C 0,6V R2 Ibe Ibe R2 Re Re R1 Ice C Re 111

12 APOSTILA LÉTRICA-2-1 Criado transistor que imita funcionamento do cérebro Um novo transistor projetado para imitar estruturas estímulos provocam respostas mais fracas. ssas no cérebro humano pode abrir caminho para que os adaptações, conhecidas como plasticidades de sistemas informatizados - cada vez mais eficientes - curto prazo, acontecem em milésimos de aprendam a "pensar" como seres humanos, dizem segundos. os cientistas. O equipamento é o primeiro a imitar Nas falsas redes neurais criadas anteriormente um processo usado por células cerebrais, ou eram necessárias pelo menos sete transistores neurônios, quando as células enviam sinais para as para replicar a plasticidade de curto prazo. Com o outras. A pesquisa foi detalhada na última edição da novo transistor, chamado de transistor de revista Advanced Functional Materials. nanopartículas de efeito de campo de memória Segundo o físico Dominique Vuillaume - autor do biológica, ou Nomfet, é necessário apenas um. estudo, do Instituto de letrônica, Microeletrônica e Isso é importante porque com os transistores Nanotecnologia da França, o objetivo é construir menores e mais adaptáveis, será mais barato e componentes do circuito em escala nanométrica mais fácil reproduzir a escala de algumas sinapses que possam ser usados em computadores artificiais para milhares, disse Vuillaume. inspirados no funcionamento dos neurônios. Nomfet sses computadores seriam úteis para as tarefas Para construir o Nomfet, Vuillaume e sua equipe para as quais os computadores tradicionais não são colocaram nanopartículas de ouro entre dois muito bons, especialmente para processamento de eletrodos. As partículas, apenas cinco com 20 imagens e reconhecimento, disse o cientista ao nanômetros de diâmetro, foram cobertas com uma site Live Science. camada muito fina de uma substância chamada Transistores são alicerces da eletrônica. les pentaceno, que conduz eletricidade. permitem o controle do funcionamento corrente Cargas positivas chamadas "buracos", que são elétrica através de um circuito, amplificando ou criados pela falta de elétrons no pentaceno, mudando a corrente ligada ou desligada. transmitem a corrente através desse vale de ouro. Sinapse dos transistores m cada entrada de tensão, alguns buracos estão Da mesma forma, a sinapse, um pequeno intervalo presos temporariamente pelo ouro, e isso muda a entre neurônios vizinhos, é um componente crucial saída elétrica do transistor. Dependendo da do cérebro. O neurônio transmite um pulso elétrico voltagem utilizada, o Nomfet pode produzir pequeno ao longo de seu comprimento, resultados mais fortes ou mais fracos assim como provocando a liberação de substâncias químicas, os neurônios humanos submetidos a plasticidade chamadas neurotransmissores, na sinapse. Os de curto prazo. neurotransmissores atravessam a abertura Devido a esta capacidade de adaptação, o Nomfet sináptica e desencadeiam uma resposta no é mais flexível que os transistores tradicionais, neurônio vizinho. dizem os investigadores. O próximo passo, disse O sincronismo dos pulsos elétricos ajuda a Vuillaume, é combinar vários transistores Nomfet determinar o tamanho de um sinal químico enviado. juntos para ver de perto como se aproximam reais m alguns neurônios, estímulos repetidos rendem circuitos neurais. resultados mais fortes. m outros, múltiplos Redação Terra