Eletrônica e Eletrotécnica Automotiva

Eletrônica e Eletrotécnica Automotiva Aulas 8 e 9: Transístores 18/05/2016 1

Sumário Por dentro das portas lógicas A história do transistor A revolução eletrônica Por dentro do transistor Polarização Regiões de atuação Aplicações 18/05/2016 2

Resumo Portas Lógicas AND Gate X Y Z = X AND Y 0 0 0 OR Gate X Y Z = X OR Y 0 0 0 NOT Gate X Y ou X & Y 0 1 0 1 0 0 1 1 1 X + Y 0 1 1 1 0 1 1 1 1 തX X Z = NOT X 0 1 1 0 NAND Gate NOR Gate XOR Gate XNOR Gate X Y X Y Z = X NAND Y X + Y X Y Z = X NOR Y X Y X Y Z = X XOR Y X Y X Y Z = X XNOR Y 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 18/05/2016 3

Por dentro das Portas Lógicas Como construir uma porta lógica? Porta Lógica Hidráulica Porta Lógica Elétrica OR gate AND gate Sai água pelo cano C se as torneiras A ou B estiverem abertas A lâmpada C acende se as chaves A e B estiverem fechadas 18/05/2016 4

Por dentro das Portas Lógicas Analogia elétrica: Chave eletrônica: Quando o controle C receber uma tensão alta (C=1) a entrada e a saída entram em curto (chave fechada), Caso contrário há um circuito aberto entre a entrada e a saída 18/05/2016 5

Criando um inversor com essa chave Considere: 18/05/2016 6

Criando as portas NAND E NOR PORTA NAND PORTA NOR 18/05/2016 7

O Transistor! C = Coletor B = Base E = Emissor A Base do transistor funciona como o controle da chave. Quando existe uma tensão elevada nela, a corrente flui do Coletor para o Emissor 18/05/2016 8

Portas Lógicas com Transístor Inversor: NAND: NOR (RTL): NOR (TTL): 18/05/2016 9

A História do Transístor No final da década de 40 pesquisadores buscavam um substituto para as Válvulas Descobriu-se que alguns materiais poderiam atuar tanto como isolantes como como condutores (semicondutores) As válvulas possuíam vários problemas como: Tamanho Consumo de energia elevado Quebra fácil Demora para aquecer Precisa de vácuo Podem queimar com facilidade Possuem partes móveis

A História do Transístor William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain Os transistores foram Inventado em 1947, na Bell Labs, por Shockley, Brattain e Bardeen. Consistia de um pequeno bloco de germânio e três filamentos de ouro (positivo, negativo e controle) Com a substituição do germânio pelo silício o transistor se tronou cada vez menor e mais barato

A Revolução Eletrônica A invenção dos transistores foi um dos fatores de maior transformação na sociedade moderna. Seus inventores ganharam o Nobel de Física em 1956 Entre as principais aplicações estão: Telecomunicações (telefones, internet) Entretenimento (TVs, MP3 players, videogames) Computadores Instrumentação médica Automação, Etc...

Lei de Moore O número de transistores dos chips tem um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses. A complexidade para componentes com custos mínimos tem aumentado em uma taxa de aproximadamente um fator de dois por ano... Certamente em um curto prazo pode-se esperar que esta taxa se mantenha, se não aumentar. A longo prazo, a taxa de aumento é um pouco mais incerta, embora não haja razões para se acreditar que ela não se manterá quase constante por pelo menos 10 anos. Isso significa que em torno de 1975, o número de componentes por circuito integrado para um custo mínimo será 65.000 (65nM). Eu acredito que circuitos grandes como este poderão ser construídos em um único componente (pastilha). Gordon Moore, Eletronic Magazine, 19 de abril de 1965

Core i7 2012 ~ 1,4 Bilhões de Transístores 1 Transístor = 22 nm Core i7 Quad core

O Transfer-resistor O termo transistor, ou transfer-resistor foi cunhado por seus inventores para explicar sua nova invenção. Na prática um transistor nada mais é que um dispositivo que pode variar a sua resistência (entre coletor e o emissor por exemplo), assim como um banco de resistores (ou um potenciômetro). A diferença é que esta variação de resistência é controlada por uma corrente elétrica (inserida na base do transistor), enquanto num banco de resistores (ou num potenciômetro) a resistência é variada mecanicamente.

Como Funciona o Transístor?? 18/05/2016 16

Junção PN Para entendermos corretamente o funcionamento de um transistor é necessário primeiramente entendermos o funcionamento de uma junção PN. Este é o funcionamento básico de um diodo.

Curva de caracterização do diodo Segue abaixo a curva de caracterização (V x I) de um diodo com junção PN. Como evoluímos do diodo para o transistor?

O transistor bipolar Um transistor bipolar nada mais é que dois diodos invertidos e em série colocados no mesmo encapsulamento. A princípio, dois diodos invertidos colocados em série não serviriam para nada, pois eletricamente sempre um dos dois estaria cortado, e portanto nenhuma corrente fluiria do coletor para o emissor e vice-versa. Qual o segredo?

O segredo dos transistores O segredo é construir a camada intermediária fina. O diodo polarizado diretamente acaba induzindo uma tensão de ruptura (como num diodo Zener) menor no diodo polarizado reversamente e o transistor então diminui a resistência entre coletor e emissor e a corrente passa pelo transistor.

Uma aplicação simples: chave Uma das aplicações mais simples e importantes de um transistor é utilizá-lo como uma chave eletrônica abre-fecha, conforme o circuito abaixo. Um problema inerente à utilização de um transistor, é dimensionar corretamente as tensões e correntes a que o componente é submetido, para não danificá-lo e garantir seu correto funcionamento., mesmo quando alguns parâmetros como ganhos e resistências internas possam variar. Como resolver estes problemas? 18/05/2016 21

A polarização de transistores Em aplicações digitais (liga/desliga), a utilização de resistores polarizadores nos circuitos busca auxiliar no correto funcionamento das chaves liga/desliga, mesmo diante de variações dos parâmetros do circuito. R R limita a corrente máxima do emissor quando o transistor estiver ligado

Regiões de operação de um transistor Região Ativa Região de Corte Região de Saturação

Recapitulando... J1 N P P J2 N + I F + I R N P P N P N N P N P N P N P

NPN equações do Transístor V CE I E N P N I C I E = I C + I B V CE = V CB + V BE I B + + V BE V CB

PNP equações do Transístor V EC I E P N P I C I E = I C + I B V EC = V BC + V EB I B + + V EB V BC

Junção NPN e PNP

Região Ativa V BE ~ 0,7V I C =β x I B I E = I C + I B I E = (β +1) x I B β = h fe (ganho)

I C =β x I B I E = I C + I B I E = (β +1) x I B I B = I E 1 β +1 Região Ativa I E = I C + I B I C = I E I B I C = I E - I E 1 β +1 I C = I E (1 1 I C = I E β β +1 I C = α x I B β α = β +1 α < 1 β +1 ) Valores típicos V BE ~ 0,7V β = 100 α = 0,99

O Transistor como uma chave (região de corte e saturação)

Região de corte VBE reversamente polarizado (não conduz) VBE < 0,7 VBC reversamente polarizado (não conduz) IB ~0 ; IC~0; VC =VCC

Do corte para a região Ativa Aumenta Vee>0,7 até que VBE ~0,7 Nesse caso I B = V ee VBE R b = V ee 0,7 R b I C = βi B V C = Vcc RC I C

Região de saturação Forçar corrente no coletor maior do que ele pode suportar VC diminui até que VCB fique reversamente polarizada (VCB=0) nesse caso : I CSat = Vcc 0,3 ; VCE fica constante ~ 0,3V Rc O ganho β~100 não vale mais

Curva Característica Emissor Comum

Tabela de estados do transistor Estado Variáveis IB IC VBE VCE Corte ~0 ~0 Baixo <0,7 Alto ~VCC Ativo Variável >0 IC = β IB ~0,7 ~0,3 a VCC Saturação Alto Máximo ~0,7 ~0,3

Exercício de prova 1 18/05/2016 36