Baixe Eletronica 2 e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity! ELETRÔNICA 2 © SENAI - PR, 2001 CÓDIGO DE CATÁLOGO : 1101B Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI - PR , através do LABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional. Coordenação geral Marco Antonio Areias Secco Elaboração técnica SENAI CIC/CETSAM Equipe de editoração Coordenação Lucio Suckow Diagramação José Maria Gorosito Ilustração José Maria Gorosito Revisão técnica SENAI CIC/CETSAM Capa Ricardo Mueller de Oliveira Referência Bibliográfica. NIT - Núcleo de Informação Tecnológica SENAI - DET - DR/PR S474u SENAI - PR. DET ELETRÔNICA 2 Curitiba, 2001, 304 p CDU - 537 Direitos reservados ao SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Paraná Avenida Cândido de Abreu, 200 - Centro Cívico Telefone: (41) 350-7000 Telefax: (41) 350-7101 E-mail: senaidr@pr.senai.br CEP 80530-902 — Curitiba - PR ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 6 Nos anos seguintes, impulsionadas pelas indústrias de rádios e televisores, as válvulas sofreram um grande avanço. A produção aumentou explosivamente, havendo muito investimento em pesquisas. Com isso, surgiram o tetrodo (válvula com quatro elementos) e o pentodo (válvula com cinco elementos), melhorando o desempenho das mesmas. Dessas pesquisas, obtiveram-se também outros resultados importantes: projetos mais sofisticados, melhores técnicas de fabricação e miniaturização de dispositivos, aplicações em alta freqüência e alta potência, etc. Curiosidade Há alguns anos atrás, um avião soviético (da antiga URSS), caiu no Japão. Era um MIG-25, um dos mais sofisticados caças de combate da época. Houve toda uma movimentação política e diplomática entre o Japão, os EUA e a URSS. O que se diz, é que os EUA, com a ajuda do Japão, puderam investigar todos os elementos deste avião, inclusive sua eletrônica de bordo. Qual não foi a surpresa, quando descobriram que uma boa parte dos circuitos eram construídos com micro-válvulas. A revolução – 23 de Dezembro de 1947 Nos laboratórios de pesquisas da indústria Bell Telephones, nos EUA, Walter Brattain e John Bardeen mostraram ao mundo um novo conceito em eletrônica: o transistor bipolar (condução nos dois sentidos) ou transistor de junção. • Não precisava de filamento; • Mais resistentes; • Mais eficientes, pois dissipava menos potência; • Não necessitava de tempo de aquecimento; • Menores tensões de alimentação. Vantagens Evidentes ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 7 Com todas vantagens, os transistores revolucionaram a tecnologia eletrônica, permitindo que hoje, com toda a gama de tipos e tecnologias de fabricação, possamos ver as maravilhas que eles fazem. Um microprocessador (coração do computador) pode chegar a Ter um milhão ou mais de transistores em seus circuitos (todos montados numa única pastilha de silício de 25 mm²). Imagine um computador montado com válvulas! O Transistor Bipolar O princípio do transistor é também poder controlar a corrente. Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada uma dessas camadas recebe um nome em rela- ção à sua função na operação do transistor. As extremidades são chamadas de emissor e coletor, e a camada central é chamada de base. Os aspectos construtivos simplificados e os símbolos elétricos dos transistores são mostrados na figu- ra a seguir. Observa-se que existem duas possibilidades de implementação. Aspectos Construtivos e Símbolos dos Transistores O transistor da figura (a) é chamado de transistor NPN e o da figura (b) de transistor PNP. O transistor é hermeticamente fechado em um encapsulamento plástico ou metálico. Na tabela abaixo, tem- se alguns exemplos de transistores e o código padronizado para os encapsulamentos. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 8 Aspecto Físico dos Transistores Pela figura abaixo, percebe-se que o emissor é forte- mente dopado, e tem como emitir portadores de carga para a base (elétrons no transistor NPN e lacunas no PNP). Portadores nos Transistores A base tem uma dopagem média e é muito fina. As- sim, a maioria dos portadores lançados do emissor para a base, conseguem atravessá-la, dirigindo-se ao coletor. O coletor é levemente dopado e, como seu nome diz, coleta (recolhe) os portadores que vêm da base. Ele é muito maior que as outras camadas, pois é nele que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitos transistores. Relembrando que os portadores majoritários do materi- al tipo N são os elétrons livres e do material tipo P são as lacunas, pode-se observar o seguinte: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 1 agora, devido à atração maior exercida pelo coletor, dirige-se quase que totalmente para ele, atravessando a outra junção base- coletor sem encontrar dificuldades. Para explicar por que a corrente se dirige menos à base e mais para o coletor, basta lembrar que a base é mais estrei- ta que o emissor e o coletor a menos dopada que o emissor. Assim, os portadores que vêm do emissor saturam a base rapidamente através das recomendações, fazendo com que eles se dividam da seguinte maneira: uma pequena parte sa- indo pelo terminal de base e a maior parte saindo pelo terminal de coletor, atraídos por sua tensão. Tensões e correntes nos transistores NPN e PNP Pelo que foi exposto até aqui, pode-se montar um es- quema geral de tensões e correntes de portadores majoritári- os para transistores NPN e PNP (considerando o sentido con- vencional de corrente). Tensões e correntes nos transistores Aplicando-se a Primeira Lei de Kirchhoff para as corren- tes e a Segunda Lei de Kirchhoff para tensões em ambos os transistores, obtém-se as seguintes equações: NPN ou PNP: iE = iC + iB NPN: VCE = VBE + VCB PNP: VBC = VEB + VBC ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 2 Observação As correntes de portadores minoritários, por serem mui- to menores que as de portadores majoritários, serão sempre desprezadas, salvo observações em contrário. Efeito amplificação Analisando o fenômeno que ocorre com a polarização completa do transistor NPN sob o aspecto da variação das correntes, tem-se o seguinte: • Um aumento na corrente de base iB provoca um nú- mero maior de recombinações, aumentando a corren- te de coletor iC. Da mesma forma, a diminuição da cor- rente de base provoca a diminuição na corrente entre emissor e coletor; • A corrente de base, sendo bem menor que a corrente de coletor, faz com que uma pequena variação DiB pro- voque uma grande variação DiC. Isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplifica- do da variação da corrente ocorrida na base; • O fato do transistor possibilitar a ampliação de um si- nal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo; Efeito amplificação no transistor NPN Este efeito amplificador, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a va- riação da corrente de coletor DiC c e a variação de corrente de base DiB, isto é: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 3 Ganho de corrente: DiC /DiB Este efeito amplificador ocorre também no transistor PNP, só que as correntes fluem no sentido contrário. Configurações básicas Os transistores podem ser utilizados em três configura- ções básicas Base Comum (BC), Emissor Comum (EC) e Coletor Comum (CC), onde o termo “comum” significa que o terminal é comum à entrada e à saída do circuito, como mos- tra esquematicamente a figura abaixo. Configurações básicas dos transistores Cada uma destas configurações tem características especificas e, portanto, aplicações diferentes. Principais características das configurações Para facilitar o cálculo da polarização dos transistores, os fabricantes podem fornecer duas funções na forma gráfi- ca. Uma relacionada com a característica de entrada e outra com a característica de saída de cada configuração. Em ge- ral, os fabricantes fornecem as curvas características de cada configuração. Em geral, os fabricantes fornecem as curvas características da configuração EC, sendo que a partir desta, é possível obter os parâmetros para as outras configurações. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 6 potencial (Vg = 0,7V para o silício e Vg = 0,3V para o germânio), a corrente através da junção dispara. Assim, nesta região da curva, pequenas variações de VBE causam grandes variações de iE. Curva característica de saída BC Para cada valor constante de corrente de entrada I E1, variando-se a tensão de saída V CB, obtém-se uma corrente saída i C cujo gráfico tem o seguinte aspecto: Curva característica de saída BC A característica de saída, ou de coletor, pode ser dividida em três regiões distintas, pois em cada uma delas o transistor tem um comportamento específico. As três regiões de trabalho de um transistor NPN ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 7 Na região de corte, as duas funções estão polarizadas reversamente, fazendo com que a corrente de coletor (saída) seja praticamente nula (I C =0)stivesse desconectado do circuito. Na região da saturação, as duas junções estão polariza- das diretamente, fazendo com que uma pequena variação de tensão V CB (saída) resulte numa enorme variação da corrente de coletor (saída). Neste caso, o transistor está saturado. É como seus terminais estivessem em curto-circuito (V CB = 0). Na região ativa, a junção emissor-base está polarizada direta- mente e a junção base - coletor reversamente. Esta é a região cen- tral do gráfico d saída, onde as curvas são lineares. Portanto é esta região utilizada na maioria das aplicações, principalmente na ampli- ficação de sinais, para que a distorção seja mínima. Por outro lado, trabalhando nas regiões de corte e satu- ração, o transistor comporta-se como uma chave eletrônica, isto é, chave aberta quando ele está cortado e chave fechada quando ele está saturado. Analogia de um transistor com uma chave Este comportamento do transistor como uma chave tem diversas aplicações práticas, e será explorado mais adiante. Ganho de corrente na configuração base comum O ganho de corrente de um circuito qualquer é a relação entre a variação da corrente de saída e a variação da corrente de entrada, para tensão de saída constante. Na configuração BC, o ganho de corrente é chamado de a (alfa), sendo definido matematicamente por: α = ∆iC ∆iE VCB = cte ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 1 8 Porém, como se pôde observar na figura da página 17, na região ativa, as curvas de iE são praticamente paralelas ao eixo VCB. Assim, pode-se reescrever a relação acima da se- guinte forma: α = iC iE Lembrando que iE = iC + iB, concluí-se que o ganho de corrente a é sempre menor que 1. Na maioria dos transisto- res, este valor está entre 0,90 a 0,98, ou seja, é próximo de 1. Fisicamente, isto se explica pelo fato de a corrente de base, formada a partir da corrente de emissor, ser muito pequena, como havia sido mostrado na figura da página 17 (polarização completa do transistor) e, graficamente, isto pode ser visualizado pela pouca inclinação das curvas de iE na caracte- rística de saída. Exemplo Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN, determinar: a) A tensão de entrada aproximada, a partir da qual a corrente de entrada começa a fluir de forma intensa; b) De qual material semi - condutor é feito esse transistor; c) A corrente de entrada, quando a tensão de entrada vale 1V; d) A corrente de saída, nas condições do item c; e) A corrente na base, nas condições do item d; f) O ganho de corrente, nas condições do item d. Curvas características do transistor ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 2 1 A curva característica de entrada, ou características de base, é semelhante à da configuração BC, pois tem-se tam- bém a junção polarizada diretamente. Observa-se , portanto, que é possível controlar a corren- te de base variando-se a tensão entre base e emissor. Curva característica de saída EC Para cada valor constante de corrente de entrada iB, va- riando-se a tensão de saída VCE, obtém-se uma corrente de saída iC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto: Curva característica de saída EC A característica de saída, ou de coletor, é também muito parecida com a de configuração BC. Mas observa-se que a inclinação das curvas de iB constante, na região ativa, é muito maior. Nesta curva, distinguem-se também as três regiões de trabalho do transistor: • Corte - IC ≅ 0 • Saturação - VCE ≅ 0 • Ativa - região entre o corte e a saturação (IB é linear) Ganho de corrente na configuração emissor comum Para esta configuração, a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada, ou seja, a relação de iC e iB, determina o ganho de corrente denominado de β (beta) ou hFE (forward current transfer ratio), como segue: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 2 2 HFE = β = iC iB Sendo iC muito maior que iB, o ganho de corrente β é sempre muito maior que 1, ou seja, na configuração emissor comum, o transistor funciona como um amplificador de cor- rente. Por outro lado, como a inclinação das curvas varia para cada valor de iB, o ganho corrente β não é constante. Valores típicos de β são de 50 a 900. Ganho de corrente EC x ganho de corrente BC A partir do ganho de corrente β, da configuração EC, pode-se obter o ganho de corrente α, de configuração base- comum, e vice-versa, como será demonstrado a seguir: Num transistor, as correntes se relacionam da seguinte forma: iE = iB + iC (I) Pelas equações dos ganhos de corrente, tem-se: i B = iC e iE = iC β α Substituindo-se iB e iE na equação (I): Exemplos Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN, determinar: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 2 3 a) A corrente na base para VBE = 0,8V; b) O ganho de corrente nas condições do item a; c) O ganho de corrente na configuração BC; d) O novo ganho de corrente, caso iB dobre de valor, mantida a tensão VCE; e) O novo ganho de corrente na configuração BC Entrada Saída Curvas características do transistor a) Para VBE = 0,8V, tem-se que iB = 300mA b) A curva característica de entrada foi obtida para VCE = 5V. entrando com esse valor na curva característica de saí- da, juntamente com a corrente de entrada iB obtida no item “a”, tem-se que a corrente de saída iC = 110mA. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 2 6 Limitações do transistor Exemplos: Parâmetros de alguns transistores: 1) Quais as vantagens dos transistores em relação às válvulas? .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 2) Quais são as relações entre as dopagens e as dimensões no emissor, base e coletor de um transistor bipolar? .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 3) Para o funcionamento de um transistor, como devem estar polarizadas suas junções? .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 4) Relacione todos os fluxos de cargas (portadores majoritários e minoritários) existentes nos transistores NPN e PNP, quando estão polarizados. .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 5) Quais as relações entre as correntes e as tensões num transistor NPN e PNP? .................................................................................................................................... 6) De que forma a corrente de base controla a corrente entre emissor e coletor? .................................................................................................................................... 7) Explique o efeito amplificação. .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 8) Faça um esboço das curvas características de saída para os transistores NPN e PNP na configuração BC. 9) Faça um esboço das curvas características de entrada para os transistores de NPN e PNP na configuração BC. 10) Por que o ganho de corrente na configuração BC é um pouco menor que 1? .................................................................................................................................... 11) Faça um esboço das curvas características de saída para os transistores NPN e PNP na configuração EC. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 1 Ponto quiescente Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro das suas curvas características. Isto é, escolher valores de correntes e tensões adequados para o circuito do qual o transistor faz parte. Por isso, a polarização é também chamada de polariza- ção DC, pois fixa, através de resistores externos, valores de correntes e tensões continuas no transistor. Este ponto de tra- balho do transistor , determinado pela polarização, é chama- do de ponto de operação estática ou ponto quiescente (Q), cujo conceito já foi visto no estudo da polarização dos diodos. A escolha do ponto quiescente é feita em função da apli- cação que se deseja para o transistor, ou seja, ele pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. Na figura seguinte, tem-se um exemplo de curva carac- terística de saída de um transistor na configuração EC, na qual estão marcadas as diversas regiões do transistor. Nesta figu- ra, tem-se também três pontos quiescentes, QA , QB e QC. Pontos quiescentes de um transistor O ponto QA encontra-se no centro da região ativa, per- mitindo grandes variações na corrente de entrada (iB), na cor- rente de saída (iC) e na tensão de saída (VCE). O ponto QB encontra-se na região de saturação, per- mitindo apenas variações negativas de iB e iC e variações posi- tivas de VCE. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 2 O ponto QC encontra-se na região de corte, permitin- do apenas variações positivas de iB e iC e variações negativas de VCE. Portanto, se numa determinada aplicação deseja-se que o sinal do circuito varie tanto positiva como negativamente em relação ao ponto de operação, o ponto QA é o mais indicado. Reta de carga A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pon- tos quiescentes possíveis para uma determinada polarização, como mostra a figura a seguir. Reta de carga de um transistor Por ser uma reta, ela necessita de apenas dois pontos de operação conhecidos para sua determinação. Além disso, a reta de carga depende da configuração adotada para o transistor, como será visto a seguir. Circuito de polarização em emissor comum Nesta configuração, a junção base - emissor é polariza- da diretamente e a junção base coletor reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e dois resistores para limitar as correntes e fixar o ponto quiescente do circuito. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 3 Circuito de polarização em emissor comum Considerando apenas o transistor NPN, pode-se fazer a análise das malhas de entrada e saída. Malha de entrada: RB . iG + VBE = VBB Portanto, a equação de RB é: Malha de saída: RC. IC + VCE = VCC Portanto a equação de RC é: Existem várias formas de simplificar esse circuito, elimi- nando-se uma das formas de alimentação, como serão vis- tas a seguir. Circuito de polarização EC com corrente de base constante Para eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode- se fazer um divisor de tensão entre o resistor de base RB e a junção base - emissor, utilizando apenas a fonte VCC, como mostra a figura a seguir. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 6 agora na figura abaixo, o ponto quiescente deve fixar os valo- res de ICQ e VCEQ. Variação do ponto Q por influência da temperatura Analisando a malha de saída, formado por VCC, RC e VCE, observa-se que o aumento de temperatura faz com que a cor- rente de coletor ICQ aumente (aumento da corrente quiescente), aumentando a tensão VRC. Sendo VCC constante, esse aumen- to de VRC tem que ser compensado pela diminuição de VCEQ (diminuição da tensão quiescente). A diminuição de VCEQ pro- voca novo aumento de ICQ, resultando numa realimentação po- sitiva, ou seja, numa instabilidade do circuito. Portanto, uma forma de contornar esse problema, é for- çar uma realimentação negativa, sempre que houver a ten- dência de instabilidade no circuito. A solução para isto é colocar em série com o emissor um resistor RE. Circuito de polarização EC com corrente de emissor constante Neste circuito de polarização, é inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte de alimentação, como mostra figura a seguir, para resistores NPN e PNP. Polarização EC com corrente de emissor constante ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 7 Analisando o circuito de polarização do transistor NPN, percebe-se que, se ocorrer um aumento na corrente de coletor devido ao aumento da temperatura, a corrente de emissor tam- bém aumenta. Conseqüentemente aumentariam VRC e VRE. Isto provocaria uma diminuição de VCEQ, dando início a reali- mentação positiva (instabilidade). Porém o aumento de VRE causa uma diminuição de VRB na malha de entrada, já que VBEQ se mantém praticamente constante. A diminuição de VRB, por sua vez, provoca a diminuição de IBQ e, conseqüentemente, de ICQ, compensando seu aumen- to inicial. A resposta dada por RE para o aumento de ICQ, chama- se realimentação negativa, e garante a estabilidade do cir- cuito e do ponto quiescente. Como a realimentação negativa faz ICQ voltar ao seu va- lor original, o mesmo acontece com IEQ, que mantém-se, por- tanto, constante. Por isso, esse circuito de polarização é co- nhecido por polarização EC com corrente de emissor cons- tante. Equacionando o circuito de polarização NPN, tem-se: Malha de entrada: RB . iB + VBE + RE . iE = VCC Portanto a equação de RB é: Malha de saída: RC . iC + VCE + RE . iE = VCC Portanto, a equação de RC é: Neste caso, tem-se duas equações para três incógni- tas: RB, RC e RCE. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 3 8 Na prática, esse problema é resolvido, adotando-se um dos seguintes critérios: 1°) Adota-se um valor par RE compatível com as ten- sões e correntes do circuito, ou: 2°) Adota-se uma tensão para VRE de valor pequeno em relação à VCC, para que o resto da tensão possa ser utilizada para determinar a tensão e a corrente de saída quiescentes, respectivamente, VCEQ e ICQ (esta última, através de VRC). Nor- malmente, utiliza-se VRE = VCC/10. Circuito de polarização EC com divisor de tensão na base Uma outra forma de solucionar o problema de instabili- dade com a temperatura é o circuito de polarização mostrada na figura abaixo, conhecido como polarização por divisor de tensão na base. Polarização EC com divisor de tensão na base A análise feita a seguir, refere-se ao transistor NPN. O circuito de polarização por divisor de tensão na base é projetado de forma a fixar o valor VVB2. Da malha de entrada tem-se: VRB2 = VBE + VRE Fixado o valor de VRB2 como VBE é praticamente cons- tante com a temperatura, VRE também permanece constante. Isto garante a estabilização de IEQ e ICQ, independente da vari- ação de β. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 1 Cálculo de RC: Adotando-se VRE = VCC /10 = 0,9V: Valor comercial adotado: RC = 180Ω Potência de RC: PRC = RC . I²CQ = 180x(20x10 - 3)² = 72mW (1 /8W) Cálculo de RB1 e RB2: Da malha inferior de entrada, tem-se: Valor comercial adotado: RB2 = 2K2Ω Potência de RB2: PRB2 = RB2 . I²B2 = 2,2x10 3 x (800x10- 6)² = 1,41mW (1 /8W) Da malha formada por Vcc, RB1, VBE e VRE, tem-se: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 2 Valor comercial adotado: RB1 = 8K2Ω Potência de RB1: PRB1 = RB1 . I²B1 = 8,2x10 3 x (880x10- 6)² = 6,35mW (1 /8W) Cálculo de RE: Valor comercial adotado: RE = 47Ω Potência de RE: PRE = RE . I²EQ = 47x(20,08x10 - 3)² = 19mW (1 /8W) Determinação da reta de carga: Para ICcorte = 0 ICEcorte = VCC = 9V Portanto, a reta de carga com o respectivo ponto quiescente fica como mostrada a seguir: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 3 Uma outra forma de analisar o circuito de polarização EC com divisor de tensão na base, é substituindo-se o divisor de tensão por seu circuito equivalente Thévenin, visto da base do transistor. A resistência equivalente de Thévenin (RTh) é obtida cur- to circuitando-se a fonte VCC. Observando a figura da caracte- rística de saida do transistor da pagina 40, VCC em curto colo- ca os resistores RB1 e RB2 em paralelo, sendo RTh, determina- da por : A tensão equivalente de Thévenin (VTh) é a tensão apli- cada pelo divisor de tensão à base do transistor, isto é: Portanto, o circuito de polarização equivalente fica como mostra a figura abaixo. Circuito de polarização equivalente Este circuito, com exceção de RE, é análogo ao primeiro circuito de polarização EC analisado, com duas fontes de ali- mentação. A diferença é que neste, a Segunda fonte VTh é apenas um artificio usado para o equacionamento de circuito. Equacionando-se este circuito tem-se: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 6 Para dimensionar RC e RB, utiliza-se a análise das ma- lhas de entrada e de saída. Malha de entrada: VRB = VE - VBE Malha de saída: VRC = VCC - VCE Assim tem-se : Como o corte do transistor depende apenas da tensão de entrada VE, o cálculo dos resistores de polarização é feito baseando-se apenas nos parâmetros de saturação. Um transistor comum, quando saturado, apresenta um VCEsat de aproximadamente 0,3V e um determinado valor míni- mo de β (entre 10 e 50) para garantir a saturação. A corrente de coletor de saturação ICsat depende da resistência acoplada ao coletor ou da corrente imposta pelo projeto. Assim, as equa- ções ficam: Malha de entrada: VRB = VE - VBEsat Calculando RB: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 7 RB = 6640Ω Valor comercial adotado: RB = 6K8Ω Potência de RB: PRB = RB . I²Bsat = 6,8x10³x(1,25x10 - 3)² = 10,625mW (1 /8W) Quando a chave passa para a posição OFF, a entrada é aterrada (VE < VBE), causando o corte de transistor e, conse- qüentemente, apagando o LED. Um circuito digital (TTL) foi projetado para acionar um motor de 110V/60Hz sob determinadas condições. Para tan- to, é necessário que um transistor como chave atue sobre um relé, já que nem o circuito digital, nem um transistor podem acionar este motor. O circuito utilizado para este fim está mos- trado a seguir: Neste circuito, em série com RC coloca-se a bobina do relé. Esta bobina, normalmente, apresenta uma resistência DC da ordem de algumas dezenas de Ohm. Por ser tão baixa, o resitor RC tem a função de limitar a corrente no transistor, para não danificá-lo. O diodo em paralelo com a bobina serve para evitar que o transistor se danifique devido à corrente reversa gerada por ela no chaveamento do relé. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 4 8 Fonte de tensão estabilizada Uma outra aplicação para os transistores é na constru- ção de fontes de tensão estabilizadas. Uma fonte de tensão estabilizada ideal é aquela que mantém a tensão de saída cons- tante, independentemente da corrente solicitada pela carga. Na prática, isto só acontece dentro de uma faixa de valores de correntes de saída. A figura a seguir mostra dois circuitos estabilizadores de tensão, sendo o circuito (a) usado para tensões de saída posi- tiva (com transistor NPN) e o circuito (b) usado para as ten- sões de saída negativa (como transistor PNP). Circuito estabilizadores de tensão O circuito utilizado para implementar esta fonte é basea- do na configuração base comum. A tensão de entrada VE pode ser constante (desejando estabilizá-la num valor menor) ou vir de um circuito retificador com filtro, cuja saída apresenta ondulação (ripple). O diodo zener garante a estabilidade e o transistor per- mite ampliar a faixa de valores de correntes de saída, sem sobrecarregar o diodo zener. RS é um resistor limitador de corrente para o diodo zener. Como os dois circuitos são similares, a análise a seguir terá como referência o circuito estabilizador de tensão positi- va, considerando que o mesmo está alimentando uma carga ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 5 1 A corrente máxima de saída ISM (carga muito baixa) é limitada pela corrente máxima de coletor do transistor (ICmax) que por sua vez, depende da potência máxima que o transis- tor pode dissipar (PCmax). Considerando IS ≅ IC, tem-se: As equações anteriores, referentes às limitações do cir- cuito e dos dispositivos, devem ser utilizadas conforme as especificações do projeto e em função dos dispositivos dispo- níveis ou escolhidos. 1) Utilizando um transistor BD137, calcule seus resistores de polarização para que ele comande o acionamento de um motor DC de 3V/750mW, a partir de um circuito digital TTL. Parâmetros do BD137: VBEsat = 0,7V VCEsat = 0,3V βsat = 40 ICmax = 1,5A VCEmax = 60V 2) Deseja-se construir um eliminador de bateria de 7,5 V, a partir de um circuito retifica- dor que fornece em sua saída 20V ± 20%. Este circuito será utilizado para alimentar cargas de no mínimo 20Ω. Tem-se disponível um transistor BD237 e um diodo zener BZW03-C8V2. Determine um valor de RS que satisfaça essas condições e verifique se o diodo zener e o transistor são adequados para este fim. Parâmetros do BD237: VBE = 0,7V VCEmax = 80V ICmax = 2A Parâmetros do BZW03-C8V2: VZ = 8,2V PZM = 6W 3) Desenhe o circuito de uma fonte de tensão estabilizada com saída simétrica, a partir de um retificador de onda completa em ponte. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 5 3 Introdução A utilização do transistor como elemento regulador na construção de fontes de alimentação estabilizadas levou a pes- quisa de circuitos destinados a melhoria da qualidade dessas fontes. Um dos circuitos a transistor que possibilitou a melhoria de qualidade das fontes de alimentação foi o comparador. Este fascículo tratará do circuito comparador a transis- tor, sua constituição e princípio de funcionamento, visando prepará-lo para compreender o funcionamento das fontes re- guladas com comparador. Transistor como comparador Os comparadores são circuitos eletrônicos que recebem uma amostra de sinal, comparam esta amostra com um valor de referência e produzem, na sua saída, um sinal proporcional à diferença entre amostras e referência. Os circuitos comparadores são muito utilizados em fon- tes de alimentação. O circuito comparador Um circuito comparador pode ser constituído por um transistor ligado na configuração emissor comum, conforme mostra a figura. O TRANSISTOR COMO COMPARADOR ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 5 6 Se a tensão do ponto onde é feita a tomada de amostra sofre um pequeno aumento, tem-se: A pequena elevação na tensão amostrada provoca uma redução muito maior na saída do circuito. A redução na tensão de saída é proporcional ao aumen- to ocorrido na amostra. Se a tensão no ponto onde é feita a tomada de sinal sofre uma pequena redução, tem-se: Uma pequena redução na tensão amostrada provoca uma elevação muito maior na saída do circuito: ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 5 7 Conclui-se que o circuito comparador, além de detectar variações no sinal amostrado, fornece na saída uma versão “amplificada” proporcional a esta variação. Comparador de atuação INVERSA ou DIRETA O circuito comparador atua como “amplificador” de ten- são contínua, fornecendo na saída uma versão ampliada das mudanças ocorridas no sinal amostrado. Os comparadores podem ser classificados como sen- do de atuação direta ou inversa, dependendo de forma como o sinal de saída se comporta em relação ao sinal amostrado. Comparador de atuação inversa Um circuito comparador pode ser classificado como de “atuação inversa” quando o sinal de saída varia de forma oposta ao sinal amostrado. Os circuitos comparadores compostos por apenas um transistor são sempre de atuação inversa. Tem-se, por exemplo, o circuito comparador utilizado para demonstrar o princípio de funcionamento. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 5 8 Comparador de atuação direta O comparator de atuação direta fornece na saída um sinal que varia de forma proporcional e no mesmo sentido que a variação no sinal amostrado. Os comparadores de atuação direta são constituídos, normalmente, por circuitos mais completos. Um dos circuitos comparadores mais simples é mostrado na figura abaixo. Este comparador de atuação direta é composto por duas partes: • Um comparador de atuação inversa; • Um estágio com finalidade de inverter as variações do comparador, entregando na saída um sinal de mes- ma fase de entrada. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 6 1 Digrama de blocos A figura a seguir representa o diagrama em bloco com- pleto de uma fonte regulada com comparador. Os três primeiros blocos representam a transformação de tensão alternada da rede em tensão contínua filtrada. A conversão de nível é feita para que se obtenha o valor de tensão alternada necessário na retificação, a partir das ten- sões padronizadas das redes elétricas (110V, 220V ou 380V). A retificação consiste na transformação da tensão alter- nada em contínua pulsante, através dos diodos, ligados de for- ma a fornecer meia-onda ou onda completa. A filtragem tem por objetivo aproximar a forma de tensão de saída de retificação de uma tensão contínua pura. Os blocos restantes, que constituem o circuito regula- dor de tensão propriamente dito, são discutidos a seguir, to- mando como base a figura seguinte. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 6 2 O bloco denominado “referência” representa o compo- nente ou circuito que tem por finalidade fornecer a tensão de referência necessária para o funcionamento do comparador. A amostragem tem por finalidade fornecer uma parcela da tensão de saída necessária para o funcionamento do comparador. O bloco denominado “comparação” representa o circui- to que recebe as tensões de amostra e referência, comparan- do-os e apresentando na saída uma tensão proporcional a di- ferença entre as duas entradas. O circuito comparador, em geral, atua também como amplificador da diferença entre amos- tra e referência. ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... ............................................... SENAI-PR 6 3 O bloco denominado “controle” representa o transistor regulador, que recebe na base a tensão de saída da fonte. A compreensão da finalidade de cada um dos blocos, bem como a identificação de cada um dos seus componentes é muito importante, na medida em que facilita a manutenção e reparo da fonte regulada. Circuito de fonte regulada As figuras seguintes apresentam o diagrama de blocos e o circuito real completo de uma fonte regulada com comparador, com os diversos blocos identificados. Amostragem Em um circuito de fonte de alimentação o “sinal” de saí- da é a tensão CC fornecida.