Apostila de Eletronica Anologica

5/21/2018 Apostila de Eletronica Anologica

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Eletrnica

Analgica

CENTRO DE FORMAO PROFISSIONALJOSE IGNACIO PEIXOTO


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Presidente da FIEMG

Robson Braga de Andrade

Gestor do SENAI

Petrnio Machado Zica

Diretor Regional do SENAI e

Superintendente de Conhecimento e Tecnologia

Alexandre Magno Leo dos Santos

Gerente de Educao e TecnologiaEdmar Fernando de Alcntara

Elaborao

Givanil Costa de Farias

Unidade Operacional

CENTRO DE FORMAO PROFISSIONAL JOSE IGNACIO PEIXOTO


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Sumrio

PRESIDENTE DA FIEMG....................................................................................................................2

APRESENTAO ............................................. .................................................. ...............................6

INTRODUO....................................................................................................................................7

FSICA DOS SEMICONDUTORES ............................................. .................................................. .....8

ESTRUTURA ATMICA........................................................................................................................8

CRISTAIS ..........................................................................................................................................9

DOPAGEM.......................................................................................................................................10

DIODOS ............................................. .................................................. .............................................13

POLARIZAES DO DIODO................................................................................................................13COMPONENTES LINEARES................................................................................................................14

CARACTERSTICAS DOS DIODOS .......................................................................................................14

LINHAS DE CARGA ...........................................................................................................................16

APROXIMAES DO DIODO...............................................................................................................16

TESTE ESTTICO DO DIODO..............................................................................................................17

CIRCUITOS COM DIODOS..............................................................................................................18

LIMITADOR......................................................................................................................................18

ASSOCIAO DE IIMITADORES..........................................................................................................19

GRAMPEADOR DE CC......................................................................................................................19

DETETOR DE PICO A PICO ................................................................................................................19

OUTROS TIPOS DE DIODOS..........................................................................................................20

DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) ........................................... ................................................ .............20

INDICADOR DE SETE SEGMENTOS .....................................................................................................21

FOTODIODO ....................................................................................................................................21

OPTOACOPLADOR COM FOTODIODO .................................................................................................22

DIODO SCHOTTKY ...........................................................................................................................22

VARACTOR .....................................................................................................................................23DIODOS DE CORRENTE CONSTANTE..................................................................................................24

DIODOS DE RECUPERAO EM DEGRAU............................................................................................25

DIODOS DE RETAGUARDA................................................................................................................25

DIODO TNEL..................................................................................................................................26

VARISTORES...................................................................................................................................26

LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTOR (RESISTOR DEPENDENTE DE LUZ)..............................................27

TERMISTORES.................................................................................................................................28


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CIRCUITOS RETIFICADORES........................................................................................................29

RETIFICADOR DE MEIA ONDA (RMO) ........................................... .................................................. ...29

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA(CONVENCIONAL ROC).....................................................31

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE(RCOP) ......................................... .............................33

FILTROS EM FONTES DE ALIMENTAO .............................................................................................33

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO .........................................................................................34

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO A CAPACITOR............................................................35

RETIFICADOR EM PONTE COM FILTRO A CAPACITOR...........................................................................35

O DIODO ZENER .............................................. .................................................. .............................37

REGULAO DE TENSO..................................................................................................................38

O REGULADOR ZENER .....................................................................................................................39

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNO (TBJ).................................................................................42

ESTRUTURA FSICA..........................................................................................................................42

SMBOLOS DOS TRANSISTORES NPN E PNP ....................................... .............................................46

CONEXES DO TRANSISTOR BIPOLAR ...............................................................................................47

CARACTERSTICAS ELTRICAS DO TRANSISTOR.................................................................................50

ESPECIFICAES DE UM TBJ...........................................................................................................52

O MODO DE OPERAO COMO CHAVE...............................................................................................53

RETA DE CARGA CC PARA CIRCUITOS TRANSISTORIZADOS ................................................................54

OUTROS TRANSISTORES ESPECIAIS..................................................................................................59

POLARIZAO DO TRANSISTOR BIPOLAR ...........................................................................................61

REGULADORES DE TENSO ........................................... ................................................ .............71

REGULADOR SHUNT OU PARALELO ...................................................................................................71

REGULADOR SRIE..........................................................................................................................71

REGULADOR COM REALIMENTAO DA TENSO ................................................................................72

LIMITAO DE CORRENTE ................................................................................................................73

REGULAO DE TENSO..................................................................................................................74

REGULADORES MONOLTICOS ..........................................................................................................75

AMPLIFICADORES DE POTNCIA EM UDIO.............................................................................78

CLASSE A.......................................................................................................................................78

CLASSE B.......................................................................................................................................85AMPLIFICADOR PUSH PUII ......................................... .................................................. .....................86

AMPLIFICADOR PUSH PULL CLASSE B POLARIZADO OU CLASSE AB.....................................................87

DISSIPADORES DE CALOR ................................................................................................................90

TRANSISTOR DE JUNO POR EFEITO DE CAMPO (JFET OU FET) ......................................91

COMPARAO ENTRE FET E TRANSISTOR BIPOLAR...........................................................................91

TIPOS DE FET ......................................... .................................................. .....................................91


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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNO (JFET) ................................................ .....................91

APLICAES DO JFET COMO CHAVE................................................................................................96

FET DE XIDO METLICO (OU DE PORTA ISOLADA) - MOSFET DEFINIES TEIS .............................98

IGBT (!NSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR).............................................................................105

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................... .................................................. .109


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Eletrnica analgica____________________________________________________________

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Curso Tcnico 6/6

Apresentao

Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade doconhecimento.

Peter Drucker

O ingresso na sociedade da informao exige mudanas profundas em todos osperfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produo,coleta, disseminao e uso da informao.

O SENAI, maior rede privada de educao profissional do pas,sabe disso , e

,consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a gide do conceitoda competncia: formar o profissional com responsabilidade no processoprodutivo, com iniciativa na resoluo de problemas, com conhecimentostcnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo econscincia da necessidade de educao continuada.

Vivemos numa sociedade da informao. O conhecimento , na sua reatecnolgica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualizao sefaz necessria. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliogrfico, da sua infovia,da conexo de suas escolas rede mundial de informaes internet- toimportante quanto zelar pela produo de material didtico.

Isto porque, nos embates dirios,instrutores e alunos , nas diversas oficinas elaboratrios do SENAI, fazem com que as informaes, contidas nos materiaisdidticos, tomem sentido e se concretizem em mltiplos conhecimentos.

O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didticos, aguar a suacuriosidade, responder s suas demandas de informaes e construir links entreos diversos conhecimentos, to importantes para sua formao continuada !

Gerncia de Educao e Tecnologia


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Introduo

Este estudo tem como objetivo diferenciar alguns dos mais variadostipos de componentes eletrnicos, concebidos a partir de semicondutores,apontando caractersticas fsicas e construtivas dos mesmos. Analisaremos

tambm o funcionamento eletroeletrnico destes, a fim de que possamosentender com mais clareza e objetividade o funcionamento de diversos circuitosque empregam tais componentes.


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Fsica dos semicondutores

Estrutura atmica

Sob o ponto de vista da fsica, sabemos que os corpos, constitudos de

diversos tipos de matria, podem ser divididos em partes menores. A menorporo da matria a molcula, que, por sua vez, pode ser dividida em partesainda menores, denominados tomos. A estrutura atmica de diversos tipos demateriais pode ser estudada detalhadamente pela qumica, no constituindo,entretanto, papel relevante em nosso estudo. Contudo, de fundamentalimportncia entendermos a estrutura do tomo, que mostrada abaixo pelomodelo planificado de Bohr. Nela, podemos perceber claramente que o tomo formado por um ncleo, contendo prtons com carga positiva e nutrons comcarga nula, e, girando em rbitas elpticas em torno desse ncleo, os eltrons comcarga negativa. (Fig. 1.1)

Nveis de energia

Cada camada ou rbita pode ser representada, em um grfico, comosendo nveis de energia, onde os eltrons distam do ncleo raios proporcionais

fora de interao mtua entre eles e o ncleo. A figura 1.2 ilustra o que foidescrito.

Bandas de energiaAs bandas de energia so rbitas controladas por cargas de tomos

adjacentes. A banda de energia mais externa do tomo denominada banda devalncia, local onde ocorrem as reaes qumicas. Os tomos que tm quatro(04) eltrons na ltima camada (de valncia) so denominados semicondutores.Podemos citar como exemplos os tomos de silcio e germnio, que tm nmeroatmico igual a 14 e 32, respectivamente.


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Cristais

Os cristais so combinaes de tomos iguais, por exemplo de silcio,unidos atravs de ligaes covalentes, conforme a figura 1.4.

LacunaDenomina-se lacuna o buraco que fica quando um eltron de valncia

levado, por meio de uma energia externa, a um nvel mais alto. Considerandoeste fato, podemos afirmar que a lacuna age como uma carga positiva, poissignifica ausncia de eltron.

Conduo em cristais

Em uma rede cristalina, temperatura zero absoluto (-2730C), no h

fluxo de corrente eltrica, pois os eltrons esto fortemente presos s ligaescovalentes. A figura 1.5 ilustra o que foi descrito.

Acima do zero absoluto, a rede cristalina recebe energia trmica,ocorrendo quebras de ligaes covalentes. Eltrons da banda de valncia passampara a banda de conduo, gerando pares eltrons - lacunas. Com o aumento datemperatura tem-se mais eltrons na banda de conduo. (Fig. 1 .6)

O silcio no isolante nem condutor; , portanto, um semicondutor.


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Silcio x GermnioNa temperatura ambiente, o silcio praticamente no tem eltrons livres,

comparado com o germnio. Esta a principal razo para que o silcio tenhamaior aplicao na fabricao de dispositivos eletrnicos.

Corrente de lacunas

Um semicondutor oferece dois trajetos para a corrente: um, atravs dabanda de conduo (eltrons); e outro, atravs da banda de valncia (lacunas).Nos condutores temos apenas corrente de eltrons, o que os diferencia dossemicondutores. (Fig. 1.7)

Observao

Um eltron na banda de conduo gera uma lacuna na banda devalncia. Aumentando-se o nmero de eltrons na banda de conduo, garante-se o aumento do nmero de lacunas na banda de valncia (pares eltrons -lacunas).

Recombinao

A recombinao ocorre quando eltrons da banda de conduo sedirigem para a banda de valncia, preenchendo uma lacuna, caso a banda deconduo intercepte a banda de valncia de outro tomo. Assim a lacunadesaparece. O tempo mdio entre a criao e o desaparecimento de uma lacuna de nano segundos (ns) e microssegundos (s).

Dopagem

Uma rede formada por apenas um tipo de tomo semicondutor originauma estrutura cristalina denominada semicondutor intrnseco ou cristal puro. Oprocesso pelo qual introduzimos tomos de impurezas num cristal, de modo aaumentar tanto o nmero de eltrons livres quanto o de lacunas, denomina-sedopagem.


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Dopagem tipo N

Significa aumentar o nmero de eltrons na banda de conduo,acrescentando tomos pentavalentes (cinco eltrons na ltima camada).

Percebemos pela figura 1.9 que, com a dopagem N, obtm-se aumentono nmero de eltrons na banda de conduo, enquanto na banda de valnciatemos apenas o surgimento de algumas lacunas, originadas pela energia trmica.Assim, denominamos os eltrons como portadores majoritrios, e as lacunas,portadores minoritrios. Podemos dizer, ento, que temos um semicondutor dotipo N. Exemplo de impurezas doadoras: fsforo, antimnio, arsnio.

Dopagem tipo P

Significa aumentar o nmero de lacunas na banda de valncia,acrescentando tomos trivalentes (trs eltrons na ltima camada).

Percebemos pela figura 1.10 que, com a dopagem P, obtm-se umaumento no nmero de lacunas na banda de valncia em relao ao nmero deeltrons na banda de conduo. Assim, denominamos os eltrons portadoresminoritrios, e as lacunas, portadores majoritrios. Podemos dizer, ento, quetemos um semicondutor do tipo R Exemplos de impurezas aceitadoras: alumnio,boro, glio.

Resistncia de corpo

Resistncia de corpo a caracterstica intrnseca do semicondutordopado. Um semicondutor levemente dopado tem resistncia de corpo alta.Aumentando-se a dopagem a resistncia diminui.

Diodo no polarizado (juno PN)

Podemos observar a juno de dois semicondutores, um dopado R eoutro dopado N, na figura 1.11. Prximo regio da juno ocorre o fenmenoda recombinao, ou seja, eltrons da regio N atravessam a juno,preenchendo as lacunas prximas desta, originando um campo eltrico quediminui esse efeito medida que isso ocorre. Com isso, origina-se uma camadanas proximidades da juno, que se comporta como uma barreira de potencialentre as duas regies, denominada zona ou camada de depleo, valendo


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aproximadamente 0,7V para o silcio e 0,3V para o germnio, temperaturaambiente.


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DIODOS

Polarizaes do diodo

Existem duas formas de se polarizar um diodo:

Polarizao direta;

Polarizao reversa.

Polarizao direta

A partir do momento em que o valor da fonte supera a barreira depotencial, a corrente se torna alta, tendo seu valor vinculado ao valor da fonte.

Polarizao reversa

A camada de depleo se alarga medida que aumenta a diferena depotencial da fonte. Existe apenas uma pequena corrente de portadores

minoritrios.

Corrente de saturao (Is) - Corrente de saturao a corrente reversaproduzida por portadores minoritrios. Esta tem seu valor dobrado para cada

1000 de aumento de temperatura.

Corrente de fuga superficial (IFs)- Origina-se devido a impurezas dasuperfcie criarem um caminho hmico para corrente.

Corrente reversa (IR)- Geralmente dada para uma determinadatenso reversa (VR) e uma temperatura ambiente (Ta)

sFSr III +=


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ExemploO diodo 1N914 tem uma corrente reversa (IR) igual a 25nA, para uma

tenso reversa de 20V, a uma temperatura ambiente de 250c.Tenso de ruptura (VR) - Nvel de tenso reversa para a qual o diodo

conduz. Para retificadores, V R >50V.Avalanche - Ocorre quando, na camada de depleo, um eltron

deslocado ganha velocidade, podendo desalojar um eltron de valncia. O par deeltrons deslocados continua ganhando velocidade, e quanto maior for apolarizao reversa, maior ser a velocidade, desalojando mais eltrons devalncia. Devido ao elevado nmero de eltrons livres, o diodo conduzirintensamente e ser danificado pelo excesso de potncia dissipada.

TerminologiasA seguir temos algumas terminologias empregadas na determinao de

caractersticas eltricas de diodos, com seus respectivos significados.VBR: Tenso de ruptura VRWM:Tenso reversa mxima de trabalhoPIV: Tenso de pico inversa PRV: Tenso reversa de picoBV: Tenso de ruptura VRM: Tenso reversa mxima

Componentes linearesOs componentes cujo grfico tenso x corrente origina uma reta so

denominados componentes lineares. O grfico 1 ilustra, com detalhes, o que foidescrito.

Caractersticas dos diodos

Grfico do diodoPodemos distinguir duas regies distintas no grfico 2. No primeiro

quadrante, inicialmente no h corrente fluindo pelo diodo. Aumentando-segradativamente a polarizao direta, atinge-se um ponto no qual o diodo inicia aconduo. Para diodos de silcio, esta tenso de limiar de aproximadamente0,7V, denominada tenso de joelho. A partir da, aumentos sucessivos na tensode polarizao implicam grandes variaes na corrente direta. No terceiro

quadrante, aumentando-se gradativamente a polarizao reversa, obtm-seapenas o fluxo de uma corrente inicialmente desprezvel (corrente de fuga, daordem de nano ampres). Caso esta tenso atinja o valor de ruptura (dado pelofabricante - BV), o diodo conduzir intensamente e ser destrudo por causa dadissipao excessiva de potncia.


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Smbolo do diodoA figura 2.3 ilustra o smbolo esquemtico de um diodo retificador. O

lado N chamado de ctodo e o lado P o nodo. A figura 2.4 ilustra o circuitocom diodo.

Resistncia de carregamentoAbaixo de 0,7V predomina a resistncia no-linear da camada de

depleo e, em funo disso, o aumento da tenso de polarizao no provoca

aumento na corrente. Acima de 0,7V, a nica oposio corrente a resistncialinear das regies P e N.Especificao de potncia e de corrente

As folhas de dados dos fabricantes de diodos trazem, entre outras,informaes dos limites mximos de dissipao de calor (potncia) e de conduode corrente, sendo que, uma vez desrespeitados tais limites, pode-se danificarirreparavelmente os mesmos. A seguir apresentamos dois exemplos deespecificao de potncia e corrente de diodos:

Diodo 1N914, potncia mxima igual a 250mW; Diodo 1N4002, corrente mxima igual a 1A.

Classes de diodosOs diodos so classificados, de acordo com sua potncia mxima, em

diodos de sinais, cuja potncia menor que meio Watt (1/2W), e retificadores,cuja potncia maior que meio Watt (1/2W). Exemplos

Diodo 1N914, pequeno sinal (0,25W). Diodo 1N4003, retificador (1W).

Resistor limitador de corrente (Rs)Conforme visto anteriormente, elevando-se a tenso de polarizao direta do

diodo acima da tenso de joelho ele conduz, e a nica oposio elevao destacorrente a resistncia de corpo, ou seja, a resistncia linear das regies P e N.


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Isso originaria um valor alto de corrente, que destruiria o diodo. A fim de evitarque isto ocorra, e inserido um resistor (Rs) em srie com o diodo, que tem comofuno limitar a mxima corrente direta do mesmo.

Linhas de carga

Uma forma de determinar com exatido os valores de tenso e corrente

do diodo atravs da linha (reta) de carga. Dois pontos determinam a reta decarga, sendo eles a saturao e o corte. Para a saturao consideramos o diodocomo uma chave fechada, isto , com uma tenso direta (VD) igual a zero; e parao corte, como uma chave aberta, ou seja, sem fluxo de corrente (1=0). A correntede trabalho (quiescente) determinada levando-se em conta a queda de tensoda barreira de potencial do diodo e a relao entre a fonte e o resistor limitador(R5) (Fig. 2.5). A interseo entre a curva do diodo e a reta de carga determina oponto de trabalho do circuito ou ponto quiescente (ponto Q). As coordenadasdeste ponto so os valores de tenso de trabalho (V0) e corrente de trabalho (IQ).(Grf3).

Aproximaes do diodo

Para anlise de circuitos eletrnicos, devemos lembrar que respostasmatematicamente exatas no tm muito sentido, do ponto de vista prtico, seconsiderarmos que dispositivos tais como resistores, diodos etc.., possuemtolerncia de valores. necessrio, portanto conhecer tais variveis, a fim de quese possam aproximar ao mximo os valores tericos dos prticos. A seguirapresentaremos as aproximaes, considerando diodos de silcio.Primeira aproximao - diodo ideal

Considera-se como diodo ideal, ou primeira aproximao, o fato domesmo agir como um condutor perfeito, isto , queda de tenso zero quandopolarizado diretamente; e isolante perfeito, corrente zero, quando polarizadoreversamente.


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Segunda aproximaoPara que o diodo comece a conduzir, necessrio que a tenso de

polarizao ultrapasse o valor da barreira de potencial. Em se tratando de diodosde silcio, o limiar da conduo situa-se prximo de 0,7V. A idia comparar odiodo a uma chave ideal ligada em srie com uma bateria de 0,7V, que se fecha

assim que a tenso de polarizao direta ultrapassa este valor, e que se abretoda vez que ela se torna menor que 0,7V ou reversa (negativa). A figura 2.7ilustra com detalhes o que foi descrito.

Terceira aproximaoComo terceira aproximao do diodo, inclui-se ao circuito da segunda

aproximao uma resistncia ligada em srie com a bateria, que representa aresistncia linear das regies P e N (resistncia de corpo - RD).A corrente direta, fluindo atravs desta resistncia, origina uma queda

de tenso, que varia proporcionalmente ao aumento da corrente; isto , quantomaior a corrente, maior ser a queda de tenso atravs de RD. A tenso total,atravs do diodo (VF), igual soma da tenso de limiar (0,7V) com a queda detenso atravs da resistncia de corpo ( DR ) A figura 2.8 ilustra o que foi descrito.

).(7,0 DFF RIVV += Observao

Geralmente, utiliza-se a segunda aproximao para resoluo decircuitos envolvendo diodos.Resistncia de corrente contnua (CC) de um diodo

Na polarizao direta, a resistncia CC do diodo diminui medida quea corrente aumenta; e na polarizao reversa o mesmo acontece, medida que atenso de polarizao reversa se aproxima do valor da ruptura.

Teste esttico do diodo

Utilizando o ohmmetro, podemos detectar se um diodo encontra-se emcurto ou aberto. Isto possvel atravs da relao entre as medidas de resistnciadireta e reversa do mesmo. Um diodo ser considerado em bom estado, peloteste esttico se a relao entre as medidas de resistncia direta pela reversa forigual ou maior que 1/1000.


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Circuitos com Diodos

Limitador

Sua funo limitar sinais de tenso abaixo ou acima de um

determinado nvel, variando assim a forma dos mesmos. Os imitadores podem serpositivos, negativos e polarizados.Limitador positivo

Tambm chamado ceifador, o circuito retira partes positivas do sinal.No primeiro semiciclo do sinal de entrada (Ve), o diodo est polarizadodiretamente e conduz. Assim, a tenso de sada Vo) fica limitada ao valor deconduo do diodo (0,7V). Quando inverte o sinal de entrada, o diodo ficapolarizado reversamente, indo para o corte (chave aberta). Assim teremos,idealmente, todo o sinal de entrada sobre a carga (na sada, V0). Fazendo umarelao entre a carga (RL) e o resistor imitador (R) maior ou igual a 100, obtm-sesobre a carga praticamente todo o sinal de entrada.

Limitador negativoInvertendo-se a polaridade do diodo, obtm-se um imitador negativo.

Limitador polarizadoConsiste em ligar em srie um gerador CC com o diodo, a fim de

conseguir ceifar o sinal em V + 0,7V para limitadores positivos e -v - 0,7V paralimitadores negativos, conforme as figuras 3.3 e 3.4.


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Associao de Iimitadores

Podemos, em algumas situaes, necessitar de limitao do sinal deentrada em ambos os semiciclos, ou seja, positivo e negativo. Para tal, utilizamosos circuitos limitadores associados, de forma que possamos obter o efeitodesejado, de acordo com a figura 3.5.

Grampeador de CC

Sua funo somar uma tenso contnua ao sinal de entrada.Grampeador positivo

No primeiro semiciclo negativo da tenso de entrada, o diodo estpolarizado diretamente e conduz, levando o capacitor a carregar at

aproximadamente PV

Pouco depois do pico negativo, o diodo corta. Fazendo a constanteRLC muito maior que o perodo (T) do sinal de entrada, o capacitor permanececarregado completamente durante todo o tempo em que o diodo estiver cortado.

Invertendo-se a polaridade do diodo, obtm-se um grampeadornegativo.

Detetor de pico a pico

Consiste em associar em cascata um grampeador de CC e umretificador de pico (D2). Devemos fazer a constante RLC muito maior que operodo do sinal de entrada, a fim de obtermos uma tenso contnua deaproximadamente PV2 e uma ondulao de sada pequena.


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Outros tipos de Diodos

Diodo emissor de luz (LED)

o LED difere dos diodos comuns pelo fato de que, quando polarizado

diretamente, irradia energia em forma de luz, enquanto nos diodos comuns ela irradiada em forma de calor.Consiste em um cristal com juno PN. Quando ocorre polarizao

direta, movem-se os eltrons da regio N em direo s lacunas da regio P.Desta maneira h uma recombinao (eltrons livres + lacunas), ocasionandoliberao de energia, a qual se propaga em forma de luz. A figura 4.1 ilustra ofuncionamento do LED.

Vantagens - Baixo consumo de potncia, vida longa e chaveamento rpido(liga/desliga).Detalhes construtivos - So utilizados elementos tais como glio, arsnio e ofsforo, podendo irradiar-se no vermelho, verde, amarelo, azul, laranja ouinfravermelho. A figura 4.2 ilustra a forma fsica de um LED.

Tenso e corrente no LED - A tenso do LED )( LEDV varia de aproximadamente1,35 a 3V, e a corrente )( LEDI mxima 1 3OmA, sendo considerados comovalores usuais VVLED 2= e mAILED 20= Smbolo do LED

A figura 4.3 ilustra o smbolo esquemtico do LED


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Orientao para projeto - Utilizar fonte ( SV ) e resistor ( SR ) altos para obter brilhoaproximadamente constante com LEDs. Exemplo

Para o TIL 222 (verde)VaVLED 38,1=

mAILED 25= Utilizando uma fonte ( SV ) igual a 20V e um resistor ( SR ) de 750W, LEDI igual

a: mARVV

RVVIS

LEDSLED 24

750

220 ===

Indicador de sete segmentos

Consiste de um arranjo com sete LEDs, cada um constituindo umsegmento de base numrica, cujo formato se assemelha ao nmero oito. Talarranjo tem um terminal comum, podendo ser tanto o ctodo quanto o nodo. Oindicador apresentado na figura 4.5 de nodo comum, podendo ser tambm dectodo comum.

Fotodiodo

O fotodiodo um dispositivo semicondutor que converte intensidadeluminosa em quantidade eltrica. Sua operao est limitada regio reversa. Afigura 4.6 mostra um arranjo bsico de sua construo.


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Smbolo do fotodiodo

Circuito

medida que a luz se torna mais brilhante, a corrente reversaaumenta, diminuindo a queda de tenso no diodo e aumentando a queda noresistor imitador de corrente Rs.

Optoacoplador com fotodiodo

O optoacoplador associa um LED e um fotodiodo em um s invlucro.Este dispositivo muito utilizado para interfaceamento de circuitos eletrnicoscom isolao, pois a conexo atravs da luz.

Diodo Schottky

Para melhor compreendermos o funcionamento do diodo Schottky,devemos esclarecer dois pontos de fundamental importncia, que so oarmazenamento de cargas e o tempo de recuperao reversa.Armazenamento de cargas

Denomina-se armazenamento de cargas o efeito causado pelo fato de

eltrons livres e lacunas perdurarem, por um breve espao de tempo, emdiferentes bandas de energia prximas da juno, em um diodo diretamentepolarizado. Quanto maior a corrente direta, maior o armazenamento de cargas.Tempo de recuperao reversa ( RRt )

O tempo de recuperao reversa (tRR) o tempo que a correntereversa, originada pelo armazenamento de cargas, leva para desligar um diododiretamente polarizado. Tal efeito mais acentuado em altas freqncias (MHz).Efeito na retificao - O efeito causado pelo tempo de recuperao reversa emcircuitos retificadores de alta freqncia ilustrado na figura 4.10, onde podemos


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Curso Tcnico 23/23

ver claramente que, no momento em que a tenso do sinal que est sendoretificado se torna negativa, polarizando reversamente o diodo, no acontece ocorte do mesmo, ou seja, ele continua conduzindo durante um pequeno espaode tempo ( RRt ). O diodo Schottky a soluo para esse problema.

Caractersticas fsicasSabe-se que os metais no tm lacunas e os eltrons livres do lado N

ocupam rbitas menores. Quando o Schottky polarizado diretamente, estesganham energia suficiente para ocupar rbitas maiores, atravessando a juno epenetrando no metal, produzindo uma grande corrente direta. Como no hlacunas nos metais, no h armazenamento de cargas nem tempo derecuperao reversa ( RRt ).

Smbolo do diodo Schottky

Queda de tenso tpica = 0,25V

Aplicao: Fontes de alimentao de baixa tenso; circuitos de altafreqncia.Circuito retificador com Schottky

Varactor

Tambm conhecido por capacitncia de tenso varivel, epicap,

varicap e diodo de sintonia, o varactor otimizado para sua capacitncia varivel.Tem inmeras aplicaes em equipamentos de comunicao, dentre os quaispodemos citar receptores de televiso e FM.

Seu princpio de funcionamento baseia-se no controle da capacitnciaatravs da tenso, quando reversamente polarizado. Se a tenso reversa e/ou afreqncia aumentam, a capacitncia de transio diminui.


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Curso Tcnico 24/24

Smbolo do varactor

Circuito equivalenteNa figura 4.15 apresentado o circuito equivalente de um diodo

reversamente polarizado com a respectiva curva da capacitncia de transio xtenso:

Especificaes do varactorValor de referncia de capacitncia medida a uma tenso reversa,

tipicamente iguala -4V. Exemplo

Diodo 1N5142,15pF em -4V.Faixa de sintonia e faixa de tenso: para o 1N5142, a faixa de sintonia

3:1 e a faixa de tenso, de -4V a - 60V. Exemplo

pFapFCt 515= , quando 604 = aV

Conectando-se um indutor em paralelo com o varactor, obtm-se umcircuito ressonante, cuja freqncia de ressonncia dada por:

LCfr

2

1=

A largura da faixa de sintonia depende do nvel de dopagem. Umamaior concentrao de cargas nas proximidades da juno leva a uma camada dedepleo mais estreita e, com isso, a uma capacitncia maior.

Diodos de corrente constante

Estes dispositivos mantm a corrente constante dentro de umdeterminado intervalo de tenso.Exemplo

1N5305, corrente tpica 2mA, faixa de tenso de 2 a 100V.Compliance

Denomina-se compliance o alcance de tenso ao longo do qual o diodopode funcionar. Para o diodo 1 N5305, este valor de 98V.


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Diodos de recuperao em degrau

Os diodos de recuperao em degrau tm um perfil de dopagem, demodo que a densidade de portadores diminui perto da juno, conforme o grfico4.

FuncionamentoDurante o semiciclo positivo, o diodo conduz como qualquer outro

diodo de silcio, mas durante o semiciclo negativo cria-se uma corrente reversapor um breve instante, devido s cargas armazenadas; a, subitamente, a correntecai a zero como se de repente o diodo se abrisse. A figura 4.16 ilustra o que foidito, bem como o smbolo do diodo. Sua aplicao se d em circuitosmultiplicadores de freqncia, onde a freqncia de sada um mltiplo da

freqncia de entrada, utilizando-se circuitos ressonantes para filtrar asharmnicas em relao freqncia fundamental (2f, 3f .... nf).

Diodos de Retaguarda

So diodos otimizados para conduo melhor no sentido reverso doque no direto. Analisando a curva caracterstica I x V do diodo de retaguarda,vemos claramente esse fato. Isso conseguido aumentando-se o nvel dedopagem do diodo zener. Sua aplicao se d na retificao de sinais fracos, cujaamplitude se situe entre 0,1 e 0,7V.

Smbolo e circuitoO seu smbolo se assemelha ao de um diodo zener e o circuito aplicativo

mostrado na figura 4.17.


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Curso Tcnico 26/26

Na polarizao direta, temos aproximadamente 0,5V sobre o diodo e a

sada, V0= 0. Na polarizao reversa temos, aproximadamente, 0,1V sobre o diodoe, portanto, 0,4V na sada, obtendo assim um retificador de meia onda (RMO).

Diodo tnel

Constitui um diodo tnel um diodo de retaguarda fortemente dopado,de forma a se obter a ruptura prxima de 0V. Esse aumento na dopagem faz comque a curva direta seja distorcida, conforme o grfico 6. Analisando este grfico,observamos a conduo imediata na polarizao direta. Quando a tenso atingeum valor Vp (pico), a corrente atinge um valor mximo Ip, (pico). A partir dai, medida que a tenso aumenta, a corrente diminui. Quando a tenso atinge umvalor

VV (tenso de vale), a corrente atinge um valor

VI (corrente de vale). A

regio compreendida entre Vp e VV considerada regio de resistncia negativa,pois a corrente diminui com o aumento da tenso. Isso til em circuitos de altafreqncia, chamados osciladores, que so capazes de converter potncia CC empotncia CA.

.

Smbolo do diodo tnel

Varistores

Tambm chamados supressores de transitrio, tm por funo filtrar a

linha de alimentao, eliminando os problemas causados pelos transitrios(descargas, falha na linha de alimentao, chaveamento de carga reativa etc...).So fabricados para diversos valores de tenso de ruptura e corrente de pico.

Varistores so resistncias dependentes da tenso com uma curvacaracterstica V x I simtrica, conforme o grfico 7.


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Curso Tcnico 27/27

No exemplo dado, a especificao SIOV - S10K 150, fornecida pelomanual da lcotron, significa:

SIOV - varistor de xido metlico S1OK - dimetro nominal do disco (lOmm);

150-tenso eficaz nominal 150 efV ou aproximadamente 2l2 mxV Smbolos dos Varistores

LDR - Light Dependent Resistor (resistor dependente de luz)

Constitudo de material semicondutor, caracteriza-se por possuir

resistncia que varia em funo da incidncia de luz.No escuro, a resistncia do LDR alta, e, medida que aumenta aincidncia de luz, esta resistncia sofre redues que no so lineares, conformeo grfico 8.

Os LDRs podem ser do tipo sulfeto de cdmio, cuja curva espectralabrange parte das radiaes visveis, ou sulfeto de chumbo, cuja curva espectralest fora do alcance da viso humana (infravermelho).


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Smbolos dos LDR

AplicaesUtilizados principalmente em dispositivos sensores, como contagem de

objetos, controle automtico de brilho, deteco de dispositivos pela cor, emfotmetros para otimizao de processos fotogrficos etc.

Termistores

Os termistores so componentes semicondutores cuja resistncia variacom a temperatura. So utilizados como transdutores de temperatura em sinaleltrico. Dependendo da forma como a resistncia se altera em funo datemperatura, os termistores se classificam em PTC (Positive TemperatureCoeficient) e NTC (Negative Temperature Coeficient). Assim, temos que o PTC

aumenta sua resistncia quando a temperatura aumenta, e o NTC diminui suaresistncia quando a temperatura aumenta. A seguir, so ilustradas as curvascaractersticas de resistncia versus temperatura de cada um deles. (Grf. 9)

Smbolos dos termistores


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Circuitos retificadores

Os retificadores so circuitos cuja funo converter uma tensoalternada em contnua, visto que a maioria dos dispositivos eletrnicos precisamde tenso contnua para seu funcionamento adequado. Os retificadores podem

ser de meia onda ou de onda completa.Retificador de meia onda (RMO)

FuncionamentoDurante o semiciclo positivo, na entrada, o diodo est polarizado

diretamente e conduz. Ento, o semiciclo positivo aparece na sada. Durante o

semiciclo negativo, na entrada, o diodo est polarizado reversamente e noconduz. Assim, o semiciclo negativo no aparece na sada, ficando sobre o diodo.Forma de onda de tenso na sada (V0)

O valor mdio da tenso de sada ( CCV ) vale aproximadamente 31,8%

do valor de pico ou mximo ( PV ), dado por PP VP

V381,0= ou seja,

aproximadamente 45% da tenso eficaz de entrada (0,45 efV ).

efmed VVccV 45,0==

A equao mais aproximada do valor da tenso contnua de sada e:

( )P F

medV Vcc

V V= =

Devido ao fato da tenso contnua na sada ser pulsante, isto , aindaconter variaes da componente alternada de entrada, possvel determinar o

valor da tenso eficaz na sada (Vac). Este valor, nos retificadores de meia onda,corresponde metade do valor de pico ou mximo (Vp), expressomatematicamente por:

2

VpVac =


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Curso Tcnico 30/30

A intensidade da corrente mdia no diodo ( medI ) igual corrente de

carga ( LI ) e vale:RL

VII CCLmd ==

A freqncia de sada do circuito (f0) igual freqncia de entrada(fe), visto que os perodos das formas de onda de tenso de entrada ( entV ) e

tenso de sada (V0) so iguais.EO FF =

O diodo deve ser especificado, respeitando-se o valor de correntedireta ( FI ) e tenso reversa ( RV ).

LmdF III ==

mxR VPIVV == Observao: PIV significa tenso de pico inversa.

Formas de onda de tenso de entrada (Ve) sada (Vo) e sobre o diodo (VD)

Fator de ripple ()Fator de ripple a relao, na sada de um retificador, entre a tenso

alternada e a tenso contnua, dada em percentual.

%100.cc

AC

V

V=

TransformadorO transformador, dispositivo sem partes necessariamente em

movimento, utilizado para abaixar ou elevar a tenso alternada da rede eltrica. constitudo basicamente por dois enrolamentos, sendo um primrio e o outrosecundrio.

Relao de transformao ( nouRt ) - E a relao entre a tenso noprimrio (Vp ou V1) e no secundrio (Vsou V2) ou entre o nmero de espiras doprimrio (Np) e o nmero de espiras de secundrio (Ns), expresso por:

S

P

S

P

N

N

V

V=

Princpio de funcionamento - Baseia-se na induo mtua, ou seja, umacorrente varivel ao circular pelo enrolamento primrio produz um campo


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Curso Tcnico 31/31

magntico varivel.As linhas de foras deste campo magntico varivel cortam o

enrolamento secundrio, induzindo no mesmo uma tenso. QuandoNSVp. O transformador no funciona com CCpura. Normalmente, utiliza-se uma derivao central (center-tape) no enrolamentosecundrio, a fim de se conseguir duas tenses iguais e opostas (simtricas). O

enrolamento primrio tambm pode ser constitudo de forma que possaproporcionar uma ligao bivolt, isto 110/220V.

As tenses acV e bcV esto defasadas de 180 entre si.As correntes eltricas no transformador - A relao entre a corrente doprimrio (Ip) e a do secundrio (Is) igual relao entre o nmero de espiras doenrolamento secundrio (Ns) e do enrolamento primrio (Np), expresso por:

S

P

P

S

N

N

I

I=

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA (convencional ROC)

A tenso (Vcc) na carga igual a:

( )P F

cc o md

2V V V

V V= = =

A tenso eficaz (vac) na sada igual a:

2

mxac

VV =

FuncionamentoSempre teremos um diodo conduzindo e outro cortado. Quando A for

positivo, B negativo e teremos D1 conduzindo e D2 cortado. Quando A fornegativo, B positivo e teremos D1 cortado e D2 conduzindo. Considerando afreqncia de entrada igual a 60Hz, teremos cada diodo conduzindo 60 vezes porsegundo, e na sada, portanto, 120 pulsos por segundo. Conclui-se assim que afreqncia na sada dobra, ou seja, igual a 120Hz.


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Curso Tcnico 32/32

A corrente mdia na carga (IL) vale:

RL

VI ccL=

A corrente mdia em cada diodo (Id) vale:

2

2!

LDD

III ==

A freqncia de sada (f0), conforme visto anteriormente, igual aodobro da freqncia de entrada (fe)

O PIV nos diodos igual ao dobro da tenso mxima de cadaenrolamento secundrio, ou seja, acV22 ou PIV = 2abV

Fator de ripple ():

%100.cc

AC

V

V=

Assim sendo, o rendimento da ordem de: %48= Formas de onda de corrente nos diodos (

21 dd IeI ),corrente na carga ( LI ),

tenso na carga ( oV ) e tenso nos diodos ( 21 dd VeV )

ObservaoO valor da tenso mxima na sada igual ao valor mximo de cada

enrolamento , desprezando-se a queda de tenso no diodo em conduo.

2

mxac

VV =


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Curso Tcnico 33/33

Retificador de onda completa em ponte(RCOP)

A tenso Vcc na carga igual a:

( )P F

cc o md

2V V V

V 2V= = =

FuncionamentoO princpio de funcionamento idntico ao de onda completa

convencional. Diferi apenas no fato de ter dois diodos conduzindo e dois cortadospor vez.

Filtros em fontes de alimentao

A tenso na sada dos retificadores apresenta uma ondulao(variao) muito grande, o que a torna inadequada para alimentao de circuitoseletrnicos. O filtro tem a funo de tornar a forma de onda da sada (tenso desada) prxima de uma corrente contnua pura. Podemos dizer que o filtro reduz aondulao na sada.

O filtro mais utilizado constitudo de um capacitor (C) de alta

capacitncia ligado em paralelo com a carga (RL).


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Curso Tcnico 34/34

Retificador de meia onda com filtro

FuncionamentoQuando a tenso de entrada positiva, o diodo conduz e o capacitor se

carrega com o valor da tenso mxima ( mxV ). Ao inverter a polaridade da entradao diodo est cortado e o capacitor se descarrega lentamente sobre a carga. Ocapacitor ser recarregado com uma freqncia igual da rede de entrada. Ongulo de conduo de diodo diminui e representado, no grfico 14, pela reahachurada. A tenso de sada no volta mais a zero.

ond

mx cc

VV V

2= +

2

ond

mxcc

V

VV = Clculo da tenso de ondulao (Vond)

cf

IVond

.= sendo que

2

ondmxcc

VVV =

cfRL

VV mxcc

..2

11 +

=

Clculo de Vcc em funo de Icc(quando RL no dado)

cf

IvV ccmxcc

.2= e

)(2 ccmx

cc

vvf

IC

=

Pode-se tomar como regra prtica o dimensionamento do capacitor defiltro na proporo de 1uF/mA.

A tenso de pico reversa sobre o diodo igual ao dobro da tensomxima, ou: PIV=2vmx


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Curso Tcnico 35/35

Retificador de onda completa com filtro a capacitor.

2

ondmxcc

VVV =

Pelo grfico 15 podemos verificar que a freqncia de sada do filtro igual ao dobro da freqncia da rede de entrada, visto que cada diodo conduz umsemiciclo.

O capacitor ser recarregado o dobro de vezes em relao ao circuitode meia onda. Com isso, conclui-se que a tenso de ondulao (Vond) diminui.

Se retirarmos a carga (RL) obteremos, na sada, um sinal contnuo novalor de Vmx, conforme o grfico 16.

Retificador em ponte com filtro a capacitor

Consideraes finais - Em se tratando de sinais de entrada pequenos,considera-se a queda de tenso no diodo (0,7V) para RMO e ROC convencional e


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Curso Tcnico 36/36

1,4V para ROC em ponte na determinao da tenso mxima de sada, ou seja:7,0)()( = mxemxo VV ou 4,1)()( = mxemxo VV

Como regra prtica adota-se - Desprezar a queda de tenso no diodo paraRMO e ROC convencional quando o sinal de entrada for maior ou igual a 10V.

Desprezar a queda de tenso nos diodos para ROC em ponte quandoo sinal de entrada for maior ou igual a 20V.Corrente de surto (a)

Considerando um retificador com filtro capacitivo de entrada, temosuma condio crtica no momento em que o circuito ligado. O capacitor estinicialmente descarregado, da a sada do retificador ser colocadatemporariamente em curto, visto que a alta corrente de carga inicial do capacitorflui atravs do retificador e do secundrio do transformador. Sabendo-se que asnicas resistncias que limitam esta corrente so as resistncias de corpo do(s)diodo(s) e do secundrio do transformador, podemos obt-la por:

sec).( Rrn

VI

b

ps

+=

Onde:

Is -corrente de surto, em ampre n - n2 de diodos em conduoN n de diodos em conduorb - resistncia de corpo do diodoRsec - resistncia do secundrio do transformador


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Curso Tcnico 37/37

O diodo zener

O diodo zener otimizado para trabalhar na regio de ruptura. Aocontrrio dos diodos retificadores, os diodos zener trabalham melhor na regio deruptura. O diodo zener tem um nvel de dopagem superior ao do diodo retificador.

Variando o nvel de dopagem, o fabricante pode produzir diodos com tenses deruptura de 2 at 200V. Quando polarizado diretamente, o diodo zener secomporta como um diodo retificador, conduzindo a aproximadamente 0,7V. Naregio de polarizao reversa (entre o zero e a ruptura) ele apresenta apenasuma pequena fuga ou corrente reversa. Quando o polarizamos reversamente e atingida a ruptura, o diodo zener conduz, mantendo a tenso reversa entre seusterminais praticamente constante (Vz), com valores que podem variar de acordocom especificaes do fabricante, O diodo zener a parte importante dosreguladores de tenso, circuitos que mantm a tenso na carga praticamenteconstante mesmo que ocorram variaes da linha ou da resistncia de carga.Smbolodo diodo zener

Curva caracterstica I x V

Especificaes

Vz- tenso zenerIzt - corrente zener de testeIzm - corrente zener mxima especificadaPzm - potncia especificada

A potncia dissipada num diodo zener igual ao produto da sua tenso

pela corrente. Ou seja:Pz = Vz x IzUm diodo zener de 10V, com potncia especificada de 500mW, tem

uma corrente mxima especificada de:

mAV

mWIZM 50

10

500=

No exemplo dado, o diodo zener funcionar sem se danificar se acorrente que fluir por ele no ultrapassar o valor de 50mA.


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Curso Tcnico 38/38

Resistncia zenerQuando um diodo zener trabalha na regio de ruptura, se variamos a

corrente zener notamos uma ligeira variao na tenso zener (Vz). Isto indica queo diodo zener tem uma pequena resistncia de corpo. Os fabricantes especificama resistncia zener para a mesma corrente de teste utilizada para medir Vz. Aresistncia zener para esta corrente de teste simbolizada por RzT (ou Zzt).

Regulao de tenso

O diodo zener , as vezes, chamado de diodo regulador de tensoporque mantm uma tenso de sada praticamente constante. Em funcionamentonormal, o diodo zener deve ser polarizado reversamente, e, para produzir aruptura, a tenso da fonte deve ser maior que a tenso zener Vz. Ao ligarmos odiodo zener, sempre utilizamos um resistor conectado em srie com a fonte a fimde limitar a corrente mxima a um nvel dentro da especificao do fabricante,pois, se a potncia dissipada no componente for superior especificada, o diodoprovavelmente se danificar. A figura 7.2 mostra a forma de ligar o diodo zenerpara trabalhar como regulador de tenso.

No circuito da figura 7.2, se fizermos Vz = 10V, Vs= 20V e Rs=1kohm,podemos determinar o ponto de interseo vertical (ponto de saturao) fazendoVz igual a zero, e calculando o valor de Iz obteremos 2OmA. Da mesma maneirapodemos obter o ponto de interseo horizontal (ruptura) fazendo Iz igual a zero(diodo zener aberto) e determinando o valor de Vz, que ser de 20V. Para umafonte Vs = 30V, os valores de Iz e Vz sero respectivamente 30mA e 30V. Aseguir, veremos duas retas de carga cujos extremos foram obtidos acima.Podemos observar, no grfico 19, que tivemos dois pontos de interseo na curvado diodo (Q1 e Q2) para Vz = 20V e Vs = 30V. Comparando os pontos Q1 e Q2notamos que a corrente sobre o diodo zener variou em 10mA, porm a tenso Vzmanteve-se praticamente inalterada (10V). Esta a idia bsica de regulao detenso. A tenso de sada manteve-se praticamente inalterada, mesmo que a

tenso de entrada sofresse variaes.


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Curso Tcnico 39/39

O diodo zeneridealPara algumas anlises de defeito podemos considerar a regio de

ruptura como um valor constante de tenso, mesmo que a corrente varie, o queequivale a desconsiderar a resistncia zener. Um diodo zener na regio deruptura se comporta como uma bateria. Para anlises podemos substituir o diodozener por fonte de tenso Vz. A figura 7.3 mostra a aproximao ideal para um

diodo zener.

Em uma segunda aproximao, considerando agora a resistnciazener, devemos analisar o diodo zener como uma fonte de tenso Vz em sriecom uma resistncia Rz. A figura 7.4 mostra-nos o diodo zener em uma segundaaproximao.

A resistncia zener relativamente pequena e provoca uma queda detenso maior a cada aumento da tenso Vs. Isto quer dizer que, se a tenso Vsvariar, a corrente Iz ir variar tambm, fazendo com que a tenso zener Vz varieligeiramente. Este fato pode ser descrito em uma equao, que veremos a seguir.

O regulador zener

Afigura 7.5 mostra odiodo zener utilizado para regular a tenso naresistncia de carga. Neste caso teremos duas malhas, sendo que a corrente Irs

ser igual soma da corrente no zener com a corrente na carga.

A corrente Iz jamais deve ultrapassar o valor de Izmx determinado apartir da

potncia mxima especificada pelo fabricante. Para que o diodo zener

mantenha constante a tenso entre seus terminais, necessrio que haja umacorrente mnima que garanta a ruptura. Esta corrente mnima determinada com10% de Izmx.

Para verificarmos se teremos tenso suficiente para colocar o zener emruptura, devemos tirar o zener do circuito e calcular o divisor de tenso formadoentre Rse a carga RL, como na figura 7.6.


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O valor da tenso VRL dever se maior que a tenso Vz, pois, casocontrrio, o zener no entrar em conduo, no havendo assim regulao detenso.

Ondulao no resistor de carga

Um regulador, normalmente, alimentado por um retificador com umfiltro capacitivo. A tenso de carga mantida praticamente constante, apesar daondulao do retificador. O regulador zener reduz consideravelmente a

ondulao, mas no totalmente. Determinaremos agora o valor de ondulaoresidual no regulador, considerando a segunda aproximao para o diodo zener.

Vimos, anteriormente, que a variao na tenso zener determinadapelo produto da variao da corrente zener pela resistncia zener.

ZZZ RIV .=

Da mesma forma, poderemos determinar a variao da tenso na fonteVscomo sendo o produto da corrente pelo valor do resistor Rs.

SSS RIV .= Considerando a relao entre as variaes de entrada e de sada,

teremos:

SS

ZZ

S

Z

RI

RI

V

V

.

.

=

Para uma resistncia de carga constante, a variao na corrente zener igual variao na corrente da fonte.

Com a primeira condio satisfeita, garantimos que o regulador zenertenha variaes menores que a variao da fonte(pelo menos de100 vezes). Nocaso da segunda condio, o regulador zener comporta-se como fonte de tensoestabilizada.

Coeficiente de temperatura

Da mesma forma que em todos os dispositivos semicondutores,variaes trmicas no ambiente causam variaes na tenso zener. O efeito datemperatura apresentado nos manuais de fabricante como coeficiente detemperatura. importante saber que, para diodos zener com tenses de rupturamenores que 5V, o coeficiente de temperatura negativo. Para os diodos zenercom tenses de ruptura maiores que 6V,o coeficiente de temperatura positivo.Portanto, os diodos Zener com tenses de ruptura entre 5 e 6V tm seucoeficiente de temperatura variando do negativo para o positivo, permitindo-nos


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determinar um ponto no qual o diodo zener tenha um coeficiente de temperaturanulo.


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Transistor bipolar de juno (TBJ)

Aps o estudo do diodo de juno, que o componente essencial dedois terminais, vamos agora comear a abordar dispositivos semicondutores detrs terminais. Eles so muito mais utilizados e de funes mais complexas, que

vo desde amplificao de sinais at a lgica digital. O nome transistor bipolarreflete o fato de o fluxo de corrente nestes elementos ser bidirecional, ou seja,uma parte formada por eltrons e outra por lacunas.

Outro fato curioso est no nome: o prefixo TRANS vem da palavrainglesa TRANSFER e o sufixo ISTOR de RESISTOR. Combinando ambas, temosalgo semelhante a resistor de transferncia. A medida que nos aprofundarmos noestudo do dispositivo mostraremos esta caracterstica fundamental.

Enfim, o transistor de juno (que fora desenvolvido no incio dadcada de 50) revolucionou a tecnologia at alcanar o estgio atual. Para se teruma idia do significado da inveno do transistor, historiadores da cinciareferem-se nossa poca como a Era do Transistor!

Estrutura fsicaA figura 8.1, a seguir, mostra duas estruturas cristalinas: uma NPN e

outra PNP. Visualmente percebem-se trs regies: emissor, base e coletor. Oemissor dopado fortemente, pois dele partem os eltrons para a outra regio, abase. Na base, que fina e fracamente dopada, a maioria dos eltrons injetadospelo emissor passa para o coletor. O coletor a maior das trs regies, pois nele gerada uma quantidade de calor maior, e assim designado pelo fato doseltrons da base convergirem para l (diz-se que o coletor junta os eltrons dabase). O nvel de dopagem do coletor intermedirio, est entre o da base e o doemissor.

Modo de acomodao de cargasVimos, no estudo do diodo semicondutor, o que ocorre quando unimos

um material tipo P com outro tipo N. Quando a juno feita, a repulso internaentre os eltrons livres no material N provoca a difuso desses atravs da juno,originando o fenmeno da recombinao no lado P. Dessa maneira so formadasduas camadas de depleo, uma em cada diodo. Veja que a camada situada nodiodo emissor mais estreita que a do diodo coletor. O nvel de dopagem o

responsvel direto destas dimenses, pois quanto mais portadores majoritriosuma regio possuir (o emissor densamente dopado), maior ser a quantidadede ons formados em uma regio fronteiria de menor dimenso. Isso justifica asdimenses mostradas, mas os desenhos no so via de regra e, sim, umarepresentao esquemtica.

Faremos a abordagem dos transistores de silcio pelos mesmosmotivos que nos levaram a fazer tal escolha para o diodo, objeto de nossosestudos anteriores. Tais motivos eram as especificaes de tenso/corrente maisaltas e a menor sensibilidade temperatura. Lembre-se, tambm, que a 250C a


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barreira de potencial era aproximadamente 0,7V. Na figura 8.2 temos a ilustraoda estrutura cristalina NPN com as regies sombreadas. Estudaremos a estruturaPNP mais adiante.

Modos de operao - polarizaoObserve, nas figuras anteriores, que existem duas junes nas

estruturas cristalinas: uma entre base-coletor e outra entre base-emissor. O diodosituado entre base-emissor denominado diodo emissor e o outro, entre base-coletor, diodo coletor. Como so dois diodos, temos quatro hipteses parapolarizao simultnea de todos eles. Veja o quadro a seguir:

Denominao do modo depolarizao

Diodoemissor

Diodocoletor

Corte Reverso ReversoNo se aplica Reverso DiretoAtivo Direto ReversoSaturao Direto direto

Os modos de corte e saturao so aqueles em que o transistor usado para operar como chave eletrnica em circuitos lgicos (por exemplo, em

computadores). No modo ativo, o transistor opera como fonte de corrente e capaz de amplificar sinais. Vejamos, adiante, a descrio da operao em cadaum dos modos.Modoativo do transistor NPN - polarizao direta-reversa - Esta situao estilustrada na figura 8.3. Duas fontes de tenso externas so usadas paraestabelecer as condies de operao. A tenso VBE faz com que a base tipo Pesteja em um potencial mais alto do que o emissor tipo N; portanto, se a d.d.p.entre as duas regies for aproximadamente 0,7V, este diodo est diretamentepolarizado. A tenso na juno base-coletor VCB faz com que o coletor tipo nesteja em um potencial mais alto do que a base tipo P; portanto, este diodo estreversamente polarizado.

O fluxo de corrente no TBJ NPN na polarizao direta - reversa - Nadescrio que faremos do fluxo de corrente, no circuito da figura 8.3, sero


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Curso Tcnico 44/44

considerados os componentes da corrente de difuso. A corrente de deriva,devido aos portadores minoritrios gerados termicamente, muito pequena epode ser desprezada.

Se a fonte VBB for suficiente para garantir 0,7V em VBE, os eltronslivres do emissor invadem a base em grande quantidade, devido repulsocausada pelo plo negativo de VBB. Na regio da base tipo P, poucos eltrons

provenientes do emissor recombinam-se com as lacunas (a base fracamentedopada!) e os que encontram lacuna so solvidos pelo positivo de VBB, descendopelo terminal da base. Contudo, a maior parte dos eltrons livres no encontralacuna para se recombinar e passa atravs da larga camada de depleo docoletor. Ao vencer a barreira de ons negativos dentro da regio-base, mas nafronteira do coletor, os eltrons sofrem grande repulso e entram, definitivamente,na regio do coletor, sendo atrados para fora do transistor pelo potencial positivode Vcc.

A base fina e fracamente dopada, essencialmente, determina aquantidade de eltrons que formam a corrente de coletor. Observe que a correntedo coletor a maior parcela da corrente de emissor, visto que, pela base, arecombinao propositadamente pequena. A pequena corrente que escoa peloterminal da base, freqentemente, denominada corrente de recombinao,sendo constituda pelos eltrons que encontraram lacuna nessa regio. Por isso,alguns autores de livros textos dizem que a espessura da base d a quase todosos eltrons livres injetados pelo emissor vida mdia para se difundirem atravs daregio do coletor.

Aqui, cabe frisar alguns aspectos do funcionamento do transistor. Paravencer a camada de depleo do coletor, grande parte da energia dos eltrons dissipada em forma de calor, e o transistor deve ser capaz de troc-la com o meioambiente o mais depressa possvel. A primeira tentativa dos fabricantes, quefazem a regio do coletor a maior de todas (quanto maior a rea de um corpo,mais calor ele troca com o meio circundante). Outra soluo o uso externo de

irradiadores para aumentar a transferncia de calor, normalmente feito pelousurio.Acompanhe passo a passo, na figura 8.4, a seqncia descrita atravs

das ilustraes:


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Relao entre as correntes Ib, Ic e Ie- Voc j tem conhecimento sobrea ordem de grandeza entre as correntes que circulam no transstor polarizadodireta e reversamente. Esta relao depende do nvel de dopagem entre asregies constituintes do transstor. Como foi mencionado, a base, o coletor e oemissor so fraca, mdia e intensamente dopados, respectivamente. Na prtica,os transstores modernos de baixa potncia tm corrente de coletor, que so

cerca de 99% da corrente de emissor. Portanto, resta base 1 %.Dados estes percentuais, razovel admitir e relacion-las por meio de

nmeros adimensionais denominados e . A relao mede quo prxima acorrente de coletor Ic est de Ie ou seja, o quociente entre elas. a razoentre Ic e Ib,e basicamente nos permite dizer o quanto os portadores majoritriosdo emissor (os eltrons) fluem pelo coletor e qual a taxa que se recombina na

base. Matematicamente, temos:E

C

I

I= e

B

C

I

I=

Observao

freqente o uso de FEH (ndices maisculos) para representar o envolvendo Ic e Ib contnuos. Muitos se referem a ele como cc. O cc representado por feh (ndices minsculos).

ExemploUm transstor tem as seguintes correntes: Ie = 40,8mA, Ic= 4OmA Ib=

0,8mA. Assim, podemos calcular e usando as relaesanteriores:

E

C

I

I= =0,98

B

C

I

I= =50

As bandas de energia no TBJ NPNDe maneira semelhante ao diodo, podemos analisar o funcionamento

do transistor bipolar usando diagramas de energia. Lembrando que usamosapenas as bandas de valncia e de conduo - pois do ponto de vista daeletrnica onde ocorre a circulao de corrente - verificamos que existem duasregies de transio entre as bandas, uma devido ao diodo emissor e outra aodiodo coletor. Observe-as:


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Foram colocadas as polaridades das fontes VBB e Vcc no ladoesquerdo, direito e no meio da regio da base. O negativo do lado esquerdorefere-se s duas fontes, o positivo na base fonte VBB e o smbolo de maispositivo (++) fonte Vcc. O negativo repele os eltrons livres na regio doemissor (se VBB> 0,7V) e esses atravessam a primeira camada de depleo; noesquema o primeiro desnvel emissor-base. O diagrama mostra que a regio da

base est a um nvel de energia maior que o emissor; por isso os eltrons devemreceber, no mnimo, esse desnvel para mudar de regio. Na base, os eltronsso portadores minoritrios (a base P), porm em maior quantidade. Algunseltrons interceptam as poucas rbitas vazias (lacunas) e se recombinam, sendoatrados pelo potencial positivo da base. A grande maioria segue o percurso daregio do coletor descendo pelo segundo desnvel (base-coletor), que noesquema o mais acentuado, atrados pelo potencial mais positivo de Vcc. Arazo do desnvel mais acentuado a maior dissipao de potncia na regio docoletor (diodo reversamente polarizado), isso correspondendo claramente a umaqueda no nvel de energia (observe que o emissor tem mais energia que ocoletor).

Em suma, a anlise acima similar feita utilizando-se as estruturascristalinas. No entanto, pelo diagrama de energia podemos discriminar onde osprocessos ocorrem, enquanto para a estrutura cristalina no h esse nvel decompreenso.

Smbolos dos transistores NPN e PNP

Apesar de estarmos estudando a estrutura transistora tipo NPN,apresentamos a seguir os smbolos de ambos os tipos.

Preste bastante ateno s setas nos transistores. Elas representam aregio do emissor e indicam o sentido convencional da corrente. At agora temostrabalhado com o sentido real, corrente entrando pelo emissor e saindo pela basee pelo coletor. Mas, como de costume, usamos o sentido convencional e, para oTBJ NPN, elas entram pela base ( BI )e pelo coletor ( CI ), saindo pelo emissor ( EI )

Observe o smbolo do transistor PNP: ele est de cabea para baixo. de praxe desenh-lo assim e o motivo ser explicado futuramente.


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Conexes do transistor bipolar

Nossa avaliao do funcionamento do transistor tem sido realizada sobo circuito montado com a estrutura cristalina NPN. Existem configuraes tpicaselaboradas com o TBJ e essencial aprender a reconhec-las apenas com umolhar lanado sobre um circuito transistorizado. So trs as configuraes com

terminal em comum: base, emissor e coletor. Observe-as:

ObservaoSe voc retornar ilustrao da estrutura cristalina NPN em

funcionamento, ver que se trata de uma configurao em base comum, pois esteterminal comum a VBB e Vcc.

Anlise na configurao Emissor-Comum (EC)Entre as trs configuraes do TBJ, a mais utilizada, na prtica, a em

emissor comum, requerendo assim uma anlise mais cuidadosa. Faremos oemprego da estrutura cristalina do TBJ NPN pela ltima vez, pois daqui parafrente sempre empregaremos o smbolo em nossas anlises.

Para analisar a ligao EC, primeiramente colocamos o transistor navertical, com o emissor em baixo. Cuidamos para que esse terminal seja real-mente comum s duas fontes, ligando os negativos nele. Dois resistores Rb e Rclimitam a corrente na base e no coletor, nessa ordem. Veja a ilustrao da figura

8.8.


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Achamos mais conveniente apresentar as trs etapas defuncionamento acompanhadas de ilustraes apropriadas. Vamos omitir as fontese os resistores para simplificar, mas admita que Vcc VBB, com VBB > 0,7V, eque utilizaremos o sentido real para as correntes.

1 Etapa - injeo de portadores no emissor - Nesta etapa, a polarizao

correta do diodo emissor permite s fontes injetarem eltrons no interior doemissor pela repulso mtua entre eltrons das fontes e os livres e em excessopertencentes a essa regio.

2 Etapa - entrada dos eltrons na base e recombinao com as lacunas -Nesta etapa, os eltrons do emissor tm energia suficiente para vencer a barreirade potencial do diodo emissor e penetrar na base. L, poucos eltrons livresencontram lacuna em sua trajetria, mas os que conseguem se recombinam eformam a corrente da base. A grande maioria mantm a trajetria em direo aocoletor pela repulso contnua provocada pelo campo eltrico das fontes.


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3 Etapa - eltrons atravessando o diodo coletor e formando a corrente -Aqui, os eltrons livres do emissor, que no conseguiram se recombinar na base,atravessam a grande regio de depleo do coletor (diodo reverso) deixando boaparte da energia adquirida das fontes e sendo atrados pelo forte potencialpositivo de Vcc.

Leis de Kirchhoff no TBJ na configurao EC - As leis de kirchhoffaplicadas ao transistor na ltima das etapas anteriores fornece:IE= IB+IC e VCE=VBE+ VCB

OndeIE- corrente do emissorIB- corrente da baseIC- corrente do coletorVCE- tenso de coletor relativa ao emissorVBE- tenso de base relativa ao emissorVCB- tenso de coletor relativa base Exemplo

Um estudante testa um circuito transistorizado. Ele mede umaIB=6OmA e um VCB =24,3V. Sabe, tambm, que o transistor que est analisandotem um =100. Se o transistor de silcio e est polarizado no modo ativo, qual ovalor de IC,IE e VCE ele deve ter obtido?

ResoluoUsando a definio de e as leis de Kirchhoff, temos:IC=.IB IC=6mA IE=IB+IC IE=6,06mA

Se o transistor est no modo ativo, o valor de VBE deve,necessariamente, ser 0,7V. Ento,

VCE= VCB + VBE:. VCE=25VResumo da operao no modo ativo - Vamos sintetizar o

funcionamento do transistor na regio ativa, visto que os amplificadorestransistorizados operam nessa regio. Resumindo, temos as seguintes condiespara operao ativa (linear):

diodo emissor diretamente polarizado; diodo coletor reversamente polarizado; como sabemos do estudo dos diodos, tenses reversas

suficientemente grandes podem provocar a destruio da juno PN. Como odiodo coletor deve ser polarizado reversamente, pode ocorrer avalanche trmica


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se a tenso exceder a especificao do fabricante. Dessa maneira, devemosestar certos de que a tenso sobre o diodo coletor seja menor que a de ruptura.

Modelo equivalente Ebers-MoIlDefinimos anteriormente a relao , que exprimia quo prxima a

corrente IC estava de IE. Podemos dizer, tambm, que aponta a porcentagem

dos eltrons injetados pelo emissor que seguem o caminho do coletor. Ento, naregio ativa, plausvel assumir que o transistor em circuitos lineares uma fontede corrente de valor .IE em srie com o diodo emissor. Esse o modelo Ebers-Moll e ser muito til na anlise de amplificadores. Veja-o a seguir:

Segundo o grande didata e autor de livros Albert Paul Malvino, devemos:1. Fazer VBE igual a 0,7V para os transstores de silcio.2. Tratar IC como igual a IE, porque a aproxima-se da unidade.3. Aproximar IB a IE/, porque IC praticamente igual a IE.

Corrente controlando corrente -No modelo Ebers-Moll, o coletor uma fontede corrente de valor X IE. Se, ao invs de considerarmos que a fonte decorrente de coletor controlada pela corrente de emissor, admitirmos que arelao IC=.IB seja uma relao de controle, passaremos a assumir que um

transistor bipolar um dispositivo eletrnico no qual corrente controla corrente. Acorrente de controle a corrente da base, e a corrente controlada, a do coletor.

Concluindo o estudo quantitativo do transistor no modo ativo,relembramos que, pela lei de Kirchhoff, IE=IC+IB e que ICIE. Portanto, a correntede base na maioria dos casos uma corrente desprezvel.

Caractersticas eltricas do transistor

O transistor bipolar tem muito mais correntes e tenses que um diodo.Por isso temos muito mais curvas e parmetros eltricos a analisar. Nosso circuitoteste ser o seguinte:


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As curvas de base

Pelo fato da juno base-emissor ser um diodo de se esperar que acurva de base seja a curva de um diodo. De fato o que obtemos quandoplotamos IB x VBE no transistor. Porm, como dissemos no incio, o transistor tem

muito mais variveis eltricas que o diodo. Assim, a curva de base no transistortorna-se em: as curvas de base, uma para cada valor de VCE. A questo aseguinte: quanto maior a tenso reversa no diodo coletor, maior a regio dedepleo dentro da base, estreitando ainda mais a regio, que de fbrica j fina.Com a regio diminuda, a probabilidade de encontrar lacunas nesse espaodiminui abruptamente e, como a corrente de base formada pela recombinaodos eltrons livres injetados pelo emissor com as lacunas da base, a corrente debase tem que diminuir. Ocorre, entretanto, algo extraordinrio com a tenso VBE:ela aumenta! Isso significa deslocar a curva de base para a direita. A justificativatcnica para esse fenmeno complexa e preferimos omiti-la. Porm, o estudanteinteressado pode consultar algumas das bibliografias citadas no final. Ofenmeno, conhecido como efeito Early, normalmente desprezvel na anlisecasual dos circuitos transistorizados, exceto nas situaes em que so requeridostratamentos minuciosos. Veja, a seguir, as curvas de base:

As curvas de coletor

O circuito precedente tambm serve como referencial para construodas curvas de coletor. A idia fixar a corrente na base atravs de VBB e variarVcc, anotando os valores de IC e VCE. Se tentssemos desenhar grficosenvolvendo as trs grandezas variando simultaneamente, teramos grficostridimensionais, que so sempre difceis de interpretar. Quando desenhamos IC xVCE com IB fixo, o resultado a curva mostrada a seguir:

Podem-se observar trs regies de particular interesse na curva: a quese estende de O at VCESAT, a de Vce satat BVCEO e a regio alm de BVCEO.


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A regio compreendida entre O e VCESAT chamada regio desaturao, pois nela os transistores funcionam como chave eletrnica. Ofuncionamento na regio de saturao ser feito um pouco mais frente emnosso estudo. Por ora dizemos que, nela, a relao IC=.IB no mais vlida,pois a corrente de coletor passa a depender muito mais da fonte Vcc e Rcdo queda prpria corrente de base, O nome saturao tem o sentido de cheio, repleto,

farto e estagnado, e caracteriza a perda de controle da corrente da base na decoletor. Essa perda de proporcionalidade IC passa a no aumentar comrespectivos aumentos em IB. Aspecto interessante: a regio saturao estvinculada polarizao reversa do diodo coletor! Discutiremos mais acerca disso.

A regio situada entre Vcesat e BVceo a regio ativa. Ela caracterizada pela polarizao reversa do diodo coletor e por obtermospraticamente os mesmos valores de IC para qualquer valor de Vce pertencente aesta faixa.

A regio acima de BVceo a regio de ruptura. L o transistor estprestes ou na iminncia de ser destrudo. O diodo coletor polarizadoreversamente o responsvel por ela. Isso no chega a ser um infortnio, pois afaixa de Vce dos transistores comerciais ampla e escolhida pelo usurio.

A seguir temos o resultado de vrias correntes de base fixadas e demedies sucessivas de Ic e de Vce: a famlia de curvas do coletor.

Especificaes de um TBJ

Pretendemos, aqui, apresentar algumas especificaes teis dotransistor bipolar. Deixamos claro que o uso do manual do fabricante ou Databook de vital importncia e que o aluno no deve se contentar em saber apenas asespecificaes que apresentaremos. O quadro abaixo apresenta as principaiscaractersticas de um TBJ com a descrio de cada uma.

Parmetro Descrio (o fabricante pode fornecer valores mnimos, tpicosou parmetro mximos)

IB Corrente de base

IC Corrente de coletorIE Corrente de emissorPD Potncia dissipada

Vceo Tenso de coletor ao emissor com a base abertaVcbo Tenso de coletor base com emissor abertoVebo Tenso de emissor base com o coletor aberto

P Fator de degradaoRthj Resistncia trmica da juno


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As trs primeiras especificaes so bvias. Especificar a potncia PD importante para evitar o inconveniente de destruir o transistor por excessivadissipao de calor. Matematicamente, podemos encontr-la por:

P=VCE.ICEsta no toda a potncia que o transistor dissipa, mas est prxima

dela, pois as componentes da potncia dissipada nos diodos emissor e coletor

so desprezveis em comparao com ela.As trs tenses: Vceo, Vcbo e Vebo so importantes na escolha do

transistor. Vceo e Vebo so boas aproximaes para as tenses de ruptura dosdiodos coletor e emissor, respectivamente.

Todas as especificaes de componentes eletrnicos so feitas adeterminadas temperaturas. P mede o fator de degradao da especificao depotncia medida que nos distanciamos das temperaturas ideais defuncionamento.

O ltimo parmetro importante para a escolha do irradiador de calor,visto que, em algumas circunstncias, a quantidade de calor gerada na junono trocada com o meio ambiente. Nestas circunstncias, o irradiador de calorbem dimensionado muitas vezes resolve o problema.

O modo de operao como chave

Outra aplicao fantstica do transistor a capacidade de operar comochave eletrnica. Isso feito imprimindo-se duas polarizaes iguais aos diodos,emissor e coletor. Estamos falando, ento, dos modos de polarizao direto-diretoe reverso-reverso. A seguir temos a apresentao das duas polarizaes daestrutura cristalina NPN:

Na polarizao direta-direta, ambos os diodos conduzem forados pela

polarizao das duas fontes. Vcce VBB polarizam diretamente os diodos coletor eemissor, respectivamente. As correntes ICe IE somam-se formando a corrente debase (o sentido mostrado j o convencional). O resultado mais expressivo podeser visualizado acima na analogia feita com diodos: a tenso VCE 0V, o quecorresponde a uma chave fechada entre os dois terminais, coletor (C) e emissor(E).

Na polarizao reversa, a barreira de potencial dos dois diodos (coletore emissor) assume o valor de Vcc e VBB nessa ordem. A corrente circulante, emqualquer um dos terminais, 0 A e a tenso resultante entre coletor e emissor a


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