Eletrônica. Transistores. Página 1 de 27

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1 Eletrônica Transistores Página 1 de 27

2 Objetivos Após completar o estudo desta apostila o aluno deverá estar apto a Reconhecer a teoria do transistor Reconhecer os tipos básicos de transistores Conhecer a polarização dos transistores Conhecer as diversas configurações dos transistores Reconhecer as características básicas dos transistores Conhecer o funcionamento dos transistores Reconhecer o transistor como chave Conhecer os circuitos básicos de polarização Saber o que é polarização direta e indireta Conhecer os transistores JFET Conhecer os transistores MOSFET Conhecer o equivalente do transistor para pequenos sinais e baixa freqüência Calcular a polarização dos transistores com exemplo passo a passo Conhecer os reguladores de tensão básicos com transistores Página 2 de 27

3 1. Introdução Os componentes passivos básicos na eletricidade e eletrônica são o resistor, o capacitor e o indutor. Neste estudo vamos utilizar alguns destes componentes em alguns circuitos. Caso você tenha necessidade de lembrar algo sobre eles consulte as apostilas sobre CC, CA, resistores e capacitores. O diodo que estudamos na apostila anterior é um componente linear muito simples feito de duas partes de um material semicondutor de germânio ou silício dopados que são colocadas juntas criando uma junção PN. Se nós juntarmos dois diodos extremidade com extremidade criaremos uma junção de três camadas com duas junções (daí o nome de bipolar) com três terminais que é a base do transistor de junção bipolar. Estes três terminais tomam os nomes de base, emissor e coletor. A palavra transistor é um acrônimo sendo a combinação das palavras em inglês Transfer Varistor que foi usada para descrever o seu modo de operação no início de seu desenvolvimento. Temos dois tipos básicos de transistores: NPN e PNP que vamos estudar com detalhe nesta apostila. Os transistores são componentes ativos que atuam na amplificação ou regulagem de correntes e assim controlam a corrente que passa por eles conforme a corrente de polarização aplicada ao seu terminal de base. Os princípios de operação do transistor PNP e NPN são os mesmos sendo que sua única diferença é a forma de polarização e a polaridade da tensão de alimentação para cada tipo de transistor. 2. Configuração do transistor bipolar Vamos inicialmente ver a diferença que existe entre o diodo que tem somente uma junção e o transistor que tem duas junções. Vamos ver o transistor NPN, mas as observações valem para o PNP também, pois praticamente não existe diferença entre os dois a não ser a disposição de suas partes N e P. Vemos na Figura 2.1 a representação simbólica da construção desse transistor. Figura 2.1 Os nomes que aparecem na figura são os nomes normalmente usados para suas funções. A parte esquerda é composta de material emissor N, pois sua função é a de emitir elétrons, a da direita também de material N tem a função de coletar os elétrons e a do meio chamada de base é comum às duas. Apesar de existirem 4 possíveis maneiras de se aplicar as tensões pois cada diodo como aprendemos na apostila sobre diodos pode ser polarizado direta ou indiretamente, a polarização do transistor para operar como desejamos deve ter sua junção base-emissor polarizada diretamente e a junção basecoletor deve estar inversamente polarizada, seja um transistor NPN ou PNP, como vemos na Figura 2.2 abaixo. Página 3 de 27

4 Ib Ib Ie N P Base N Ic Figura 2.2 Emissor Coletor Vbe + Vbc Ainda sobre a construção do transistor podemos dizer que a base é fina ou de pequenas dimensões com relação ao coletor e emissor, que a base é pouco dopada, isto é, tem poucos átomos de impureza, e que por meio da polarização, a tensão coletor-base (Vbc) é maior do que tensão base-emissor (Vbe) como pode ser visto pela figura acima onde desenhamos uma bateria do emissor menor que a do coletor. Visto isto vamos analisar o fluxo de corrente no transistor. Para isto modificamos a Figura 2.2 e temos agora a Figura 2.3 abaixo que mostra os portadores majoritários somente. Como recordação vamos ver o que são portadores. Vimos no estudo dos diodos que temos dois materiais: P e N unidos. No material semicondutor N dopado temos elétrons sobrando e este material é um DOADOR de elétrons e é PORTADOR de carga do material N que são os elétrons. No material semicondutor P dopado temos lacunas ou buracos que é a falta de elétrons, sendo então PORTADOR de lacunas ou cargas positivas que exercem uma atração sobre os elétrons e ACEITADOR de elétrons. As lacunas exercem um papel de depósito de passagem para os elétrons permitindo que eles saltem de uma lacuna para outra criando uma corrente positiva. Os portadores podem ser majoritários ou minoritários. Sabemos que a condutividade de um semicondutor depende da carga de dopagem que influi no número de portadores de carga, seja elétrons livres ou lacunas. Quando nos referimos a um material N estamos falando de um semicondutor que tem mais elétrons livres, ou seja, é um PORTADOR MAJORITÁRIO de elétrons pelo efeito da dopagem e da quebra de ligações. As lacunas surgidas no material N são devido às quebras das ligações e são chamadas de PORTADORES MINORITÁRIOS. Resumindo um semicondutor N é MAJORITÁRIO de elétrons e MINORITÁRIO de lacunas. Se o semicondutor for P os MAJORITÁRIOS serão lacunas e os MINORITÁRIOS serão os elétrons. Então um semicondutor P é MAJORITÁRIO de lacunas e MINORITÁRIO de elétrons. Ie Barreira BE N Emissor P Base Barreira BC N Coletor Ic Vbe + Vbc Figura 2.3 Página 4 de 27

5 Nessa figura temos três nomes indicados: emissor, base e coletor. Coletor à direita porque tem a função de coletar os elétrons, emissor à esquerda porque tem a função de emitir elétrons e a parte comum aos dois chamamos de base. Aplicando tensões aos três terminais podemos ver como o transistor desempenha sua função. Se prestarmos atenção ao desenho acima vemos que temos 4 possibilidades de aplicação das tensões externas, pois cada um dos dois diodos podem ser polarizados direta ou indiretamente. Mas existe uma forma de polarização do transistor para que ele opere nas condições que desejamos: a junção base-emissor deve ser polarizada diretamente e a junção basecoletor deve ser polarizada inversamente, seja ele um PNP ou NPN como está mostrado na figura. Note que estamos repetindo para gravar melhor estes conceitos que são fundamentais. Vamos discutir um pouco o que está acontecendo na Figura 2.3. Primeiramente vamos lembrar que a base é feita de um material fino e pouco dopado tendo poucas lacunas, assim os elétrons se movem facilmente através da base, pois ela tem poucas lacunas para se combinarem. Com a tensão Vbe aplicada ao emissor os portadores majoritários são injetados na base, pois ela está sendo polarizada diretamente. Sendo injetados mais elétrons do que lacunas eles são empurrados para a junção do coletor pelos novos elétrons que vêm do emissor e se difundem pela junção. Uma vez que a junção do coletor tenha sido transposta eles são atraídos pela grande tensão Vbc e assim passam a fazer parte da corrente do coletor. A quantidade de elétrons que cruza a junção do emissor é determinada pela região da barreira emissor-base que é reduzida que, por sua vez, é determinada pela amplitude da polarização direta Vbe. Dessa forma se aumentarmos a polarização direta poderemos produzir um aumento das correntes do emissor e da base. De forma análoga, uma diminuição da polarização direta tem o efeito de diminuir todas as correntes. Fizemos uma análise do ponto de vista das tensões e vamos agora fazer uma análise do ponto de vista das correntes. Partindo da bateria Vbe os elétrons entram pelo emissor e se movem dentro do material do emissor em direção da junção da base. Dependendo da polarização direta que está sendo aplicada, alguns desses elétrons podem atravessar a junção e penetram então na região da base. A maior parte destes elétrons não encontra lacunas como vimos acima e são empurrados para a junção do coletor. Devido ao efeito do calor eles se difundem aleatoriamente através dessa junção e depois são atraídos para a junção coletor-base devido à alta tensão Vbc e passam por Vbc e se unem aos outros elétrons, que são poucos, que chegam à base indo para Vbe e recomeçam então o ciclo. Esta descrição se refere ao transistor NPN e para o transistor PNP devem-se somente trocar os sentidos das correntes das baterias e dos portadores majoritários. Podemos concluir assim: devido á polarização que foi considerada, a corrente do emissor, Ie, é relativamente grande, a corrente de base, Ib, é pequena e a corrente do coletor é bastante grande. A corrente da base é relativamente pequena devido às recombinações que resultam na base que são poucas como vimos. Também podemos observar na figura que a corrente do emissor é a soma das correntes da base com a corrente do emissor, isto é, Ie=Ib+Ic, mas como Ib é muito pequena, podemos escrever: Ie Ic. Página 5 de 27

6 Exercícios 1. Elétron de valência é um elétron que: a. Está situado no primeiro nível b. Está situado no último nível c. Está situado nos níveis intermediários d. Está fora de nível 2. Um semicondutor é do tipo P quando a. A impureza for o antimônio b. A impureza for o índio c. A impureza for o carbono d. A impureza for poeira do ar 3. Um diodo quando polarizado inversamente sua barreira de potencial é a. Aumentada b. Positiva c. Inalterada d. Diminuída 4. A região zener é uma região onde o diodo a. Fica torrado b. Trabalha bem c. Conduz d. Não conduz Página 6 de 27

7 3. O transistor como um elemento de um circuito Vamos agora estudar as diversas maneiras como o transistor atua em um circuito eletrônico. Nos circuitos os transistores são representados por símbolos e as correntes são representadas com seus sentidos de percurso normal. A polarização é dada por: Junção base-emissor: polarizada diretamente Junção coletor-base: polarizada inversamente Os sentidos das tensões e correntes para estas polarizações estão indicadas na Figura 3.1, na qual vemos uma representação simbólica dos transistores, uma analogia dos mesmos com dois diodos e os seus símbolos em uma só figura. Os símbolos usados nesta figura são os usados nesta apostila. Figura 3.1 Vemos também na figura acima setas que indicam a direção convencional das correntes entre a base e o terminal emissor. Existem basicamente três possíveis formas para conectar um transistor em um circuito eletrônico sendo que cada modo responde de forma diferente ao seu sinal de entrada, pois as características do transistor variam com cada modo de ligação. Estes modos são: 1. Configuração de base comum 2. Configuração de emissor comum 3. Configuração de coletor comum É muito simples para você memorizar estes símbolos: para saber se ele é PNP ou NPN, basta ver para onde a seta aponta. Se para a base ele é PNP se para fora da base ele é NPN. Podemos deduzir as relações entre as correntes e tensões a partir da figura acima. Elas são: Ie Ib Ic; se Ib for desprezíve l podemos escrever : Ie Ic; Vec Vbc Vbe Página 7 de 27

8 Vamos ver cada um desses modos em mais detalhe logo mais, porém antes vamos ver as relações entre as correntes do transistor. 3.1 Relações entre as correntes de um transistor Existem certas relações entre as três correntes de um transistor que são informadas pelos fabricantes dos transistores e por meio delas podemos ter uma idéia do fator de amplificação ou de ganho de um transistor. Estas relações são: α e β. A relação α é definida como sendo a relação entre a corrente do coletor e a Ic corrente do emissor:. Ie A relação β é definida como sendo a relação entre a corrente do coletor e a Ic corrente da base:. Ib A relação β também é indicada pelo símbolo h fe. É a relação mais importante, pois é a relação entre a corrente de saída e a de entrada e dá a amplificação produzida pelo transistor e que toma também o nome de ganho do transistor. Dessas relações básicas entre as correntes podemos deduzir as outras relações que damos abaixo: Ic Ib; Ie ( 1) Ib; Ie Ic Ib; Nessas equações Ie é a corrente do emissor, Ic é a corrente do coletor e Ib é a corrente da base como vimos na Figura 3.1 acima. 1 ; Diferentes montagens de um transistor Vamos ver a seguir as diversas possibilidades de montagens dos transistores. Iniciando dom a montagem de base comum Configuração de base comum Vemos esta configuração na Figura 3.2 abaixo. Figura 3.2 A configuração de base comum é quando a base está na entrada e na saída do circuito como vemos na figura, ou dito de outra forma é quando a base é o terminal comum. Este transistor é um amplificador não inversor, pois os sinais de tensão de entrada e de saída estão em fase. Também este transistor tem uma grande resistência de Página 8 de 27

9 Entrada Saída saída ou de carga e uma baixa resistência de entrada dando assim um ganho de resistência. Esta ligação não é muito usada devido ao alto ganho de tensão e tem as seguintes características: Ganho de corrente menor que 1 (sinal atenuado) Alto ganho de tensão Resistência de entrada: pequena Resistência de saída alta (ganho de resistência) Ganho de potência médio Defasagem zero Sinal: entrada no emissor e saída no coletor O ganho de voltagem é dado pela equação: Ic * Rs Rs Gv Ie * Re Re Onde R s é a resistência de saída ou da carga de saída e Re a resistência da entrada. Este circuito é usado como um único estágio amplificador para microfones ou rádios devido a sua boa resposta de freqüência Configuração de emissor comum Vemos na Figura 3.6 o circuito da configuração de emissor comum. C Figura 3.6 B E Emissor comum Na configuração de emissor comum o transistor está instalado de forma que a entrada do sinal está na base e a saída está no coletor sendo o emissor o terminal comum. Esta configuração é a mais utilizada para amplificadores baseados em transistores e produz o mais alto ganho de voltagem, corrente e tensão dos três modos de instalação. Isto se deve principalmente a que a impedância de entrada é baixa por ser polarizada diretamente e a impedância de saída é alta por ser polarizada indiretamente. As características desta configuração são: Alto ganho de corrente Ganho de tensão médio Baixa resistência de entrada Página 9 de 27

10 Entrada Saída Alta resistência de saída Grande ganho de potência Defasagem de 180º A corrente que sai do transistor é igual a soma da corrente que entra no coletor mais a corrente da base: Ie Ic Ib Temos ainda as seguintes relações: Ic ; Ie Ic Ib ; ; 1 1 Esta configuração de montagem do transistor tem uma maior impedância de entrada, maior ganho de potência do que a configuração de base comum que vimos acima, porém tem um ganho de voltagem bem menor. Note também que esta configuração é de um amplificador inversor, pois seu sinal de voltagem de saída está defasado em 180 do sinal de voltagem de entrada Configuração de coletor comum Na Figura 3.7 temos a configuração de coletor comum. E Figura 3.7 B C Coletor comum Esta configuração é chamada também de seguidor de voltagem ou seguidor de emissor. O coletor é agora comum, pois a entrada é a base e saída é o emissor sendo o coletor comum com a base. Esta configuração é útil para aplicações de casamento de impedâncias, pois sua alta impedância de entrada está na região de centenas de milhares de ohms e sua saída tem impedância relativamente baixa. A configuração de emissor comum tem uma ganho de corrente igual ao β do transistor, já no caso do coletor comum a resistência da carga está em série com o emissor e sua corrente é igual à do emissor. Como a corrente do emissor é uma combinação das correntes do coletor e da base combinadas, a resistência da carga nesta configuração tem a corrente do coletor e da entrada da base fluindo por ela. Os ganhos de corrente deste circuito são dadas pelas seguintes relações: Página 10 de 27

11 Entrada Saída Ie Ic Ib; e: Ic Ib Ic Ib Ib Ic Ib 1; O resumo das características desta configuração são as seguintes: Grande ganho de corrente Pequeno ganho em tensão Grande resistência de entrada Pequena resistência de saída Pequeno ganho em potência Nenhuma defasagem da base para o emissor 1 Este tipo de configuração do transistor bipolar é não inversor, pois os sinais de entrada e de saída estão em fase. Seu ganho de voltagem é 1 e como sua resistência de carga recebe as correntes da base e do coletor ele tem um alto ganho dando uma boa amplificação de corrente com um pequeno ganho de voltagem. Vimos a configurações para o transistor NPN. Elas são as mesmas para o transistor PNP. O transistor NPN é o mais comumente usado Montagens práticas das configurações Temos visto até agora as montagens de forma simplificada. Vamos agora ver essas montagens na prática e comentá-las para serem reconhecidas. Para isto vamos ver diversas figuras. Começando pela Figura 3.8, vemos que o emissor está ligado à terra (0V). Então ele é de emissor comum. +Vcc Figura 3.8 C B E Emissor comum Podemos dizer que quando o terminal seja ele base, coletor ou emissor, esteja aterrado ele indica a configuração. Neste caso ele é de emissor comum, pois o emissor está aterrado. Vamos agora para outra configuração, quando o terminal está bypassado (by pass é uma palavra inglesa que significa uma passagem secundária ou circuito secundário ou de desvio) por um capacitor como vemos no circuito da Figura 3.9. Página 11 de 27

12 Entrada Saída +Vcc Figura 3.9 C B E Emissor comum Se o terminal bypassado for o emissor, coletor ou base, então ele é comum. No caso da figura o terminal bypassado é o emissor então ele é de emissor comum Critérios de montagem Se o terminal B, C ou E não estiver aterrado e nem for bypassado podemos aplicar os critérios de montagem: Se o sinal entrar pelo emissor e sair pelo coletor a montagem será de base comum. Se o sinal entrar pela base e sair pelo coletor temos uma montagem de emissor comum. Se o sinal entrar pela base e sair pelo emissor temos uma montagem de coletor comum. 4. Polarização dos transistores Já sabemos que para um transistor ampliar uma certa corrente é necessário polarizar diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção coletor-base seja ele um transistor NPN ou PNP, e independentemente de sua forma de ligação no circuito. Você viu na Figura 2.3 acima que usamos duas baterias uma para cada junção. Na prática isto não se faz assim, pois usamos somente uma bateria e as tensões de cada junção são conseguidas por meio de divisores de tensão, que já estudamos na apostila de resistores capítulo 12. O cálculo desses resistores é feito de maneira que a junção base-emissor fique diretamente polarizada e a junção base-coletor fique inversamente polarizada e o transistor trabalhe na região ativa de suas curvas de trabalho nas condições que estamos fixando, que trabalhe sem distorções e não fique danificado quando em funcionamento. Chama-se a esta operação de polarizar um transistor. A técnica de polarização consiste basicamente em escolher a corrente do coletor Ic e a tensão do coletor-emissor Vec a partir das condições de trabalho do circuito que estamos projetando, dos dados fornecidos pelo fabricante do transistor e/ou de suas curvas características. O ponto Vec,Ic é o ponto de operação ou de polarização e toma também o nome de ponto quiescente e está mostrado na Figura 4.1 abaixo. Este ponto é determinado sobre uma reta traçada sobre a Página 12 de 27

13 curva característica de saída do transistor. Esta reta toma o nome de reta de carga. Vamos fazer um exemplo para melhor compreendermos este assunto. Podemos determinar uma curva característica do transistor tomando um transistor NPN em montagem de emissor comum. Traça-se um gráfico mostrando na linha horizontal (das abscissas) ou eixo X a tensão coletor-emissor Vec e na vertical (eixo das ordenadas) a corrente do coletor Ic. Traça-se uma família de curvas com diversas correntes da base Ib, com mostramos na Figura 4.1 abaixo. Essa figura é meramente ilustrativa, pois deve ser usada a curva dada pelo fabricante do transistor que pode ser bastante diferente desta até na forma de apresentação dos dados: na vertical pode estar a voltagem e na horizontal pode estar a corrente, por exemplo. Figura 4.1 Vemos na Figura 4.1 uma reta chamada de reta de carga. Essa reta tem como ponto de partida a tensão Vcc da bateria escolhida para polarizar o transistor e se chama Vcc sendo CC devido ao fato de estar no coletor. No eixo das correntes escolhemos Ic devido ás condições do circuito.unindo esses dois pontos determinamos uma reta que toma então o nome de reta de carga onde determinamos o ponto de polarização do transistor. Um último ponto a considerar é o domínio de funcionamento do transistor. Quando fazemos a polarização de um transistor devemos nos preocupar com os seguintes limites de operação do transistor: Tensão inversa máxima base-emisssor Tensão máxima coletor-emissor Corrente máxima do coletor Tensão máxima coletor-base Potência e temperatura máxima Vemos na Figura 4.2 a área que denominamos de região de Trabalho do transistor. Página 13 de 27

14 Figura 4.2 Vemos na figura os limites mostrados que se forem ultrapassados o transistor pode ser danificado ou pode trabalhar com distorções. A região de trabalho é a região ativa ou linear do transistor e é onde ele trabalha sem apresentar distorções. Por essa razão o ponto de polarização e a reta de carga deve estar dentro dessa região. Na figura vemos duas regiões mostradas como região de corte e região de saturação que são comentadas logo mais abaixo. Exercícios 5. Ao polarizar um transistor na região ativa devemos fazer: a. A junção base-emissor direta e a coletor-base inversa b. A junção base-emissor inversa e a coletor-base direta c. A junção base-emissor direta e a coletor-base direta d. Todas alternativas estão corretas 6. A corrente no transistor NPN: a. Sai do emissor b. Entra no emissor d. Sai da base c. Entra no coletor 7. Em um transistor temos: a. Ie=Ib-Ic b. Vce=Vcb-Vbe c. Ie=Ic+Ib d. Ib=Ic+Ia 8. O ganho de corrente de um transistor quando em montagem comum é dado por: a. β=ic*ia b. β= Ic+Ib c.β= Ic/Ib d.β= Ic-Ib Página 14 de 27

15 Icmax Região de saturação 5. O transistor como chave Um uso de muita utilidade para o transistor é o de operar como chave liga-desliga. Quando um transistor opera como um amplificador de sinal a voltagem de polarização da base do transistor deve ser aplicada a fim de que ele opere dentro de sua região ativa. Mas a utilização do transistor como chave permite usar o transistor como chave de estado sólido para controlar dispositivos tais como motores, solenóides, lâmpadas, etc. neste caso a polarização do transistor deve ser disposta na área chamada de saturação ou de corte como vemos na Figura 5.1 abaixo. 60 Figura corte. Área de corte Vce A área em cinza é a área de saturação e a área em amarelo é a chamada área de Corte é a distorção sofrida pelo sinal de entrada como quando o sinal entra como uma senóide e sai como uma senóide cortada nos semiciclos superiores como vemos na Figura 5.2. Isto pode ocorrer quanto o transistor está polarizado com valores Vec muito altos e a corrente do coletor cai a aproximadamente zero sendo as das junções coletorbase e base-emissor polarizadas no sentido inverso. O corte ocorre a partir de uma corrente mínima do coletor. Resumindo podemos dizer que na região de corte ambas junções estão inversamente polarizadas e a corrente de base é 0 ou muito pequena induzindo a uma corrente de coletor 0 causando com que o transistor seja completamente DESLIGADO. Figura 5.2 A área de saturação é a área que apresenta uma distorção do sinal da senóide de entrada e que produz na saída um corte nos semiciclos inferiores da senóide como vemos na Figura 5.3 abaixo. Isto ocorre quando o transistor está polarizado com baixos valores de Vec. Página 15 de 27

16 Entrada Diodo de proteção Figura 5.3 Podemos considerar esta distorção como um curto entre o coletor e o emissor sendo as junções polarizadas em sentido direto. A saturação ocorre a partir de uma tensão Vec mínima chamada de tensão de saturação. Na região de saturação ambas junções estão diretamente polarizadas e a corrente da base é alta o bastante para produzir uma voltagem coletor-emisor de 0V o que resulta em máxima corrente do coletor. O transistor está então COMPLETAMENTE LIGADO. O circuito para este caso se parece com o de emissor comum como vemos na Figura Vcc Relê Figura 5.4 C B E Este circuito é semelhante ao de emissor comum que já estudamos com a diferença de que agora ele opera como uma chave e para isso ele deve estar ou aberto ou fechado. Um interruptor de luz ou um contator de um motor quando operando bem, por exemplo, devem ter uma mínima resistência ao ser ligado e uma resistência infinita ao der desligado. Para operar de forma ideal e emular um contator ou um interruptor, um transistor deveria ter uma resistência infinita quando ao desligar resultando em um fluxo de corrente zero e, pelo contrário, uma resistência zero quando ligado resultando em uma corrente máxima. Quando o transistor opera na região de saturação e de corte a potência dissipada pelo transistor é de um mínimo. Para que um transistor de silício transmita a corrente de base ele deve estar com 0,7 V acima da tensão do emissor. Variando a tensão base-emissor Veb, a corrente da base é alterada o que por seu turno controla a corrente do coletor. Quando a corrente do coletor é máxima diz-se que o transistor está saturado. Vemos que o valor do resistor da base determina o valor da voltagem de entrada e a corrente de base correspondente para que o transistor esteja completamente LIGADO. Página 16 de 27

17 Exercícios Exemplo Se em um circuito a base do transistor está bypassada por um capacitor, o transistor está: a. Montagem de base comum b. Montagem de emissor comum c. Montagem mista d. Montagem de seguidor de emissor 10. O ponto de operação é um ponto cujas coordenadas são: a. Vec. Iec b. Vec, Ib c. Vec, Ie d. Vec, Ic 11. Reta de carga de um transistor é uma reta traçada na: a. Curva de saída do transistor, VEC-Ic b. Curva S c. Curva de entrada do transistor, Vbe-Ib d.curva do Zener, Vz-Iz 12. No circuito de polarização fixa temos: a. Não tem boa estabilidade e depende do β b. Não tem boa estabilidade mas independe do β c. è completamente dependente do β d. Boa estabilidade e independência do β Página 17 de 27

18 6. Transistor Darlington Um transistor Darlington é composto por dois transistores NPN ou PNP ligados de maneira que o ganho de corrente do primeiro transistor é multiplicado pelo ganho de corrente do segundo transistor. Este transistor é usado quando o ganho de um transistor bipolar é muito baixo para a voltagem ou corrente que se deseja obter no circuito. A configuração Darlington toma o nome de configuração composta para ganho complementar. O ganho de corrente β (beta) ou Hfe de um transistor Darlington é o produto do ganho dos dois transistores individuais: t 1 2 Dessa forma o transistor Darlington tem valores β altos e altas correntes de coletor que não são passíveis de se conseguir com transistores normais. 6.1 Configuração Darlington Na Figura 6.1 você vê a configuração do transistor Darlington. Como se vê ele se compõe de dois transistores ligados juntos como em série, pois a base do segundo transistor é alimentada pela corrente do emissor do primeiro transistor. Figura 6.1 O primeiro transistor recebe o sinal de entrada e o amplifica e usa este sinal para alimentar a base do segundo transistor o que amplifica de novo o sinal resultando em um ganho muito grande. Uma outra vantagem do transistor Darlington é sua alta velocidade de atuação o que o torna ideal para uso em circuitos inversores para motores de CC ou de passo. Uma última consideração no uso deste transistor é a diferença para com os transistores convencionais bipolares é de que a voltagem base-emissor Vbe necessita ser de 1,4 V nos transistores de silício, devido às duas junções PN. Página 18 de 27

19 P F D 7. Transistor de efeito de campo FET Os transistores de efeito de campo são componentes unipolares com propriedades similares às do transistor bipolar que acabamos de estudar. Estas propriedades são: alta eficiência, operação instantânea, robustez e baixo preço. Estes transistores podem ser usados na maioria dos circuitos que usam os bipolares, mas eles podem ser menores que os de junção e podem consumir menos potência e dissipação que o tornam ideal para uso em circuitos integrados e chips para computadores. Uma grande vantagem destes transistores sobre os de junção bipolar é sua alta impedância que o torna muito sensível, mas que ao mesmo tempo o torna muito vulnerável à eletricidade estática. Isto obriga o usuário a tomar muito cuidado no seu manuseio. Os FET se apresentam em dois tipos principais: o JFET, transistor de junção de efeito de campo e o MOSFET, transistor de efeito de campo de óxido metálico semicondutor. 7.1 Transistor JFET Acabamos de estudar o transistor bipolar de junção que tem duas junções PN no caminho da corrente entre o emissor e o coletor. O JFET tem 3 terminais chamados de dreno, porta e fonte como vemos na Figura 7.1 abaixo. Mostramos nessa figura uma barra de material N que tem duas partes de material P incrustadas nele formando duas regiões P que são interligadas formando um terminal chamado de porta P. O canal formado de material N tem dois terminais, um em cada extremidade do canal. Estes terminais tomam os nomes de Dreno (D) e fonte (F) na figura. A tensão aplicada à porta controla o fluxo de corrente do dreno para a fonte (de D para F). Na figura abaixo vemos a estrutura e o símbolo deste transistor com dreno de material N. Figura 7.1 Vfp D Canal N P F P Estrutura Vfd Símbolo JFET TIPO P O canal semicondutor do JFET indicado como sendo de material N é um caminho resistivo pelo qual a tensão Vfd causa a passagem de uma corrente Id. Forma-se então uma tensão que muda gradualmente pelo canal com esta tensão ficando menos positiva conforme passa pelo terminal do dreno para o terminal da fonte. A junção PN tem assim uma alta polarização inversa no terminal de dreno e tem uma baixa polarização inversa no terminal de fonte. Esta polarização causa uma camada de depleção que é formada no canal e que diminui com a queda de polarização. O controle do fluxo de corrente através do JFET entre os terminais do dreno e fonte é feito pelo controle da voltagem aplicada ao Página 19 de 27

20 terminal da porta. Em um JFET de canal N a voltagem da porta é negativa e no JFET de canal P ela é positiva. Vfp D Canal N P F Figura 7.2 P Vfd Vemos na Figura 7.2 acima uma zona em vermelho chamada zona de depleção ao redor da porta e vemos que ela restringe a área de passagem da corrente pelo canal pois reduz sua largura efetiva aumentando a resistência do canal, como se pode esperar da lei de Ohm. Quando a tensão Vpf da porta é igual a 0 e a vamos aumentando temos uma pequena voltagem Vfd entre o dreno e a fonte, a corrente Id máxima estará fluindo pelo canal sendo pouco afetada pela camada de depleção. Se a tensão negativa Vfp for agora aumentada na porta o tamanho da zona de depleção será aumentada como vemos na Figura 7.2 em vermelho apertando o canal e este se torna menor a diminuindo a corrente Id. Conforme a tensão de porta for ficando mais negativa a largura do canal diminuirá mais até que nenhuma corrente possa passar pelo canal. Dizemos que o canal está estrangulado. Este aperto contínuo forma a zona de depleção e chega a fechar o canal devido ao aumento de Vfp e a corrente não poderá mais crescer alcançando um valor chamado de corrente de saturação. Esta voltagem controla a corrente do canal e vemos então que o JFET atua mais como um resistor variável de controle da voltagem com uma resistência 0 quando Vfp= 0 e máxima quando a tensão da porta é muito negativa. Vemos na Figura 7.3 abaixo as curvas típicas de tensão-corrente de um JFET típico. Figura 7.3 Página 20 de 27

21 Vfd Vfp Na figura do símbolo do JFET estão mostradas as corrente que fluem pelos seus terminais. If - Figura 7.4 P F D Id + Na Figura 7.4 acima vemos a voltagem Vfp aplicada na porta controla a corrente que flui entre os terminais do dreno e se refere à voltagem aplicada entre a porta e a fonte, e a voltagem Vfd se refere à voltagem aplicada entre o dreno e a fonte. Como o JFET é um transistor que controla a voltagem como vimos, nenhuma corrente flui pela porta e assim a corrente de fonte If é igual à corrente Id-If O MOSFET Acabamos de estudar os transistores de junção de efeito de campo JFET, mas existe ainda outro transistor conhecido, de porta isolada do canal da corrente principal o transistor de efeito de campo de óxido metálico conhecido como MOSFET. O MOSFET tem uma porta de óxido metálico que é normalmente de dióxido de silício conhecido como vidro, que é isolado eletricamente do condutor principal do canal P ou N. Este isolamento da porta faz com que a resistência de entrada do MOSFET seja da ordem de milhões de ohms ou quase infinita. Como então o terminal da porta está isolado do canal que transporta a corrente principal esta corrente não pode circular pela porta e ela atua como um resistor de voltagem controlada como no JFET. Esta resistência muito alta, como no JFET, pode acumular altas cargas de eletricidade estática e o MOSFET assim como o JFET deve ser manuseado com muito cuidado para não sofrer danos Estrutura e símbolo do MOSFET Vemos na Figura 7.5 a estrutura e símbolo do MOSFET do tipo PN. Vd Vfp Dreno Porta Eletrodo de metal Isolador de óxido de metal Vf Fonte Figura 7.5 P N P Como vimos no caso do JFET ele deve ter a junção PN diretamente polarizada, mas no caso do MOSFET não existe esta limitação assim é possível polarizar a porta positiva ou negativamente. Desta forma o MOSFET se torna muito valioso para a Página 21 de 27

22 Id Id Vfp Vfp aplicação em chaves eletrônicas e para produzir portas lógicas devido que sem polarização eles não conduzem e como eles têm uma alta resistência significa que somente é necessária uma pequena corrente de controle. Existem MOSFET N e P em duas formas: tipo de depleção e tipo incrementado (enhanced no inglês) MOSFET de depleção O modo ou tipo de depleção do MOSFET é muito menos comum do que o modo incrementado. O modo de depleção está normalmente no estado LIGADO sem uma voltagem de polarização de porta, mas necessita uma voltagem da porta para a fonte Vpf para mudar o componente para DESLIGADO. Vamos ver agora a questão da forma dos canais. Como no casodos JFET, para alargar o canal do MOSFET N deve-se empregar uma voltagem positiva da porta aumentando o fluxo da corrente de dreno e diminuindo a corrente de dreno conforme a voltagem se torna mais negativa. Com o MOSFET P acontece exatamente o contrário. O modo de depleção equivale a uma chave normalmente fechada. Vemos as curvas características dos MOSFET canal N de depleção e incrementado na Figura 7.6 abaixo. 5 Saturação +V 5 Saturação +V Figura Vfd 12V -V 0 Vfd Vfp=0 12V Na figura da esquerda vemos as curvas de um MOSFET de modo depleção e à direita as curvas para o MOSFET modo incrementado. Na Figura 7.7 abaixo vemos os símbolos desses dois MOSFETs. Figura MOSFET modo incrementado O MOSFET modo incrementado mais comum é o inverso do MOSFET do tipo de depleção. O canal de condução é levemente dopado ou mesmo sem dopagem tornando-o não condutivo. Temos como resultado um dispositivo que está normalmente em estado de desligado quando a voltagem de polarização for igual a zero. Página 22 de 27

23 Uma corrente de dreno somente fluirá quando a voltagem da porta Vfp for aplicada ao terminal da porta. Esta voltagem positiva cria um campo elétrico interno no canal que atrai os elétrons para a camada de óxido reduzindo a resistência total do canal e permitindo que a corrente flua. Se aumentarmos esta voltagem positiva da porta isto causará um aumento da corrente de dreno. Id, pelo canal, dessa maneira o modo incrementado é equivalente a uma chave interruptora de corrente normalmente aberta. Este tipo de MOSFET é excelente como chave eletrônica devido a sua baixa resistência em LIGADO e sua extremamente alta resistência quando DESLIGADO. Ver acima quando falamos sobre o transistor como chave. O MOSFET modo incrementado é muito usado em circuitos integrados como portas lógicas para a produção de portas lógicas CMOS e circuitos de chaveamento de força pois eles podem ser acionados por níveis lógicos digitais O MOSFET como chave Vimos a operação do MOSFET de canal N no modo incrementado que usa uma voltagem de entrada positiva e tem uma resistência extremamente alta de entrada que o torna possível de interfacear quase qualquer porta lógica capaz de produzir uma saída positiva. Também devido a esta alta resistência de entrada de porta podemos, para capacitar o trabalhos com altas cargas de corrente ou voltagem, ligar diversos MOSFET juntos. Mas isto tornaria o circuito caro e volumoso e para isto temos então recurso aos FET de potência. Vimos que aplicando uma voltagem adequada na porta de um FET a resistência do canal dreno-fonte pode ser variada desde uma não-resistência até uma de centenas de quilôhmios, que o tornaria virtualmente um circuito aberto até um circuito de baixa resistência de, digamos 1 ohm, que é uma situação de curto circuito. Esta possibilidade de ligar ou desligar um MOSFET nos permite usá-lo de forma muito eficiente como uma chave de alta velocidade muito mais rápida que um FET. Vamos ver um exemplo de aplicação do MOSFET como chave. No circuito da Figura 7.8 vemos um MOSFET instalado para operar como chave para acender ou apagar um LED. Note que se no lugar de uma carga resistiva tivermos uma carga indutiva como a bobina de um relê, deveremos instalar um diodo entre o dreno e Vdd que é um diodo de segurança ou de proteção como já estudamos. Figura 7.8 P D F Na figura acima supomos que temos uma bateria de 6V, um LED vermelho que absorve uma corrente de 0,030 A e uma tensão máxima de 2,1 V. Então o resistor em série com o LED deve ter: R=E/I=3,9/0,03=130Ω. A potência dissipada no resistor e LED Página 23 de 27

24 Ve Z1 Vs Rc Vz somam: no LED: P =EI= 2,1*0,030 = 0,063W e no resistor: P=UI=3,9*0,030=0,117W e total: 0,18W. Se você tiver problemas neste pequeno exemplo volte a estudar a apostila sobre diodos. Para que o MOSFET de potência atue como chave eletrônica analógica ele necessita ser chaveado entre sua região de corte onde Vfp=0 e sua região de saturação onde Vfp=+Ve. A potência dissipada no MOSFET Pd depende da corrente que flui através do canal Id na saturação e também da resistência ligado do canal dado por Rfd. Devido à sua extrema resistência de entrada da porta o MOSFET é uma chave de alta velocidade de ligação e desligamento e com a facilidade com que isto é feito ele é ideal para acionar interfaces de amplificadores operacionais e portas lógicas. Mas devese tomar cuidado de assegurar uma voltagem de entrada fonte-porta que seja correta, pois os MOSFETs devem ter uma resistência de canal em proporção de sua voltagem de entrada da porta. Por exemplo, você não deve aplicar um sinal de 15V se um de 6V for necessário. Os MOSFETs de potência podem ser usados para controlar motores de passo ou de corrente contínua diretamente da lógica do computador ou por meio de PWM. 8. Reguladores eletrônicos Regulador de tensão é um circuito que tem uma entrada de tensão contínua não regulada e cuja saída é mantida constante quaisquer que sejam as perturbações que existam no circuito de entrada. Uma fonte de tensão contínua é tanto melhor quanto menor seja sua variação de tensão e resistência na saída. 8.1 Regulador Zener O regulador Zener foi estudado na apostila sobre diodos. Os reguladores eletrônicos são circuitos que usam a propriedade do diodo Zener de ter uma saída constante para grandes variações de corrente. A tensão Zener é usada como tensão de referência, pois esta é a forma de se conseguir uma tensão praticamente constante. Vemos o regulador Zener simples na Figura 8.1. R1 Figura 8.1 O diodo Zener está inversamente polarizado e mantém a tensão de saída Vs no valor nominal do Zener. Se a tensão de entrada aumentar o diodo Zener deverá manter a tensão de saída para a carga constante o que implica em um aumento da tensão e da corrente em R1 e a corrente Zener mantendo a corrente de carga. Por outro lado se a resistência de carga diminuir e a tensão de entrada se mantiver é claro que haverá um aumento da corrente de carga; Neste caso a corrente de Zener deverá diminuir para manter a corrente e tensão regulada. Por esta explicação vemos que a eficiência da Página 24 de 27

25 regulação depende as características do Zener. Entretanto o Zener não é muito eficiente quando existem oscilações rápidas no circuito (ripple na abertura do circuito) devido ser sua resistência de saída relativamente baixa. Outra desvantagem deste diodo é a pequena corrente que ele fornece para a fonte. Por isso este diodo só é usado para pequenas fontes de tensões e correntes. 8.2 Regulador série O regulador série é um regulador que usa o Zener apenas como referência e tem um transistor montado como seguidor de emissor, com a finalidade de diminuir a resistência de saída da fonte e aumentar a corrente. Como sabemos a montagem de transistor com seguidor de emissor apresenta baixa impedância de saída e alto ganho de corrente. Se quiser leia novamente o que estudamos acima em Na Figura 8.2 vemos um esquema de regulador em série, onde o transistor está como amplificador de corrente, ou como também é conhecido, buffer de corrente. O zener neste circuito é um diodo de referência sendo o resistor R1 usado para polarizar a base do T1 e o Zener. Figura 8.2 Vamos estudar agora como este circuito funciona. No circuito acima a entrada é uma fonte não regulada cuja tensão contínua Ve. Se a tensão de alimentação aumentar, Vz e Vbe manterão a tensão de carga constante e haverá um aumento de Vce, que é a tensão entre o coletor e o emissor, aumentando a dissipação do transistor. No caso contrário com a diminuição da carga Ie=Il aumenta aumentando Iço e, caso Ie se manter I1 diminui e também Iz e Ib. Como Ic=hfe (veja estudo das características dos transistores acima), haverá uma certa estabilização de Ie. Este estabilizador é melhor do que o regulador Zener de nosso estudo anterior, mas sua regulação não é ainda muito boa e sua imunidade a ruídos não é boa também. 8.3 Regulador com retroalimentação Vemos na Figura 8.3 um regulador com retroalimentação ou realimentação. Como no regulador da Figura 8.2 a tensão na carga Vc depende do Zener, isto leva a uma maior dissipação de calor no Zener e baixa imunidade aos ruídos eletrônicos. Para evitar estes efeitos devemos usar um Zener de baixa tensão. Página 25 de 27

26 Iz Vz Não regulada Ve Vc Rc R3 Ib2 R4 R2 Ir2 R1 Tr1 Fig 8.3 I1 Tr2 Z Neste regulador o Tr1 está na montagem de seguidor de emissor, sendo o transistor amplificador de corrente, e o Tr2 é o transistor de realimentação, cuja tensão de saída Vs tem uma parte retirada por meio do divisor de tensão formado por R2 e R3 que é aplicada na base de Tr2. Esta tensão tem por fim promover uma corrente Ib2, I1 é a corrente de polarização de Tr1 e R4 tem a corrente I4 que serve para polarizar o Tr2, Este circuito tem boa estabilidade, com baixo ripple e baixa resistência de saída. Exercícios 13. Um transistor Darlington deve ser usado quando: a. Deve-se obter uma corrente mínima b. Deve-se obter pequena voltagem c. Deve-se obter grandes voltagens e correntes d. Serve só para CA 14. Quando as cargas de um transistor são indutivas deve-se: a. Usar um resistor de segurança b. Usar um diodo de segurança c. Usar um capacitor d. Não precisa nada 15. O MOSFET de modo incrementado é bom para: a. Usar para modelar o circuito b. Usar para chaves das portas c. Usar para melhorar o rendimento do circuito d. Usar para chaves eletrônicas 16. Os MOSFETS são sensíveis a: a. Eletricidade estática b. Eletricidade dinâmica c. Eletricidade de CC d. às correntes alternadas Página 26 de 27

27 Respostas dos exercícios 1. b 2. b 3. a 4. b 5. a 6. a 7. c 8. c 9. a 10. d 11. a 12. a 13. c 14. b 15. d 16. a Página 27 de 27