UTFP Universidade Tecnológica Federal do Paraná ampus uritiba DAELN BEVE HISTÓIO SOBE O TIODO O triodo é um dispositivo eletrônico de amplificação comumente conhecido como tubo de vácuo (vacuum tube) ou válvula. É composto por três eletrodos: atodo aquecido (via um filamento incandescente), Anodo (ou placa) e a Grade de controle. O dispositivo original foi patenteado em 1908 por Lee De Forest. O aquecimento do catodo faz com que este libere elétrons, formando uma nuvem eletrônica ao redor do mesmo. Aplicando no catodo uma polaridade negativa, este funciona como um Emissor de elétrons. Os elétrons são acelerados em direção ao anodo ou placa com tensão positiva elevada (centenas de volts), que funciona como um oletor de elétrons. A função principal da grade (ou grelha) de controle é controlar a passagem do fluxo de elétrons (corrente entre o catodo e o anodo). Ela é construída com fios em forma de grade para facilitar a passagem da corrente, porém conforme sua polarização pode reduzir e até bloquear totalmente a corrente. Exemplo de um Amplificador de Sinal com Triodo. Prof. Sérgio Francisco Pichorim 1
FUNDAMENTOS DO TANSISTO E AMPLIFIADOES O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone por Bardeen e Brattain em 1947. Também, em 1948, Shockley desenvolveu pesquisas sobre semicondutores e o transistor. Os três foram laureados com o Nobel de Física em 1956. O termo TANS-ISTO vem de transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. Transistor Bipolar (ou de Duas Junções) Tipo NPN Outra possibilidade é a construção PNP que produz um transistor de funcionamento idêntico ao NPN, apenas observando que todas as tensões devem ter polaridades invertidas e as correntes circulam em sentido contrário. Duas equações elementares: I + IB = IE VB + VBE = VE Para o funcionamento do Transistor como Amplificador a junção Base-Emissor deve ser polarizada Diretamente, ou seja, VBE=0,7V para o transistor de silício. No entanto, a junção oletor-base deve estar sempre polarizada INVESAMENTE! elação Saída / Entrada A figura ao lado mostra a relação de I e VE para alguns valores fixos de IB. Efeito Transistor Observa-se que uma pequena corrente de Base (IB na ordem de dezenas de µa) controla uma grande corrente de oletor (I na ordem de ma)! Fator de Amplificação da orrente HFE ou β = I / IB Alguns Multímetros fazem a medição direta deste parâmetro nos transistores. No gráfico ao lado, por exemplo, para VE=5V e IB=20µA, I será 2,2 ma e β = 110. Prof. Sérgio Francisco Pichorim 2
O Transistor como have Eletrônica Na saturação (linha em vermelho) tem-se altos valores de I e baixos de VE, ou seja, baixas resistências (reta quase vertical). Aqui o transistor se comporta como uma chave ligada. No corte (linha em azul) tem-se baixos valores de I e altos de VE, ou seja, altas resistências (reta quase horizontal). Aqui o transistor se comporta como uma chave desligada. OTE Quando VBE << 0,7 V (IB=0) a chave está Desligada (transistor em orte). Assim, I = 0 e VE é máximo (=V). SATUAAO Quando VBE 0,7 V a chave está Ligada (transistor Saturado). Assim, I é máximo e VE 0. Para tal, IB I MÁXIMO / HFE Exemplo: Acionamento do LED Infra-Vermelho de um ontrole emoto. Saída dos Dados haveamento do LED Prof. Sérgio Francisco Pichorim 3
AMPLIFIADO GENÉIO FONTE s Ii Zo Io DE Vs Vi Zi Vo arga SINAL Entrada Avo. Vi Saída L AMPLIFIADO Parâmetros internos de um amplificador: Impedância de entrada (Zi), impedância de saída (Zo) e a amplificação ou ganho de tensão Avo (saída em aberto, open). Uma fonte de sinal na entrada (Vs e s) determina a tensão e a corrente na entrada (Vi e Ii). Uma carga na saída (L) determina a tensão e a corrente na saída (Vo e Io). Eis as equações: Ii = Vi / Zi Vi = Vs. Zi / (s+zi) Io = Vo / L Ganho de Tensão com arga Av = Vo / Vi ou Av = Avo. L / (Zo+L) Ganho de orrente com arga Ai = Io / Ii ou Ai = Av. Zi / L UM EXEMPLO DE AMPLIFIADO OM TANSISTO + Vcc Alimentação Entrada Vi B i E o Vo Saída Através dos resistores B e E tem-se a polarização adequada das junções -B e B-E. O resistor de coletor determina a tensão no coletor (ou VE). Os capacitores i e o permitem a entrada e saída do sinal alternado (Vi e Vo) no transistor. Entretanto eles bloqueiam a saída ou entrada da tensão contínua (). Análise de orrente ontínua. Para a corrente contínua os capacitores podem ser considerados como circuito em aberto. Assim, a corrente IB contínua passa por B: Vcc Vbe IB = lembrando que Vbe é 0,7 V para o transistor de silício. B + β. E A corrente I contínua passa por, como I = β. IB tem-se: VE + VE + V = Vcc VE = Vcc I. IE. E. onsiderando I IE VE = Vcc I.( + E). Prof. Sérgio Francisco Pichorim 4
Tendo sido determinados os valores de I, VE e IB contínuos pode-se consultar as Folhas de Dados Técnicos (Datasheet) do fabricante do transistor para conhecer seus parâmetros de sinais. Os dois parâmetros principais são o hfe e o hie, ganho de corrente e a impedância entre base-emissor, respectivamente. Estes parâmetros compõem o modelo Híbrido Simplificado do transistor na configuração E (Emissor-omum), conforme figura abaixo. ircuito Interno Equivalente do Transistor Exemplo de valores dos parâmetros de sinal (H) para um transistor comercial: Análise de orrente Alternada (Pequenos Sinais). Para sinais alternados os capacitores podem ser considerados aproximadamente como curto-circuito (suas reatâncias Xc devem se muito menores que as resistências do circuito). Assim, o sinal de entrada Vi chega à base do transistor e o sinal do coletor chega à saída Vo. Desta forma as impedâncias de entrada e saída e o ganho de tensão sem carga são: Zi B //[ hie + ( hfe. E )] = Zo = Avo E =. + ( hie / hfe) O ganho apresenta valor negativo, ou seja, quando o sinal Vi está no semi-ciclo positivo o sinal Vo está no negativo e vice-versa. Assim este amplificador é dito Inversor de Fase. O ganho negativo não significa perda ou atenuação. Isso ocorre apenas quando o ganho (em módulo) é menor que UM! Por exemplo, na figura a seguir tem-se um sinal de entrada Vi em um amplificador de 10 mv de pico e um sinal de saída de 70 mv de pico com uma inversão de fase. Ou seja, o ganho de tensão vale 7. Prof. Sérgio Francisco Pichorim 5
Tensão (mv) 80 70 60 Vo 50 40 30 20 10 Vi 0-10 0-20 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4-30 -40-50 -60-70 -80 Tempo (ms) A utilização do capacitor E Uma forma de aumentar o ganho do amplificador em análise é colocar um capacitor (E) em paralelo com o resistor de emissor E. Este capacitor não irá alterar em nada a Análise de orrente ontínua já apresentada, no entanto, irá curto-circuitar o resistor E na Análise de orrente Alternada. Assim, os novos valores de impedâncias e ganho ficam: Zi = B // hie Zo = Avo = ( hie / hfe) A dedução completa destas equações e o desenvolvimento das equações de outras configurações de amplificadores com transistor podem ser encontradas em detalhes em: apítulos 4, 7 e 8 de Dispositivos Eletrônicos, Boylestad & Nashelsky. apítulo 10 de Eletrônica, A. P. Malvino, volume 1. apítulo 4 de Microeletrônica, Sedra & Smith. A tabela seguinte apresenta um resumo com algumas configurações mais utilizadas. Os valores de re e β podem calculados por: β = hfe re = hie / hfe Prof. Sérgio Francisco Pichorim 6
ALGUMAS ONFIGUAÇÕES DE AMPLIFIADOES OM TANSISTO BIPOLA onfiguração Emissor omum com pol. divisor de tensão e com E Ganho de Tensão sem arga (Avo) Alto Impedância de Entrada (Zi) Impedância de Saída (Zo) re 1 // 2 // β. re O mesmo circuito anterior mas SEM o capacitor E Baixo ( + re) E Alta // 2 // β.( re + 1 E ) Base omum Alto Baixa re E // re oletor omum Baixo (<1) Alta Baixa 1 1 // 2 // β. x x = re + ( E // L ) L = carga do amplificador E y = y // + re β S // 1 // s = resistência da fonte de sinal na entrada. 2 Sergio Francisco Pichorim is_ii_soov sois Prof. Sérgio Francisco Pichorim 7