Apostila de Eletronica Basica

DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRNICA

EELLEETTRRNNIICCAA

ELETRNICA 2

NDICE

1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAO 4 1.1 FSICA DOS SEMICONDUTORES 4

A ESTRUTURA DO TOMO 4 ESTUDO DO SEMICONDUTORES 4

1.2 DIODO 7 POLARIZAO DO DIODO 8 CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODO 8 RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE 10

1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO 11

1.4 APROXIMAES DO DIODO 12

1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA 14 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 16 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 17 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 19

1.6 CAPACITOR 20

1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR 24

1.8 DIODO ZENER 26 CORRENTE MXIMA NO ZENER 27 REGULADOR DE TENSO COM ZENER 28 CLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. 28

1.9 CIRCUITO COM DIODOS 29 MULTIPLICADORES DE TENSO 29 LIMITADORES 30 GRAMPEADOR CC 32

1.10 EXERCCIOS 32

2 TRANSISTOR BIPOLAR 39 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES 39

POLARIZAO DO TRANSISTOR NPN 40 TRANSISTOR PNP 42 AS CORRENTES NO TRANSISTOR 42 MONTAGEM BSICA COM TRANSISTOR 43

3 POLARIZAO DE TRANSISTORES 47 3.1 RETA DE CARGA 47

3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE 49

3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE 50

3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR 51 CIRCUITOS DE POLARIZAO EM EMISSOR COMUM 51 POLARIZAO POR DIVISOR DE TENSO 51 REGRAS DE PROJETO 52

3.5 EXERCCIOS 53

4 AMPLIFICADORES DE SINAL 55

Colgio Tcnico de Campinas ELETRNICA 3

4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM 55 TEOREMA DA SUPERPOSIO PARA AMPLIFICADORES 57 CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC. 57 RESISTNCIA CA DO DIODO EMISSOR 58 CA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA 60

4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO 60

4.3 REALIMENTAO 63

4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL 63 IMPEDNCIA DE ENTRADA 65 ESTGIOS EM CASCATA 66

4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM 68

4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM 70 IMPEDNCIA DE ENTRADA 71

4.7 EXERCCIOS 73

5 AMPLIFICADORES DE POTNCIA 76 5.1 CLASSE A 76

5.2 CLASSE B 78

5.3 CLASSE AB 80

6 OSCILADOR DE BAIXA FREQNCIA 81 6.1 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE 82

7 TRANSISTORES ESPECIAIS 83 7.1 JFET 83

POLARIZAO DE UM JFET 83 TRANSCONDUTNCIA 87 AMPLIFICADOR FONTE COMUM 88 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL 89 AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE 89

7.2 MOSFET 90 MOSFET DE MODO DEPLEO 90 MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAO 91

7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR PTICO 92

7.4 EXERCCIOS 93

8 REFERNCIA BIBLIOGRFICA 96


11 DDIIOODDOO SSEEMMIICCOONNDDUUTTOORR EE RREETTIIFFIICCAAOO

1.1 FSICA DOS SEMICONDUTORES

A ESTRUTURA DO TOMO

O tomo formado basicamente por 3 tipos de partculas elementares: Eltrons, prtons e nutrons. A carga do eltron igual a do prton, porm de sinal contrrio. Os eltrons giram em torno do ncleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de at sete camadas. Em cada tomo, a camada mais externa chamada de valncia, e geralmente ela que participa das reaes qumicas Todos os materiais encontrados na natureza so formados por diferentes tipos de tomos, diferenciados entre si pelo seus nmeros de prtons, eltrons e nutrons. Cada material tem uma infinidade de caractersticas, mas uma especial em eletrnica o comportamento passagem de corrente. Pode-se dividir em trs tipos principais:

MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE So materiais que no oferecem resistncia a passagem de corrente eltrica. Quanto menor for a oposio a passagem de corrente, melhor condutor o material. O que caracteriza o material bom condutor o fato de os eltrons de valncia estarem fracamente ligados ao tomo, encontrando grande facilidade para abandonar seus tomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um eltron na camada de valncia tem facilidade de ced-lo para ganhar estabilidade. O eltron cedido pode tornar-se um eltron livre.

MATERIAIS ISOLANTES So materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem da corrente eltrica. Os eltrons de valncia esto rigidamente ligados aos seu tomos, sendo que poucos eltrons conseguem desprender-se de seus tomos para se transformarem em eltrons livres. Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substncias compostas (borracha, mica, baquelita, etc.).

MATERIAL SEMICONDUTOR Materiais que apresentam uma resistividade eltrica intermediria. Como exemplo temos o germnio e silcio

ESTUDO DO SEMICONDUTORES

Os tomos de germnio e silcio tem uma camada de valncia com 4 eltrons. Quando os tomos de germnio (ou silcio) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, so substncias cujos tomos se posicionam no espao, formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada tomo une-se a quatro outros tomos vizinhos, por meio de ligaes covalentes, e cada um dos quatro eltrons de valncia de um tomo compartilhado com um tomo vizinho, de modo que dois tomos adjacentes compartilham os dois eltrons, ver Figura 1-1.


Figura 1-1

Se nas estruturas com germnio ou silcio no fosse possvel romper a ligaes covalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperatura algumas ligaes covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os eltrons das ligaes rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se eltrons livres.

Figura 1-2

Com a quebra das ligaes covalentes, no local onde havia um eltron de valncia, passa a existir uma regio com carga positiva, uma vez que o tomo era neutro e um eltron o abandonou. Essa regio positiva recebe o nome de lacuna, sendo tambm conhecida como buraco. As lacunas no tem existncia real, pois so apenas espaos vazios provocados por eltrons que abandonam as ligaes covalentes rompidas. Sempre que uma ligao covalente rompida, surgem, simultaneamente um eltron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um eltron preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligao covalente (processo de recombinao). Como tanto os eltrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o nmero de lacunas sempre igual a de eltrons livres. Quando o cristal de silcio ou germnio submetido a uma diferena de potencial, os eltrons livres se movem no sentido do maior potencial eltrico e as lacunas por conseqncia se movem no sentido contrrio ao movimento dos eltrons.

IMPUREZAS Os cristais de silcio (ou germnio. Mas no vamos considera-lo, por simplicidade e tambm porque o silcio de uso generalizado em eletrnica) so encontrados na natureza misturados com outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as


caractersticas destes cristais feito um processo de purificao do cristal e em seguida injetado atravs de um processo controlado, a insero proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 tomos do cristal, com a inteno de se alterar produo de eltrons livres e lacunas. A este processo de insero d-se o nome de dopagem. As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos: impureza doadoras e impurezas aceitadoras.

IMPUREZA DOADORA So adicionados tomos pentavalentes (com 5 eltrons na camada de valncia. Ex.: Fsforo e Antimnio). O tomo pentavalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligaes covalentes, e fica um eltron fracamente ligado ao ncleo do pentavalente (uma pequena energia suficiente para se tornar livre).

Figura 1-3

IMPUREZA ACEITADORA So adicionados tomos trivalentes (tem 3 eltrons na camada de valncia. Ex.: Boro, alumnio e glio). O tomo trivalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal absorvendo trs das suas quatro ligaes covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na rbita de valncia de cada tomo trivalente.

Figura 1-4

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de eltrons livres ou excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:

SEMICONDUTOR TIPO N O cristal que foi dopado com impureza doadora chamado semicondutor tipo n, onde n est relacionado com negativo. Como os eltrons livres excedem em nmero as lacunas


num semicondutor tipo n, os eltrons so chamados portadores majoritrios e as lacunas, portadores minoritrios.

SEMICONDUTOR TIPO P O cristal que foi dopado com impureza aceitadora chamado semicondutor tipo p, onde p est relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em nmero os eltrons livres num semicondutor tipo p, as lacunas so chamadas portadores majoritrios e os eltrons livres, portadores minoritrios.

1.2 DIODO

A unio de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtm-se uma juno pn, que um dispositivo de estado slido simples: o diodo semicondutor de juno.

Figura 1-5

Devido a repulso mtua os eltrons livres do lado n espalham-se em todas direes, alguns atravessam a juno e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o tomo associado torna-se carregado negativamente. (um on negativo)

Figura 1-6

Cada vez que um eltron atravessa a juno ele cria um par de ons. Os ions esto fixo na estrutura do cristal por causa da ligao covalente. medida que o nmero de ions aumenta, a regio prxima juno fica sem eltrons livres e lacunas. Chamamos esta regio de camada de depleo. Alm de certo ponto, a camada de depleo age como uma barreira impedindo a continuao da difuso dos eltrons livres. A intensidade da camada de depleo aumenta com cada eltron que atravessa a juno at que se atinja um equilbrio. A diferena de potencial atravs da camada de depleo chamada de barreira de potencial. A 25, esta barreira de 0,7V para o silcio e 0,3V para o germnio. O smbolo mais usual para o diodo mostrado a seguir:

Catodo material tipo n

Anodo material tipo p


POLARIZAO DO DIODO

Polarizar um diodo significa aplicar uma diferena de potencial s suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, h uma polarizao direta se o plo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o plo negativo em contato com o material tipo n.

POLARIZAO DIRETA No material tipo n os eltrons so repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para a juno. No material tipo p as lacunas tambm so repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na juno, e isto diminui a camada de depleo. Para haver fluxo livre de eltrons a tenso da bateria tem de sobrepujar o efeito da camada de depleo.

POLARIZAO REVERSA Invertendo-se as conexes entre a bateria e a juno pn, isto , ligando o plo positivo no material tipo n e o plo negativo no material tipo p, a juno fica polarizada inversamente. No material tipo n os eltrons so atrados para o terminal positivo, afastando-se da juno. Fato anlogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleo, tornando praticamente impossvel o deslocamento de eltrons de uma camada para outra.

CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODO

A curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor da tenso aplicada com a respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo.

POLARIZAO DIRETA

Figura 1-7 Figura 1-8 Nota-se pela curva que o diodo ao contrrio de, por exemplo, um resistor, no um componente linear. A tenso no diodo uma funo do tipo:

U R I kTq

ln II

1FS

= + +

Eq. 1- 1

TENSO DE JOELHO Ao se aplicar a polarizao direta, o diodo no conduz intensamente at que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os eltrons livres e as lacunas comeam a atravessar a juno em grandes quantidades. A tenso para a qual a corrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho. ( No Si aprox. 0,7V).


POLARIZAO REVERSA DO DIODO

Figura 1-9 Figura 1-10 o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente eltrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tenso reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tenso de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente.

* Salvo o diodo feito para tal, os diodos no podem trabalhar na regio de ruptura.

GRFICO COMPLETO.

Figura 1-11

ESPECIFICAES DE POTNCIA DE UM DIODO Em qualquer componente, a potncia dissipada a tenso aplicada multiplicada pela corrente que o atravessa e isto vale para o diodo:

IUP = Eq. 1- 2


No se pode ultrapassar a potncia mxima, especificada pelo fabricante, pois haver um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potncia mxima ou corrente mxima suportada por um diodo. Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW 1N4001 - IMAX = 1A Usualmente os diodos so divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais (potncia especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 0,5W).

RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tenso aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor usado em srie com o diodo para limitar a corrente eltrica que passa atravs deles. RS chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS .

RETA DE CARGA Sendo a curva caracterstica do diodo no linear, torna-se complexo determinar atravs de equaes o valor da corrente e tenso sobre o diodo e resistor. Um mtodo para determinar o valor exato da corrente e da tenso sobre o diodo, o uso da reta de carga. Baseia-se no uso grfico das curvas do diodo e da curva do resistor. Na Figura 1-12, a corrente I atravs do circuito a seguinte:

I UR

U UR

R

S

S D

S

= =

Eq. 1- 3

No circuito em srie a corrente a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados a tenso da fonte e a resistncia RS, ento so desconhecidas a corrente e a tenso sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 100, ento:

mA20U*01,0100

U2I DD +=

= Eq. 1- 4

Se UD=0V ! I=20mA. Esse ponto chamado de ponto de saturavalor que a corrente pode assumir. E se I=0A !UD=2V. Esse ponto chamado corte, pois representa a atravessa o resistor e o diodo. A Eq. 1-4 indica uma relao linear entre a corrente e a tenso ( y = esta curva com a curva do diodo tem-se:

Figura 1-12 o, pois o mximo

corrente mnima que

ax + b). Sobrepondo


Figura 1-13

(I=0A,U=2V) - Ponto de corte !Corrente mnima do circuito (I=20mA,U=0V) - Ponto de saturao !Corrente mxima do circuito (I=12mA,U=0,78V) - Ponto de operao ou quiescente!Representa a corrente atravs do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe uma tenso de 0,78V.

1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO

O diodo emissor de luz (LED) um diodo que quando polarizado diretamente emite luz visvel (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao contrrio dos diodos comuns no feito de silcio, que um material opaco, e sim, de elementos como glio, arsnico e fsforo. amplamente usada em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tenso de acionamento e boa resposta em circuitos de chaveamento. A polarizao do LED similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em srie com um resistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 1-14. o LED esquematizado como um diodo comum com seta apontando para fora como smbolo de luz irradiada. A corrente que circula no LED :

RVV

I DSD

= Eq. 1- 5

Para a maioria dos LEDs disponveis no mercado, a queda de tenso tpica de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA.

FOTODIODO um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que sensvel a luz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente reversa Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadores minoritrios. Esses portadores existem porque a energia trmica entrega energia suficiente para alguns eltrons de valncia sarem fora de suas rbitas, gerando eltrons livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando uma energia luminosa incide numa juno pn, ela injeta mais energia ao eltrons de valncia e com isto gera mais eltrons livres. Quanto mais intensa for a luz na juno, maior ser corrente reversa num diodo.

Figura 1-14


1.4 APROXIMAES DO DIODO

ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessrio conhecer a curva do diodo, mas dependendo da aplicao pode-se fazer aproximaes para facilitar os clculos.

1 APROXIMAO (DIODO IDEAL) Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta.

I

U

sentido direto

sentido reverso

Figura 1-15

2 APROXIMAO Leva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir.

I

U

sentido direto

sentido reverso

0 7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-16

Pensa-se no diodo como uma chave em srie com uma bateria de 0,7V.

3 APROXIMAO Na terceira aproximao considera a resistncia interna do diodo.


I

U

sentido direto

sentido reverso

0,7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-17

Obs.:. Ao longo do curso ser usada a 2 aproximao. Exemplo 1-1 Utilizar a 2 aproximao para determinar a corrente do diodo no circuito da Figura 1-18: SOL.: O diodo est polarizado diretamente, portanto age como uma chave fechada em srie com uma bateria.

I IUR

U UR k

mAD RSRS

S

S D

S

= = =

=

=

10 0 75

186, ,

RESISTNCIA CC DE UM DIODO a razo entre a tenso total do diodo e a corrente total do diodo. Pode-se considerar dois casos: RD - Resistncia cc no sentido direto RR - Resistncia cc no sentido reverso

RESISTNCIA DIRETA a resistncia quando aplicada uma tenso no sentido direto sobre o diodo. varivel, pelo fato do diodo ter uma resistncia no linear. Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tenso de 0,65V entre seus terminais existir uma corrente I=10mA. Caso a tenso aplicada seja de 0,75V a corrente correspondente ser de 30mA. Por ltimo se a tenso for de 0,85V a corrente ser de 50mA. Com isto pode-se calcular a resistncia direta para cada tenso aplicada:

RD1 = 0,65/10mA = 65

RD2 = 0,75/30mA = 25

RD3 = 0,85/50mA = 17 Nota-se que a resistncia cc diminu com o aumento da tenso

RESISTNCIA REVERSA Tomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tenso de -20V a corrente ser de 25nA, enquanto uma tenso de -75V implica numa corrente de 5A. A resistncia reversa ser de:

RS1 = 20/25nA = 800M

Figura 1-18


RS2 = 75/5A = 15M A resistncia reversa diminui medida que se aproxima da tenso de ruptura.

1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA

comum em circuitos eletrnicos o uso de baterias de alimentao. Devido ao alto custo de uma bateria se comparado com a energia eltrica, torna-se necessrio a criao de um circuito que transforme a tenso alternada de entrada em uma tenso contnua compatvel com a bateria. O diodo um componente importante nesta transformao. que se ver neste item.

ONDA SENOIDAL A onda senoidal um sinal eltrico bsico. Sinais mais complexos podem ser representados por uma soma de sinais senoidais.

Figura 1-19

A equao que representa a curva da Figura 1-19 a seguinte:

U U senP= Eq. 1-6

onde: U ! tenso instantnea Up ! tenso de pico

Algumas maneiras de se referir aos valores da onda: Valor de pico UP ! Valor mximo que a onda atinge Valor de pico a pico ( UPP ) ! Diferena entre o mximo e mnimo que a onda atinge Upp = Up - (- Up ) = 2 Up Valor eficaz ( URMS) ( Root Mean Square) O valor rms valor indicado pelo voltmetro quando na escala ca. O valor rms de uma onda senoidal, definido como a tenso cc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que:

VRMS = 0,707 Up Eq. 1-7 Valor mdio O valor mdio quantidade indicada em um voltmetro quando na escala cc. O valor mdio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo zero. Isto porque cada valor da primeira metade do ciclo, tem um valor igual mas de sinal contrrio na segunda metade do ciclo.


O TRANSFORMADOR As fontes de tenses utilizadas em sistemas eletrnicos em geral so menores que 30VCC enquanto a tenso de entrada de energia eltrica costuma ser de 127VRMS ou 220VRMS. Logo preciso um componente para abaixar o valor desta tenso alternada. O componente utilizado o transformador. O transformador a grosso modo constitudo por duas bobinas (chamadas de enrolamentos). A energia passa de uma bobina para outra atravs do fluxo magntico. Abaixo um exemplo de transformador:

Figura 1-20

A tenso de entrada U1 est conectada ao que se chama de enrolamento primrio e a tenso de sada ao enrolamento secundrio. No transformador ideal:

UU

= NN

2

1

2

1

Eq. 1-8

Onde: U1 tenso no primrio U2 tenso no secundrio N1 nmero de espiras no enrolamento primrio N2 nmero de espiras no enrolamento secundrio

A corrente eltrica no transformados ideal :

II

=NN

1

2

2

1

Eq. 1-9

Exemplo 1-2 Se a tenso de entrada for 115 VRMS, a corrente de sada de 1,5ARMS e a relao de espiras 9:1. Qual a tenso no secundrio em valores de pico a pico? E a corrente eltrica no primrio? SOL.

UU

= NN

2

1

2

1

!U115

= 19

2 ! U2 = 12,8 VRMS

U2PP=12,8/0,707=18VPP

II

=NN

1

2

2

1

!I

1,5= 1

91 !I1 = 0,167ARMS

obs.: a potncia eltrica de entrada e de sada num transformador ideal so iguais. P=U*I=115*0,167=12,8*1,5=19,2W


RETIFICADOR DE MEIA ONDA

O retificador de meia onda converte a tenso de entrada (USECUNDRIIO ) ca numa tenso pulsante positiva UR. Este processo de converso de AC para cc, conhecido como retificao. Na Figura 1-21 mostrado um circuito de meia onda.

Figura 1-21

Considerando o diodo como ideal, as curvas so as mostrada na Figura 1-22. A sada do secundrio tem dois ciclos de tenso: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclo positivo o diodo est ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei das malhas toda a tenso do secundrio incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo est polarizado reversamente e no h corrente circulando no circuito. Sem corrente eltrica circulando implica em no ter tenso sob o resistor e toda a tenso do secundrio fica no diodo. Este circuito conhecido como retificador de meio ciclo porque s o semiciclo positivo aproveitado na retificao.

Figura 1-22

O resistor R indicado no circuito representa a carga hmica acoplada ao retificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo e normalmente ele chamado de resistor de carga ou simplesmente de carga.

VALOR CC OU VALOR MDIO A tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro dado por:


VCC = 0.318 UP diodo ideal Eq. 1-10

VCC = 0.318 (UP - V) diodo 2 aproximao Eq. 1-11

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

A Figura 1-23 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central no enrolamento secundrio. Por causa dessa tomada, o circuito equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tenso do secundrio, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tenso do secundrio.

Figura 1-23

As duas tenses denominadas de U2/2 na Figura 1-23 so idnticas em amplitude e fase. O transformador ideal pode ser, portanto, substitudo por duas fontes de tenso idnticas, como mostra a Figura 1-23 direita, sem alterao no funcionamento eltrico da rede. Quando U2/2 positiva, D1 est diretamente polarizado e conduz mas D2 est reversamente polarizado e cortado. Analogamente, quando U2/2 negativa, D2 conduz e D1 cortado. Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tenso sobre o resistor de carga mostrada na Figura 1-24.

VALOR CC OU VALOR MDIO A tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro similar o do retificador de meia onda com a observao de que agora tem-se um ciclo completo e o valor ser o dobro. dado por: VCC = 2*0.318 (UP/2) = 0,318UP diodo ideal Eq. 1-12

VCC = 0.636 (UP/2 - V) diodo 2 aproximao Eq. 1-13

FREQNCIA DE SADA A freqncia de sada de onda completa o dobro da freqncia de entrada, pois a definio de ciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo quando ela


comea a repeti-lo. Na Figura 1-24, a forma de onda retificada comea a repetio aps um semiciclo da tenso do secundrio. Supondo que a tenso de entrada tenha uma freqncia de 60Hz, a onda retificada ter uma freqncia de 120Hz e um perodo de 8,33ms.

Figura 1-24


RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Na Figura 1-25 mostrado um retificador de onda completa em ponte. Com o uso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador. Durante o semiciclo positivo da tenso U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem, D1 e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tenso U2. Durante o semiciclo negativo da tenso U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido inverso da polaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado.

Figura 1-25

A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portanto a tenso UR sempre positiva. Na Figura 1-26 mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais. Na Tabela 1-1 feito uma comparao entre os trs tipos de retificadores. Para diodos ideais.

Tabela 1-1

MEIA ONDA ONDA COMPLETA PONTE

N. de Diodos 1 2 4

Tenso Pico de Sada UP 0,5UP UP

Tenso cc de Sada 0,318 UP 0,318 UP 0,636 UP

Tenso Pico Inversa no Diodo UP UP UP

Freqncia de Sada fent 2 fent 2 fent

Tenso de sada (rms) 0,45 UP 0,45 UP 0,9 UP


Figura 1-26

1.6 CAPACITOR

Componente eletrnico, constitudo por duas placas condutoras, separadas por um material isolante.

Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haver uma distribuio de cargas e aps um certo tempo as tenses na bateria e no capacitor sero as mesmas. E deixa de circular corrente eltrica.


Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas eltricas acumuladas permanecem no capacitor, e portanto mantida a diferena de potencial no capacitor.

O capacitor pode armazenar carga eltrica. O capacitor se ope a variao de tenso eltrica. A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da sua capacitncia.

C Sd

=

. Eq. 1-15

onde:

= constante dieltrica (F/m) S = rea de uma das placas (so iguais) (m2) d = Espessura do dieltrico em metro (m) C = Capacitncia em Farads (F)

em geral se usa submultiplos do Farad: F, nF, pF

DETALHES SOBRE OS CAPACITORES

TIPOS DE CAPACITORES papel cermica mica eletroltico tntalo varivel (distncia / rea) !(Padder; Trimmer)

DISPOSIO DAS PLACAS


CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR Suponha que o capacitor esteja descarregado e em t=0s a chave do circuito abaixo fechada.

As tenses no capacitor e resistor seguem as seguintes equaes:

VC=U*(1-e-t/) Eq. 1-16

VR=U*e-t/ Eq. 1-17

onde =RC e chamada de constante de tempo do circuito.

Quando t=, a tenso no capacitor atinge 63% da tenso da fonte

CIRCUITOS COM CAPACITOR E RESISTOR Resistor em srie com o capacitor


Resistor em paralelo com o capacitor

Resistor em srie com capacitor e com um gerador de onda quadrada


1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR

A tenso de sada de um retificador sobre um resistor de carga pulsante como mostrador por exemplo na Figura 1-26. Durante um ciclo completo na sada, a tenso no resistor aumenta a partir de zero at um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tenso de uma bateria deve ser estvel. Para obter esse tipo de tenso retificada na carga, torna-se necessrio o uso de filtro. O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores o filtro com capacitor mostrado na Figura 1-27. O capacitor colocado em paralelo ao resistor de carga. Para o entendimento do funcionamento do filtro supor o diodo como ideal e que, antes de ligar o circuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quarto de ciclo da tenso no secundrio, o diodo est diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundrio ao capacitor, ele carrega at o valor da tenso de pico UP.

Figura 1-27

Figura 1-28

Logo aps o pico positivo, o diodo pra de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tenso de pico UP. Como a tenso no secundrio ligeiramente menor que UP, o diodo fica reversamente polarizado e no conduz. Com o diodo aberto, o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga. A idia do filtro a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o perodo do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perder somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte. O diodo s voltar a conduzir no momento em que a tenso no secundrio iniciar a subir e seja igual a tenso no capacitor. Ele conduzir deste ponto at a tenso no secundrio atingir o valor de pico UP. O intervalo de conduo do diodo chamado de ngulo de conduo do diodo. Durante o ngulo de conduo do diodo, o capacitor carregado novamente at UP . Nos retificadores sem filtro cada diodo tem um ngulo de conduo de 180.


Na Figura 1-28 mostrada na tenso sob a carga. A tenso na carga agora uma tenso cc mais estvel. A diferena para uma tenso cc pura uma pequena ondulao (Ripple) causada pela carga e descarga do capacitor. Naturalmente, quanto menor a ondulao, melhor. Uma forma de reduzir a ondulao aumentar a constante de tempo de descarga (R.C). Na prtica aumentar o valor do capacitor. Outra forma de reduzir a ondulao optar pelo uso de um retificador de onda completa, no qual a freqncia de ondulao o dobro do meia onda. Neste caso carregado duas vezes a cada ciclo da tenso de entrada e descarrega-se s durante a metade do tempo de um meia onda. Pode-se relacionar a tenso de ondulao na seguinte frmula:

fCIUOND = Eq. 1-18

onde: UOND = tenso de ondulao pico a pico I = corrente cc na carga f = freqncia de ondulao C = capacitncia

A escolha de um capacitor de filtro, depende, ento, do valor da tenso de ondulao. Quanto menor, melhor. Mas no vivel que a tenso de ondulao seja zero. Como regra de projeto, o habitual escolher a tenso de ondulao como sendo 10% da tenso de pico do sinal a ser retificado.

CORRENTE DE SURTO (IMPULSIVA) Instantes antes de energizar o circuito retificador, o capacitor do filtro est descarregado. No momento em que o circuito ligado, o capacitor se aproxima de um curto. Portanto, a corrente inicial circulando no capacitor ser muito alta. Este fluxo alto de corrente chamado corrente de surto. Neste momento o nico elemento que limita a carga a resistncia dos enrolamentos e a resistncia interna dos diodos. O pior caso, o capacitor estar totalmente descarregado e o retificador ser ligado no instante em que a tenso da linha mxima. Assim a corrente ser:

DIODOOENROLAMENT

PSURTO RR

UI

+= Eq. 1-19

Esta corrente diminui to logo o capacitor v se carregando. Em um circuito retificador tpico, a corrente de surto no uma preocupao. Mas, quando a capacitncia for muito maior do que 1000uF, a constante de tempo se torna muito grande e pode levar vrios ciclos para o capacitor se carregar totalmente. Isto tanto pode danificar os diodos quanto o capacitor. Um modo de diminuir a corrente de surto incluir um resistor entre os diodos e o capacitor. Este resistor limita a corrente de surto porque ele somado ao enrolamento e resistncia interna dos diodos. A desvantagem dele , naturalmente, a diminuio da tenso de carga cc.


1.8 DIODO ZENER

O diodo zener um diodo construdo especialmente para trabalhar na tenso de ruptura. Abaixo mostrado a curva caracterstica do diodo zener e sua simbologia.

O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente. Mas ao contrrio de um diodo convencional, ele suporta tenses reversas prximas a tenso de ruptura. A sua principal aplicao a de conseguir uma tenso estvel (tenso de ruptura). Normalmente ele est polarizado reversamente e em srie com um resistor limitador de corrente. Graficamente possvel obter a corrente eltrica sob o zener com o uso de reta de carga.


DIODO ZENER IDEAL O zener ideal aquele que se comporta como uma chave fechada para tenses positivas ou tenses negativas menores que VZ . Ele se comportar como uma chave aberta para tenses negativas entre zero e VZ . Veja o grfico abaixo

SEGUNDA APROXIMAO Uma Segunda aproximao considera-lo como ideal mas que a partir da tenso de ruptura exista uma resistncia interna.

CORRENTE MXIMA NO ZENER

ZZZ I*VP =

Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificao de potncia mxima de 400mW, qual ser a corrente mxima permitida? SOL.:

mA33,33V12mW400I ZMXIMA ==

Este zener suporta at 33,3mA.


REGULADOR DE TENSO COM ZENER

Objetivo: manter a tenso sobre a carga constante e de valor Vz.

Tenso na carga

enquanto o diodo cortado

SLS

LRL V*RR

RV

+= Eq. 1-20

Com o diodo conduzindo reversamente VRL=VZ Eq. 1- 21

Corrente sob RS.

S

ZSS R

VVI

= Eq. 1- 22

sob RL IL=VZ/RL Eq. 1- 23

sob o zener IS=IZ+IL ! IZ=IS - IL Eq. 1- 24

Tenso de Ripple na carga (VL) Considerando RZ


ZMAXLMIN

ZSMAXS II

VVR

+

> Eq. 1- 26

garante que sob o zener no circule uma corrente maior que IZMAX Exemplo 1-4: Um regulador zener tem uma tenso de entrada de 15V a 20V e a corrente de carga de 5 a 20mA. Se o zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS? SOL.:

RS (20-6,8)/(5m+40m)=293 293


DOBRADOR DE TENSO DE ONDA COMPLETA

TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSO

LIMITADORES

Retira tenses do sinal acima ou abaixo de um dado nvel.

Serve para mudar o sinal ou para proteo.


LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR)

LIMITADOR POLARIZADO

ASSOCIAO DE LIMITADORES

USO COMO PROTEO DE CIRCUITOS

1N914 conduz quando a tenso de entrada excede a 5,7V.

Este circuito chamado grampo de diodo, porque ele mantm o sinal num nvel fixo.


GRAMPEADOR CC

O grampeador cc soma uma tenso cc ao sinal (no confundir com grampo de diodo). Por exemplo, se o sinal que chega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc positivo produziria uma sada que idealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador negativo produziria uma sada entre 0 e -20V).

1.10 EXERCCIOS

Ex. 1-1)Num dado circuito, quando um diodo est polarizado diretamede 50mA. Quando polarizado reversamente, a corrente cai para 20nAa corrente direta e a reversa? Ex. 1-2)Qual a potncia dissipada num diodo de silcio com polarizade diodo for de 0,7V e a corrente de 100mA?

Ex. 1-3)Faa o grfico I*V de um resistor de 2k. marque o ponto onde a corrente de 4mA. Ex. 1-4)Suponha VS=5V e que a tenso atravs do diodo seja 5V. O diodo est aberto ou em curto? Ex. 1-5)Alguma faz com que R fique em curto no circuito ao lado. Qual ser a tenso do diodo? O que acontecer ao diodo? Ex. 1-6)Voc mede 0V atravs do diodo do circuito ao lado. A seguir da fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relao ao terra (-). Ocom o circuito?

nte, sua corrente . Qual a razo entre

o direta se a tenso

voc testa a tenso que h de errado


I(mA)

100

50

.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 V Ex. 1-7)Uma fonte de tenso de 2,5V leva o diodo a Ter um resistor limitador de corrente de 25. Se o diodo tiver a caracterstica I*V abaixo, qual a corrente na extremidade superior da linha de carga: a tenso na extremidade mais baixa da linha de carga? Quais os valores aproximados da tenso e da corrente no ponto Q?

Ex. 1-8)Repita o exerccio anterior para uma resistncia de 50. Descreva o que acontece com a linha de carga. Ex. 1-9)Repita o Ex. 1-7 para uma fonte de tenso de 1,5V. o que acontece com a linha de carga? Ex. 1-10)Um diodo de silcio tem uma corrente direta de 50mA em 1V. Utilize a terceira aproximao para calcular sua resistncia de corpo.

Ex. 1-11)A tenso da fonte de 9V e da resistncia da fonte de 1k. Calcule a corrente atravs do diodo

Ex. 1-12)No circuito acima, a tenso da fonte de 100V e a resistncia da fonte de 220. Quais os diodos relacionados abaixo podem ser utilizados?

Diodo Vruptura IMX


1N914 75V 200mA

1N4001 50V 1A

1N1185 120V 35A

Ex. 1-13)E se eu inverter a polaridade da fonte? Ex. 1-14)No circuito acima qual dever ser o valor de R para se obter uma corrente de diodo de 10mA? (suponha VS=5V) Ex. 1-15)Alguns sistemas como alarme contra roubo, computadores, etc. utilizam uma bateria auxiliar no caso da fonte de alimentao principal falhar. Descreva como funciona o circuito abaixo.

Ex. 1-16)Encontre a capacitncia de um capacitor de placas paralelas se a dimenso de cada placa retangular de 1x0,5 cm, a distncia entre as placas 0,1mm e o dieltrico o ar. Depois, encontre a capacitncia tendo a mica como dieltrico.

Ar=8,85x10-12 F/m mica=5xar Vidro=7,5xar cermica=7500xar

Ex. 1-17)Encontre a distncia entre as placas de um capacitor de 0,01F de placas paralelas, se a rea de cada placa 0,07 m2 e o dieltrico o vidro. Ex. 1-18)Um capacitor possui como dieltrico um disco feito de cermica com 0,5 cm de dimetro e 0,521 mm de espessura. Esse disco revestido dos dois lados com prata, sendo esse revestimento as placas. Encontre a capacitncia. Ex. 1-19)Um capacitor de placas paralelas de 1 F possui um dieltrico de cermica de 1mm de espessura. Se as placas so quadradas, encontre o comprimento do lado de uma placa. Ex. 1-20)No instante t=0s, uma fonte de 100V conectada a um circuito srie formado por um resistor de 1k e um capacitor de 2F descarregado. Qual :

A tenso inicial do capacitor?

A corrente inicial?

tempo necessrio para o capacitor atingir a tenso de 63% do seu valor mximo? Ex. 1-21)Ao ser fechada, uma chave conecta um circuito srie formado por uma fonte de 200V, um resistor de 2M e um capacitor de 0,1F descarregado. Encontre a tenso no capacitor e a corrente no instante t=0,1s aps o fechamento da chave. Ex. 1-22)Para o circuito usado no problema 6, encontre o tempo necessrio para a tenso no capacitor atingir 50V. Depois encontre o tempo necessrio para a tenso no capacitor aumentar mais 50V (de 50V para 100V). Compare os resultados. Ex. 1-23)Um simples temporizador RC possui uma chave que quando fechada conecta em srie uma fonte de 300V, um resistor de 16M e um capacitor descarregado de 10F. Encontre o tempo entre a abertura e o fechamento.

15v fonte

carga

12V


Ex. 1-24)Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada, tem uma tenso de pico na sada de 25V. Se a resistncia de carga for de 220 e a capacitncia de 500F, qual a ondulao de pico a pico (Ripple)? Ex. 1-25)A figura abaixo mostra uma fonte de alimentao dividida. Devido derivao central aterrada, as tenses de sada so iguais e com polaridade oposta. Quais as tenses de sada para uma tenso do secundrio de 17,7Vac e C=500F? Qual a ondulao de pico a pico? Quais as especificaes mnima de ID e VZ ? qual a polaridade de C1 e C2?

Ex. 1-26)Voc mede 24Vac atravs dos secundrio da figura abaixo. Em seguida voc mede 21,6Vac atravs do resistor de carga. Sugira alguns problemas possveis.

Ex. 1-27)Voc est construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada. As especificaes so uma tenso de carga de 15V e uma ondulao de 1V para uma resistncia de carga de 680. Qual a tenso em rms no enrolamento do secundrio? Qual deve ser o valor do capacitor de filtro? Ex. 1-28)A fonte de alimentao dividida da figura 1 tem uma tenso do secundrio de 25Vac. Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 por cento para a ondulao.


Ex. 1-29)A tenso do secundrio na figura abaixo de 25Vac. Com a chave na posio mostrada, qual a tenso de sada ideal? Com a chave na posio mais alta, qual a tenso de sada ideal?

Ex. 1-30)O ampermetro da figura abaixo tem uma resistncia de medidor de 2k e uma corrente para fundo de escala de 50A. Qual a tenso atravs desse ampermetro quando ele indicar fundo de escala? Os diodos s vezes so ligados em derivao (Shunted) atravs do ampermetro, como mostra a figura 4. Se o ampermetro estiver ligado em srie com um circuito, os diodos podem ser de grande utilidade. Para que voc acha que eles podem servir?

Ex. 1-31)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem um Rs=680 e um Rz=10. O segundo tem um Rs=1,2k e Rz=6. Se o Ripple da fonte for de 9V de pico a pico, qual Ripple na sada? Ex. 1-32)Na figura abaixo, o 1N1594 tem uma tenso de zener de 12V e uma resistncia zener de 1,4. Se voc medir aproximadamente 20V para a tenso de carga, que componente voc sugere que est com defeito? Explique por qu?

Ex. 1-33)Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificaes: tenso da carga de 6,8V, tenso da fonte de 20V !20%, e corrente de carga de 30mA !50%. Ex. 1-34) para VRL =4,7V e IZMAX=40mA. Quais valores VS pode assumir?


Ex. 1-35)No exerccio anterior qual a tenso na carga para cada uma das condies abaixo:

diodo zener em curto diodo zener aberto resistor em srie aberto resistor de carga em curto

O que ocorre com VL e com o diodo zener se o resistor em srie estiver em curto? Ex. 1-36)Qual o sinal de sada?

Ex. 1-37)Qual o sinal sob VL?

Ex. 1-38)Um regulador zener tem Vz = 15V e Izmax=100mA. VS pode variar de 22 a 40V. RL pode variar de 1k a 50k. Qual o maior valor que a resistncia srie pode assumir?

Ex. 1-39)Um diodo zener tem uma resistncia interna de 5. Se a corrente variar de 10 a 20mA, qual a variao de tenso atravs do zener? Ex. 1-40)Uma variao de corrente de 2mA atravs do diodo zener produz uma variao de tenso de 15mV. Qual o valor da resistncia? Ex. 1-41)Qual o valor mnimo de RS para o diodo no queimar (VZ=15V e PZMAX=0,5W)?


Ex. 1-42)no exerccio anterior, se RS= 2k, qual a corrente sobre o zener, e qual a potncia dissipada no zener?

Ex. 1-43)Qual o valor de Iz para RL= 100k, 10k e 1k?

Ex. 1-44)No exerccio anterior suponha que a fonte tenha um Ripple de 4V. Se a resistncia zener for de 10, qual o Ripple de sada? Ex. 1-45)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem uma resistncia em srie de 680 e um Rz=6. O segundo tem uma resistncia srie de 1k2 e Rz=6. Se a ondulao da fonte for 9V de pico a pico, qual a ondulao na sada?


22 TTRRAANNSSIISSTTOORR BBIIPPOOLLAARR

Existe uma infinidade de sinais de interesse em eletrnica que so muitos fracos, como por exemplo, as correntes eltricas que circulam no corpo humano, o sinal de sada de uma cabea de gravao, etc., e para transforma-los em sinais teis torna-se necessrio amplifica-los. Antes da dcada de 50, a vlvula era o elemento principal nesta tarefa. Em 1951, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvido a partir da tecnologia utilizada no diodo de juno, como uma alternativa em relao as vlvulas, para realizar as funes de amplificao, deteco, oscilao, comutao, etc. A partir da o desenvolvimento da eletrnica foi imenso. Dentre todos os transistores, o bipolar muito comum, com semelhanas ao diodo estudado anteriormente, com a diferena de o transistor ser formado por duas junes pn, enquanto o diodo por apenas uma juno.

2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES

O transistor bipolar constitudo por trs materiais semicondutor dopado. Dois cristais tipo n e um tipo p ou dois cristais tipo p e um tipo n. O primeiro chamado de transistor npn e o segundo de pnp. Na Figura 2-1 so mostrados de maneira esquemtica os dois tipos:

Figura 2-1

Cada um dos trs cristais que compe o transistor bipolar recebe o nome relativo a sua funo. O cristal do centro recebe o nome de base, pois comum aos outros dois cristais, levemente dopado e muito fino. Um cristal da extremidade recebe o nome de emissor por emitir portadores de carga, fortemente dopado e finalmente o ltimo cristal tem o nome de coletor por receber os portadores de carga, tem uma dopagem mdia. Apesar de na Figura 2-1 no distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre si no tamanho e dopagem. O transistor tem duas junes, uma entre o emissor a base, e outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a dois diodos. O diodo da esquerda comumente designado diodo emissor - base (ou s emissor) e o da direita de coletor - base (ou s coletor). Ser analisado o funcionamento do transistor npn. A anlise do transistor pnp similar ao do npn, bastando levar em conta que os portadores majoritrios do emissor so lacunas em vez dos eltrons livres. Na prtica isto significa tenses e correntes invertidas se comparadas com o npn.


TRANSISTOR NO POLARIZADO

Figura 2-2

A difuso dos eltrons livres atravs da juno produz duas camadas de depleo. Cada camada tem aproximadamente uma barreira potencial de 0,7V (silcio) em 25C. Com os diferentes nveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleo tem larguras diferentes. Tanto maior a largura quanto menor a dopagem. Ela penetra pouco na regio do emissor, bastante na base e mdio na regio do coletor. A

Figura 2-2 mostra as camadas de depleo nas junes do transistor npn.

POLARIZAO DO TRANSISTOR NPN

As junes do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamente.

JUNES COM POLARIZAO DIRETA Na Figura 2-3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo emissor, e a bateria B2 polariza diretamente o diodo coletor. Os eltrons livres entram no emissor e no coletor, juntam-se na base e retornam para as baterias. O fluxo de corrente eltrica alto nas duas junes.

Figura 2-3

JUNES COM POLARIZAO REVERSA Na Figura 2-4 os diodos emissor e coletor ficam reversamente polarizado. A corrente eltrica circulando pequena (corrente de fuga).


Figura 2-4

JUNES COM POLARIZAO DIRETA - REVERSA Na Figura 2-5 o diodo coletor est reversamente polarizado e diodo emissor diretamente polarizado. A princpio espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor e uma alta corrente no diodo emissor. No entanto isto no acontece, nos dois diodos as correntes so altas.

Figura 2-5

No instante em que a polarizao direta aplicada ao diodo emissor, os eltrons do emissor ainda no penetraram na regio da base. Se a tenso entre base e emissor (VBE) for maior que 0,7V, muitos eltrons do emissor penetram na regio da base. Estes eltrons na base podem retornar ao plo negativo da bateria B1, ou atravessar a juno do coletor passando a regio do coletor. Os eltrons que a partir da base retornam a bateria B1 so chamados de corrente de recombinao. Ela pequena porque a base pouco dopada. Como a base muito fina, grande parte dos eltrons da base passam a juno base-coletor. Esta juno, polarizada reversamente, dificulta a passagem dos portadores majoritrios do cristal de base (lacunas) para o coletor, mas no dos eltrons livres. Esses atravessam sem dificuldade a camada de depleo penetram na regio de coletor. L os eltrons livres so atrados para o plo positivo da bateria B2. Em suma, com a polarizao direta do diodo emissor, injetado uma alta corrente em direo a base. Na base uma pequena parcela da corrente, por recombinao, retorna ao plo negativo da bateria B1 e o restante da corrente flui para o coletor e da para o plo positivo da bateria B2. Ver Figura 2-6. Obs. Considerar a tenso coletor - base (VCB) bem maior que a tenso emissor - base (VBE).


Figura 2-6

TRANSISTOR PNP

No transistor pnp as regies dopadas so contrrias as do transistor npn. Isso significa que as lacunas so portadores majoritrios no emissor em vez dos eltrons livres. O funcionamento como a seguir. O emissor injeta lacunas na base. A maior parte dessas lacunas circula para o coletor. Por essa razo a corrente de coletor quase igual a do emissor. A corrente de base muito menor que essas duas correntes. Qualquer circuito com transistor npn pode ser convertido para uso de transistor pnp. Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de alimentao, os diodos e capacitores polarizados. E o funcionamento ser idntico ao modelo npn. Considerando esta similaridade, neste curso os circuitos analisados so sempre os com transistores npn.

AS CORRENTES NO TRANSISTOR

Figura 2-7

A Figura 2-7 Figura 2-7 mostra o smbolo esquemtico para um transistor pnp e npn. A diferenciao a nvel de esquemtico feito atravs da seta no pino do emissor. A direo da seta mostra o fluxo de corrente convencional. Na figura mostrado tambm o sentido das correntes convencionais IB , IC e IE . A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes num n igual a soma das que saem. Ento: IE = IC + IB Eq. 2- 1 A relao entre a corrente contnua de coletor e a corrente contnua de base chamada de ganho de corrente CC :


B

CCC I

I= Eq. 2- 2

Em geral mais de 95% dos eltrons livres atingem o coletor, ou seja, a corrente de emissor praticamente igual a corrente de coletor. O parmetro cc de um transistor indica a relao entre a corrente de emissor e coletor:

E

CCC I

I= Eq. 2- 3

Quanto mais fina e levemente dopada a base, mais alto o cc.

Pode-se relacionar o cc com o CC : !CC = !CC /(1 - !CC ) Eq. 2- 4

TESTE DE DIODOS E TRANSISTORES. Uma maneira simples mostrada a seguir para se testar diodos e transistores utilizando um ohmmetro. Teste de funcionamento de um diodo com um ohmmetro.

1. Encosta-se a ponta de prova negativa no ctodo 2. Encosta-se a ponta de prova positiva no nodo

O ohmmetro deve indicar resistncia baixa. 3. Inverte-se as pontas de provas, a resistncia deve ser alta.

Teste de funcionamento de um transistor npn com um ohmmetro 1. Encosta-se a ponta de prova negativa na base do transistor 2. Encosta-se a ponta de prova positiva no coletor do transistor

O ohmmetro deve indicar resistncia alta. 3. Muda-se a ponta de prova positiva para o emissor do transistor

O ohmmetro deve indicar resistncia alta. 4. Inverte-se as pontas de provas, isto , encosta-se a positiva na base e repete

os itens 2 e 3. As resistncias devem ser baixas. Isto vlido para os multmetros digitais. Em geral, nos multmetros analgicos, a ponta de prova positiva est ligada ao plo negativo da bateria.

MONTAGEM BSICA COM TRANSISTOR

Na Figura 2-8, o lado negativo de cada fonte de tenso est conectado ao emissor. Neste caso denomina-se o circuito como montado em emissor comum. Alm da montagem em emissor comum, existem a montagem em coletor comum e base comum, analisadas mais a frente. O circuito constitudo por duas malhas. A malha da esquerda que contm a tenso VBE e malha da direita com a tenso VCE.

BEBSS VIRV += Eq. 2- 5

CECCCC VRIV += Eq. 2- 6


Figura 2-8

RELAO IB VERSUS VBE Existe uma relao entre IB e VBE, ou seja, para cada IB existe uma tenso VBE correspondente (Figura 2-9). Naturalmente, esta curva semelhante a curva do diodo.

Figura 2-9

RELAO IC VERSUS VCE A partir de VCC e VS possvel obter diversos valores de IC e VCE . a Figura 2-10 mostra esta relao supondo um IB fixo.

Figura 2-10


A parte inicial da curva chamada de regio de saturao. toda a curva entre a origem e o joelho. A parte plana chamada de regio ativa. Nesta regio uma variao do VCE no influencia no valor de IC. IC mantm-se constante e igual a IB CC. A parte final a regio de ruptura e deve ser evitada. Na regio de saturao o diodo coletor est polarizado diretamente. Por isso, perde-se o funcionamento convencional do transistor, passa a simular uma pequena resistncia hmica entre o coletor e emissor. Na saturao no possvel manter a relao IC=IBCC. Para sair da regio de saturao e entrar na regio ativa, necessrio uma polarizao reversa do diodo coletor. Como VBE na regio ativa em torno de 0,7V, isto requer um VCE maior que 1V. A regio de corte um caso especial na curva IC x VCE. quando IB =0 (eqivale ao terminal da base aberto). A corrente de coletor com terminal da base aberto designada por ICEO (corrente de coletor para emissor com base aberta). Esta corrente muito pequena, quase zero. Em geral se considera: Se IB=0 !IC =0. O grfico da Figura 2-10, mostra a curva IC x VCE para um dado IB. Habitualmente o grfico fornecido pelo fabricante leva em considerao diversos IBs. Um exemplo est na Figura 2-11. Notar no grfico que para um dado valor de VCE existem diversas possibilidades de valores para IC. Isto ocorre, porque necessrio ter o valor fixo de IB. Ento para cada IB h uma curva relacionando IC e VCE. No grfico de exemplo, a tenso de ruptura est em torno de 80V e na regio ativa para um IB=40A tem-se que o CC=IC/IB = 8mA/40A=200. Mesmo para outros valores de IB, o CC se mantm constante na regio ativa. Na realidade o CC no constante na regio ativa, ele varia com a temperatura ambiente e mesmo com IC. A variao de CC pode ser da ordem de 3:1 ao longo da regio ativa do transistor. Na Figura 2-12 mostrado um exemplo de variao de CC. Os transistores operam na regio ativa quando so usados como amplificadores. Sendo a corrente de coletor (sada) proporcional a corrente de base (entrada), designa-se os circuitos com transistores na regio ativa de circuitos lineares. As regies de corte e saturao, por simularem uma chave controlada pela corrente de base, so amplamente usados em circuitos digitais.

Figura 2-11


Figura 2-12

O MODELO DE EBERS-MOLL Na anlise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em trabalhar com o transistor a nvel de malhas. Uma opo a de se criar um circuito equivalente para o transistor usando componentes mais simples como fonte ou resistor. O modelo de Ebers-Moll um circuito equivalente do transistor levando em considerao que ele esteja trabalhando na regio ativa, ou seja: o diodo emissor deve estar polarizado diretamente; o diodo coletor deve estar polarizado reversamente e a tenso do diodo coletor deve ser menor do que a tenso de ruptura. Veja Figura 2-13. O modelo faz algumas simplificaes: 1. VBE =0,7V 2. IC=IE !IB=IE/ !CC 3. despreza a diferena de potencial produzida pela corrente de base ao atravessar a

resistncia de espalhamento da base .

Figura 2-13 Modelo Ebers-Moll


33 PPOOLLAARRIIZZAAOO DDEE TTRRAANNSSIISSTTOORREESS

Um circuito transistorizado pode ter uma infinidade de funes e os transistores para cada funo tem um ponto de funcionamento correto. Este captulo estuda como estabelecer o ponto de operao ou quiescente de um transistor. Isto , como polariza-lo.

3.1 RETA DE CARGA

A Figura 3-1 mostra um circuito com polarizao de base. O problema consiste em saber os valores de correntes e tenses nos diversos componentes. Uma opo o uso da reta de carga.

Figura 3-1

a conceito de reta de carga estudado no captulo sobre diodos, tambm se aplica a transistores. usa-se a reta de carga em transistores para obter a corrente IC e VCE considerando a existncia de um RC. A anlise da malha esquerda fornece a corrente IC: IC = (VCC - VCE )/ RC Eq. 3- 1 Nesta equao existem duas incgnitas, IC e VCE. A soluo deste impasse utilizar o grfico IC x VCE. Com o grfico em mos, basta Calcular os extremos da reta de carga: VCE = 0 !IC = VCC / RC ponto superior Eq. 3- 2 IC = 0 !VCE = VCC ponto inferior Eq. 3- 3 A partir da reta de carga e definido uma corrente IB chega-se aos valores de IC e VCE.

Exemplo 3-1 No circuito da Figura 3-1 suponha RB= 500 Construa a linha de carga no grfico da Figura 3-2 e mea IC e VCE de operao. SOL.: Os dois pontos da reta de carga so:

VCE = 0 !IC = VCC / RC (15 )/1k5 = 10mA ponto superior IC = 0 !VCE = VCC = 15V ponto inferior

O corrente de base a mesma que atravessa o resistor RB:


A29K500

7,015IB =

=

Figura 3-2

Aps traar a reta de carga na curva do transistor chega-se aos valores de IC =6mA e VCE=5,5V. Este o ponto de operao do circuito (ponto Q- ponto quiescente). O ponto Q varia conforme o valor de IB. um aumento no IB aproxima o transistor para a regio de saturao, e uma diminuio de IB leva o transistor regio de corte. Ver Figura 3-3 O ponto onde a reta de carga intercepta a curva IB =0 conhecido como corte. Nesse ponto a corrente de base zero e corrente do coletor muito pequena (ICEO ). A interseo da reta de carga e a curva IB= IB(SAT) chamada saturao. Nesse ponto a corrente de coletor mxima.

Figura 3-3


3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE

A forma mais simples de se usar um transistor como uma chave, significando uma operao na saturao ou no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta de carga. Quando o transistor est saturado, como se houvesse uma chave fechada do coletor para o emissor. Quando o transistor est cortado, como uma chave aberta.

CORRENTE DE BASE A corrente de base controla a posio da chave. Se IB for zero, a corrente de coletor prxima de zero e o transistor est em corte. Se IB for IB(SAT) ou maior, a corrente de coletor mxima e o transistor satura. Saturao fraca significa que o transistor est levemente saturado, isto , a corrente de base apenas suficiente para operar o transistor na extremidade superior da reta de carga. No aconselhvel a produo em massa de saturao fraca devido variao de CC e em IB(SAT). Saturao forte significa dispor de corrente da base suficiente para saturar o transistor para todas as variaes de valores de CC. No pior caso de temperatura e corrente, a maioria dos transistores de silcio de pequeno sinal tem um CC maior do que 10. Portanto, uma boa orientao de projeto para a saturao forte de considerar um CC(SAT)=10, ou seja, dispor de uma corrente de base que seja de aproximadamente um dcimo do valor saturado da corrente de coletor. Exemplo 3-2 A Figura 3-4 mostra um circuito de chaveamento com transistor acionado por uma tenso em degrau. Qual a tenso de sada? SOL.: Quando a tenso de entrada for zero, o transistor est em corte. Neste caso, ele se comporta como uma chave aberta. Sem corrente pelo resistor de coletor, a tenso de sada iguala-se a +5V.

Figura 3-4

Quando a tenso de entrada for de +5V, a corrente de base ser:

mA43,1K3

7,05I B =

=

Supondo o transistor com um curto entre coletor e o emissor (totalmente saturado). A tenso de sada vai a zero e a corrente de saturao ser:


mA2,15330

5I )SAT(C ==

Isto aproximadamente 10 vezes o valor da corrente de base, ou seja, certamente h uma saturao forte no circuito. No circuito analisado, uma tenso de entrada de 0V produz uma sada de 5V e uma tenso de entrada de 5V, uma sada de 0V. Em circuitos digitais este circuito chamado de porta inversora e tem a representao abaixo:

Exemplo 3-3 Recalcule os resistores RB e RC no circuito da Figura 3-4 para um IC=10mA. SOL.: Clculo de IB

Se IC =10mA ! IB (sat) = IC /CC(SAT) = 10m /10 = 1,0mA Clculo de RC ao considerar o transistor saturado, o VCE de saturao prximo de zero.

RC = VCC / IC = 5 /10mA = 500 Clculo de RB

RB = VE - VBE / IB = 5 - 0.7 / 1mA = 4k3

3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE

A Figura 3-5 mostra um transistor como fonte de corrente. Ele tem um resistor de emissor RE entre o emissor e o ponto comum. A corrente de emissor circula por esse resistor produzindo uma queda de tenso de IE RE.

Figura 3-5

A soma das tenses da malha de entrada da : VBE + IE RE - VS = 0

logo, IE

E

BESE R

VVI

=


Como VBE, VS, e RE so aproximadamente constantes, a corrente no emissor constante. Independe de CC, RC ou da corrente de base.

3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

CIRCUITOS DE POLARIZAO EM EMISSOR COMUM

Fontes de alimentao e resistores polarizam um transistor, isto , eles estabelecem valores especficos de tenses e correntes nos seus terminais, determinando, portanto, um ponto de operao no modo ativo (o ponto de operao). A Figura 3-6 mostra o circuito de polarizao por base j estudado anteriormente, a principal desvantagem dele a sua susceptibilidade variao do CC. Em circuitos digitais, com o uso de CC(SAT), isto no problema. Mas em circuitos que trabalham na regio ativa, o ponto de operao varia sensivelmente com o CC. Pois: BCCC I I = .

POLARIZAO POR DIVISOR DE TENSO

O circuito mais usado em amplificadores chamado de polarizao por divisor de tenso. A Figura 3-7 mostra o circuito. A principal evoluo do circuito em relao ao polarizao por base de fixar uma tenso na base, via os resistores R1 e R2. O valor de I deve ser bem maior que IB para a corrente IB no influenciar na tenso sob R2. Como regra prtica, considerar a corrente I 20 vezes maior que IB. Para a anlise da tenso em VR2, observar que R1 e R2 formam um divisor de tenso. Supondo I>> IB:

CC21

22R VRR

RV

+= Eq. 3- 4

* a tenso VR2 no depende de CC Com o valor de VR2 simples o clculo de IE. Deve-se olhar a malha de entrada:

EBE2R VVV += Eq. 3- 5

como VE = IE RE

E

BE2RE R

VVI

= Eq. 3- 6

Anlise da malha de sada:

EECECCCC IRVIRV ++=

considerando IE = IC

Figura 3-6

Figura 3-7


CEECCCC V)RR(IV ++= Eq. 3- 7

EC

CECCC RR

VVI+

= Eq. 3- 8

Notar que CC no aparece na frmula para a corrente de coletor. Isto quer dizer que o circuito imune a variaes em CC, o que implica um ponto de operao estvel. Por isso a polarizao por divisor de tenso amplamente utilizada. Exemplo 3-4 Encontre o VB, VE, VCE e IE para o circuito da Figura 3-8. SOL.: Clculo de VR2 a partir da Eq. 3-4

V85,330K18K6

K1VV 2RB =+

==

Clculo de IE a partir da Eq. 3-6

mA2,4750

7,085,3IE =

=

clculo de VE VE = IE RE = 4,2m*750= 3,15V

clculo de VCE a partir da Eq. 3-7 VCE = 30- 4,2m*(3k+750)=14,3V

REGRAS DE PROJETO

Sempre ao polarizar um transistor, deseja-se manter o ponto Q de operao fixo independente de outros parmetros externos. ou seja, espera-se um divisor de tenso estabilizado. Para minimizar o efeito do CC, considerar:

ECC2 R01,0R Eq. 3- 9 onde o valor de CC o do pior caso, ou seja, o menor CC que o transistor pode ter. O defeito desta regra, o fato de um baixo R2 influenciar negativamente na impedncia de entrada. Ento como opo pode-se considerar

ECC2 R1,0R Eq. 3- 10 assim R2 ser maior, mas com possibilidade de degradao na estabilidade do ponto Q. Quando se segue a regra da Eq. 3-10 designa-se o circuito de polarizao por divisor tenso firme e quando se segue a regra da Eq. 3-9 polarizao por divisor de tenso estabilizado. Na escolha do ponto de operao da curva IC x VCE, deve-se dar preferncia a um ponto central, isto , VCE =0,5 VCC ou IC =0,5 IC(SAT). De forma que o sinal possa excursionar ao mximo tanto com o aumento de IB quanto com a diminuio. Por ltimo, aplicar a regra de VE ser um decimo de VCC. VE = 0,1 VCC Eq. 3- 11 Exemplo 3-5 Polarizar um transistor por diviso de tenso firme. Dados:

Figura 3-8


VCC= 10V, IC= 10mA e CC= 100 SOL.: Clculo de RE aplicando a regra da Eq. 3-11

VE= 0,1*10=1V IE= IC

RE= VE/ IE = 100 clculo de RC a partir da Eq. 3-8 e VCE= 0,5 VCC

== 400100m10

510R C

clculo de R2 a partir da Eq. 3-10

1000100*100*1,0R 2 =

R2 = 1000 clculo de R1 Eq. 3-4

10*R1000

10007,00,1VRR

RV

1CC

21

22R

+=+=

+=

R1 = 4888=4k7

3.5 EXERCCIOS

Ex. 3-1) No circuito da figura abaixo, encontre as tenses VE e VCE de cada estgio.

Ex. 3-2) Projete um circuito de polarizao por divisor de tenso com as seguintes especificaes: VCC = 20V, IC = 5mA, 80< CC < 400.

Considere VE = 0,1 VCC e VCE = VCC /2 Ex. 3-3) O transistor da figura abaixo tem um CC =80.

Qual a tenso entre o coletor e o terra? Desenhe a linha de carga. Para CC = 125, calcule a tenso na base, a tenso no emissor e a tenso de

coletor.


Ex. 3-4) Qual a tenso do emissor e do coletor (os dois em relao ao terra) para cada estgio do circuito abaixo, sendo VCC = 10V.

Ex. 3-5) No exerccio anterior, suponha VCC = 20V e calcule de cada estgio: VB, VE, VC e IC . Ex. 3-6) Ainda em relao ao exerccio 4. Considere VCC =20V.

Indique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se:

1k8 aberto coletor emissor do Q1 em curto 240 aberto 240 em curto 300 em curto 1k aberto 910 aberto

Indique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se: 1k aberto 1k em curto 180 aberto 180 em curto 620 aberto 620 em curto coletor emissor de Q3 em curto coletor emissor de Q3 aberto 150 aberto 150 em curto


44 AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORREESS DDEE SSIINNAALL

4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM

No captulo anterior foi estudado a polarizao dos transistores. Neste captulo considera-se os transistores devidamente polarizados com seus pontos de operao prximos a meio da reta de carga para uma mxima excurso do sinal de entrada sem distoro. Ao injetar um pequeno sinal ca base do transistor, ele se somara a tenses cc de polarizao e induzir flutuaes na corrente de coletor de mesma forma e freqncia. Ele ser chamado de amplificador linear (ou de alta-fidelidade - Hi-Fi) se no mudar a forma do sinal na sada. Desde que a amplitude do sinal de entrada seja pequena, o transistor usar somente uma pequena parte da reta de carga e a operao ser linear. Por outro lado se o sinal de entrada for muito grande, as flutuaes ao longo da reta de carga levaro o transistor saturao e ao corte Um circuito amplificador mostrado na Figura 4-2. A polarizao por divisor de tenso. A entrada do sinal acoplada base do transistor via o capacitor C1 e a sada do sinal acoplada carga RL atrav itor funciona como uma chave aberta para corrente cc e como nte alternada. Esta ao permite obter um sinal ca de uma est ar a polarizao cc de cada estgio.

Figu

s do capacitor C2. O capacchave fechada para a corregio para outro sem perturb

Figura 4-1 ra 4-2


CAPACITOR DE ACOPLAMENTO O capacitor de acoplamento faz a passagem de um sinal ca de um ponto a outro, sem perda significativa do sinal. Por exemplo na Figura 4-3 a tenso ca no ponto A transmitida ao ponto B. Para no haver atenuao aprecivel do sinal, a capacitncia reativa XC, comparada com a resistncia em srie (RTH e RL ), precisa ser bem menor. Quanto menor a reatncia capacitiva, melhor ser o acoplamento, naturalmente no possvel uma reatncia nula. Se a reatncia for no mximo 10% da resistncia total tem-se um acoplamento estabilizado. A frmula da reatncia capacitiva :

fC2

1XC

= Eq. 4- 1

Na Eq. 4-1, h duas incgnitas, a freqncia e a capacitncia. Num amplificador existe um faixa de freqncias de operao, a escolha deve recair para o pior caso, ou seja, a menor freqncia do sinal. A resistncia total (R) a soma de RL e RTH. Para um acoplamento estabilizado

R1,0XC . ento a capacitncia ser:

Rf2,0

1CMENOR

Eq. 4- 2

Exemplo 4-1 Suponha o projeto de um estgio com transistor na faixa de udio, 20 Hz a 20kHz. O sinal de entrada entra no estgio via capacitor de acoplamento. Qual o valor mnimo para o capacitor se ele perceber uma resistncia total de 10 k?

SOL.: Clculo do XC ! R1,0XC =0,1*1000=100

A escolha da freqncia recai sobre a de menor valor f=20Hz.

F9,791000*20**2,0

1C =

! A capacitncia deve ser igual ou maior que 79,9F

CAPACITOR DE DESVIO Um capacitor de desvio semelhante a um capacitor de acoplamento, exceto que ele acopla um ponto qualquer a um ponto aterrado, como mostra a Figura 4-4. O capacitor funciona idealmente como um curto para um sinal ca. O ponto A est em curto com o terra no que se refere ao sinal ca. O ponto A designado de terra ca. Um capacitor de desvio no perturba a tenso cc no ponto A porque ele fica aberto para corrente cc. O capacitor C3 da Figura 4-2 um exemplo de capacitor de desvio. A sua funo no circuito a de aterrar o emissor para sinais ca e no interferir na polarizao cc. A menos que se diga o contrrio, todos os capacitores de acoplamento e desvio so considerados estabilizados e segue a regra XC


TEOREMA DA SUPERPOSIO PARA AMPLIFICADORES

Num amplificador transistorizado, a fonte cc estabelece correntes e tenses quiescentes. A fonte ca produz ento, flutuaes nessas correntes e tenses. O jeito mais simples de anlise do circuito dividindo a anlise em duas partes: uma anlise cc e uma anlise ca. Em outras palavras, aplica-se o teorema da superposio. O teorema da superposio diz que se pode calcular os efeitos produzidos no diversos pontos de um circuito para cada fonte de alimentao funcionando sozinha. O efeito total ser a soma de cada efeito individual.

CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC.

O circuito da Figura 4-2 tem duas fontes de alimentao (VCC e VS). Cria-se o circuito devido a fonte cc denominado equivalente cc. E depois o circuito devido a fonte ca denominado equivalente ca.

EQUIVALENTE CC Anlise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. Somente correntes cc atuam neste caso e, portanto, os capacitores so desprezados. Seqncia:

Reduzir a fonte ca a zero (considerar a fonte VS em curto).

Abrir todos os capacitores. A Figura 4-5 mostra o circuito equivalente cc.

Figura 4-5

EQUIVALENTE CA Anlise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte VCC. Somente correntes ca atuam neste caso e, portanto, os capacitores so considerados em curto. Seqncia:

Reduzir a fonte cc a zero (considerar a fonte VCC em curto).

Todos os capacitores em curto. A Figura 4-6 mostra o circuito equivalente ca.


Figura 4-6

A corrente total em qualquer ramo a soma das correntes cc e ca. Igualmente a tenso total em qualquer ponto soma das tenses cc e ca.

NOTAO A partir daqui, conveniente distinguir os sinais contnuos dos alternados. Para isto as variveis com suas letras e ndices passam a ter a seguinte conveno: letra e ndices maisculos para as quantidades cc.! IC, VE, VCC. Letras e ndices minsculos para as quantidades ca.! ic, ve, vs. Sinal negativo para indicar tenses ou correntes senoidais 180 fora de fase. Figura 4-7

Figura 4-7

RESISTNCIA CA DO DIODO EMISSOR

Ao polarizar corretamente o transistor, o modelo Ebers-Moll uma alternativa boa e simples de representao do transistor. At agora, o VBE foi aproximado para 0,7V. O modelo continua vlido para pequenos sinais alternados, com uma alterao no diodo emissor. A Figura 4-8 mostra a curva do diodo relacionando IE e VBE. Na ausncia de um sinal ca o transistor funciona no ponto Q, geralmente localizado no meio da linha de carga cc. Quando um sinal ca aciona o transistor, entretanto, a corrente e a tenso do emissor variam. Se o sinal for pequeno, o ponto de funcionamento oscilar senoidalmente de Q a pico positivo de corrente em A e, a seguir, para um pico negativo em B, e de volta para Q, onde o ciclo se repete.


Figura 4-8

Um sinal considerado pequeno quando a oscilao de pico a pico na corrente do emissor (ie) for menor do que 10% do valor da corrente quiescente do emissor (IE ). Se o sinal for pequeno, os picos A e B sero prximos de Q, e o funcionamento aproximadamente linear. O arco A e B quase uma linha reta. Logo, o diodo emissor para pequenos sinais ca se apresenta como uma resistncia, chamada de resistncia ca do emissor e pela lei de Ohm:

E

BE'e I

Vr

= Eq. 4- 3

onde: re = resistncia ca do emissor

VBE pequena variao na tenso de base-emissor

IE variao correspondente na corrente do emissor.

VBE e IE, na verdade so, respectivamente, uma tenso e uma corrente alternada. Rescrevendo:

e

be'e i

vr = Eq. 4- 4

vbe = tenso ca atravs dos terminais da base-emissor ie = corrente ca atravs do emissor.

A Figura 4-9 mostra o modelo ca Ebers-Moll. Neste modelo, o diodo base-emissor substitudo pela resistncia ca do emissor.


Figura 4-9

Uma outra maneira de se conseguir o valore de re atravs da seguinte frmula:

=r mVIe E

25 Eq. 4- 5

Obs.: re depende s de IE de polarizao.

CA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA A Figura 4-10 mostra a curva IC x IB. CC a razo entre a corrente de coletor e a corrente de base. Como o grfico no linear, CC depende do valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamado de ca ou simplesmente ) a relao entre a variao da corrente de coletor e a variao da corrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q.

b

c

B

C

ii

II

=

= Eq. 4- 6

Graficamente a inclinao da curva no ponto Q. Ele pode assumir diversos valores dependendo da posio Q.

4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO

A Figura 4-11mostra um circuito com um capacitor de desvio ligado ao emissor. O capacitor aterra o emissor em termos de ca. A fonte vs injeta uma pequena onda senoidal base do transistor atravs do capacitor de acoplamento. Esta onda faz variar a tenso de vbe e pela curva da Figura 4-8 induz uma variao no ie. Como a corrente de coletor praticamente igual a corrente de emissor, h uma queda de tenso proporcional no RC. Sendo mais preciso, um pequeno aumento na tenso vs, aumenta a tenso de base-emissor, que por sua vez aumenta a corrente ie, como ic igual a ic, h uma queda de tenso nos terminais do RC o que culmina com uma queda de tenso de vce. Em suma uma variao positiva de vs produz uma variao negativa em vce, isto significa que os sinais de entrada e sada esto defasados de 180. Veja a Figura 4-12.


Figura 4-10

Figura 4-11


Figura 4-12

GANHO D E TENSO O ganho de tenso :

entrada

sadaV v

vA = Eq. 4- 7

Figura 4-13

A Figura 4-13 mostra o circuito equivalente ca para amplificador da Figura 4-11, o resistor do coletor RC e R1 tem um dos lados aterrado, porque a fonte de tenso VCC aparece como um curto em ca. Por causa do circuito paralelo na entrada, a tenso vs aparece diretamente sobre diodo emissor. Na Figura 4-14 o mesmo circuito ao considerar o modelo Ebers-Moll. A tenso de entrada aparece com uma polaridade mais - menos para indicar o semiciclo positivo. A lei de Ohm aplicada em re:

'e

se r

vi = Eq. 4- 8


Figura 4-14

na Figura 4-14, a malha do lado direito tem dois resistores em paralelo RC e RL. O resistor equivalente :

rC = RL // RC na malha do lado direito a tenso de sada a tenso sobre o resistor equivalente rC.

Ccsada riv = Eq. 4- 9

ento o ganho

'ee

Cc

entrada

sadaV ri

rivvA == Eq. 4- 10

como a corrente do coletor aproximadamente igual a corrente do emissor

'e

CV r

rA = Eq. 4- 11

4.3 REALIMENTAO

Quando uma parte do sinal de sada de um circuito aplicado de volta entrada do mesmo, dizemos que houve uma realimentao no circuito. Quando o sinal aplicado novamente entrada do circuito possui a mesma fase que o sinal existente na entrada, este processo designado como realimentao positiva. Por outro lado, se o sinal reaplicado na entrada tiver fase oposta ao sinal j existente na entrada, o nome dado realimentao negativa. A realimentao negativa mais aplicada nos amplificadores e, a realimentao positiva, na maioria dos circuitos osciladores. A realimentao negativa em amplificadores tem como desvantagem a diminuio do ganho, dado que ela subtrai parcialmente a tenso de entrada. A sua grande vantagem estabilizao do circuito. O prximo item analisa um circuito com realimentao negativa, observando a questo do ganho e da estabilidade.

4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIAL

No amplificador de emissor comum a tenso de sada inversamente proporcional a re. E o valor de re depende do ponto de operao. Isto um problema para a tenso de sada, pois, ela se torna susceptvel as variaes de temperatura e troca de transistor.


Naturalmente nos amplificadores com controle de volume (tenso de entrada), o problema contornvel. Mas nem todos o amplificadores tem este controle. Uma opo para estabilizar o ganho de tenso deixar uma certa resistncia de emissor sem ser desviada. Esse resistor no desviado recebe o nome de resistor de realimentao porque ele produz uma realimentao negativa. Veja Figura 4-15.

Figura 4-15

A corrente ca do emissor deve circular atravs do resistor RE1 antes de passar pelo capacitor de desvio e pelo ponto de aterramento. Sem o resistor de realimentao o diodo emissor recebe toda a tenso ca de entrada (como mostrado na Eq. 4-8). No entanto com a incluso do RE1, a tenso ca aparece no diodo e no RE1. Ou seja:

1ERbesvvv +=

ou

1ERsbevvv =

Quando a tenso de entrada aumenta, a tenso no emissor aumenta. Isso implica que a tenso de realimentao est em fase com a tenso ca de entrada. Como resultado, a tenso ca no diodo emissor menor que antes. A realimentao negativa porque a tenso de realimentao diminui a tenso ca no diodo emissor e portanto a corrente ie. Na Figura 4-16 est o equivalente ca do amplificador com realimentao parcial. a equao da corrente de emissor :

re

Figura 4-16


1E'e

se Rr

vi

+=

a tenso de sada o mesmo que da Eq. 4-9:

Ccsada riv =

considerando ic=ie

1E

'e

C'ee

Cc

entrada

sadaV Rr

rriri

vvA

+=

== Eq. 4- 12

Em geral o valor de RE1 bem maior que o de re e o ganho de tenso passa a no ser influenciado pelas variaes de re. Em contrapartida, quanto maior o RE1 menor ser o ganho de tenso. Em suma, existe um compromisso entre a estabilidade do ganho de tenso e o valor do ganho.

IMPEDNCIA DE ENTRADA

No circuito da Figura 4-15 a tenso de entrada aplicada diretamente na base do transistor. No entanto, na maioria das aplicaes a fonte vs tem uma resistncia em srie como mostrado na Figura 4-17.

Figura 4-17

Para uma anlise mais detalhada do comportamento ca, deve-se primeiro criar o equivalente ca como mostrado na Figura 4-18. No circuito equivalente, pode-se ver um divisor de tenso do lado da entrada do transistor. Isso significa que a tenso ca na base ser menor que a tenso vs. O divisor de tenso formado pelo resistor RS e os resistores R1 //R2. Mas como na base do transistor entra uma corrente ib, ela deve ser considerada. A resistncia ca vista da base conhecida como impedncia de entrada da base. Abaixo de 100kHz basta considerar os

Figura 4-18


elementos puramente resistivos. A impedncia de entrada da base a razo entre a tenso aplicada na base (vb) e a corrente ib.

b

bbase i

vz = Eq. 4- 13

Para descobrir a impedncia da base melhor aplicar o modelo de Ebers-Moll no circuito da Figura 4-18.

Figura 4-19

atravs do circuito possvel saber o valor vb em funo de re. vb=iere

e a partir da Eq. 4-13:

'eb

'eb

b

'ee

b

bbase ri

riiri

ivz ==== Eq. 4- 14

a impedncia de entrada do estgio (zent) a resultante do paralelo de R1, R2 e zbase.

'e21base21ent r//R//Rz//R//Rz == Eq. 4- 15 A tenso ca na base o divisor de tenso RS com a impedncia de entrada do estgio

sentS

entb vzR

zv+

= Eq. 4- 16

No amplificador com realimentao parcial, aplica-se a mesma regra, a nica diferena a impedncia de entrada da base. Ela ser:

)Rr(z 1E'ebase += Eq. 4- 17

ESTGIOS EM CASCATA

Para obter um maior ganho de tenso na sada de um amplificador, usual conectar dois ou mais estgios em srie, como mostra a Figura 4-20. Este circuito chamado de estgios em cascata, porque conecta a sada do primeiro transistor base do seguinte. Abaixo uma seqncia de valores a serem calculados para anlise de um amplificador de dois estgios:

1. a impedncia de entrada do 2 estgio. 2. A resistncia ca do coletor do 1 estgio.


3. O ganho de tenso do 1 estgio. 4. A tenso de entrada do 1 estgio 5. O ganho de tenso de 2 estgio. 6. O ganho de tenso total.

Figura 4-20

A polarizao cc analisada individualmente, os capacitores de acoplamento isolam os dois estgios entre si e tambm da entrada vs e sada RL (o resistor de carga pode, por exemplo, estar representando um terceiro estgio). Os dois estgios so idnticos para polarizao cc. VB= 1,8V VE= 1,1V IE= 1,1mA VC= 6,04V com o valor de IE, tem-se re :

re = 25mV/ IE= 22,7

ANLISE DO PRIMEIRO ESTGIO O equivalente ca mostrado na Figura 4-21: O segundo estgio age como uma resistncia de carga sobre o primeiro. O valor desta carga a impedncia de entrada do segundo estgio zentb. Supondo = 100:

=== k17,22*100//2k2//k10r//R//Rz 'eA2A1entb na Figura 4-21, RC est em paralelo com zentb:

rc=RC//zentb=3,6k//1k=783 o ganho de sada do primeiro estgio

Figura 4-21


AV=-783/22,7=-34,5 O primeiro e segundo estgios tem a mesma impedncia de entrada

ppb mV625,0m1*600k1k1v =+

=

logo a tenso ca de sada do primeiro estgio vc=-34,5*o,625=-21,6mVpp

ANLISE DO SEGUNDO ESTGIO O equivalente ca para o segundo estgio mostrado na Figura 4-22:

Figura 4-22

Por causa do capacitor de acoplamento entre os dois estgios, a tenso ca na base do segundo igual a -21,6mVpp. O segundo estgio tem um ganho de tenso de

AV=-2,65k/22,7=-117 por fim, a tenso de sada

vsada=-117*-21,6=2,53Vpp.

GANHO DE TENSO TOTAL O ganho de tenso total a razo entre a tenso de sada do segundo estgio pela tenso de entrada:

AVT = vsada 2 est./ventrada 1 est.=2,53/0,625m=4048 ou seja, o ganho de tenso total AVT= AV1AV2 Eq. 4- 18

4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM

A Figura 4-23 mostra um amplificador em base comum (BC), a base ligada ao referencial comum (terra). O ponto Q dado pela polarizao do emissor. Portanto a corrente cc do emissor dada por

E

BEEEE R

VVI = Eq. 4- 19


O sinal de entrada aciona o emissor e a tenso de sada tomada do coletor. A impedncia de entrada de um amplificador BC aproximadamente igual a

'eent rz Eq. 4- 20

a tenso de sada

Ccsada Riv = Eq. 4- 21

Ela est em fase com a entrada. Como a tenso de entrada igual a 'eeent riv =

O ganho de tenso

'ee

CcV ri

RiA = Eq. 4- 22

O ganho de tenso o mesmo que do amplificador emissor comum sem realimentao parcial, apenas a fase diferente. Idealmente a fonte de corrente tem uma impedncia infinita, e ento, a impedncia de sada de um amplificador BC

Csada Rz = Eq. 4- 23

Uma das razes para o no uso do amplificador BC quanto o EC sua baixa impedncia de entrada. A fonte ca que aciona o amplificador BC v como impedncia de entrada

'eentrada rz = Eq. 4- 24

que pode ter um valor bem baixo, em funo de IE.

Figura 4-23

A impedncia de entrada de um amplificador BC to baixa que ela sobrecarrega quase todas as fontes de sinais. Por isso, um amplificador BC discreto no muito utilizado em baixas freqncias. Seu uso vivel principalmente para freqncias acima de 10MHz, onde as fontes de baixa impedncia so comuns.

Exemplo 4-2 Qual a tenso de sada ca da Figura 4-24. RE=20k e RC=10k.


Figura 4-24

SOL.: A corrente cc no emissor

mA465,0k20

7,010IE =

=

e a resistncia ca do emissor de

re = 25m/0,465m=53,8

a impedncia de entrada ZENT=53,8 o ganho de tenso levando a carga em considerao

8,628,53

K1,5//K10AV ==

A tenso de entrada no emissor

mV518,0m18,5350

8,53vent =+

=

portanto a tenso na sada

mV5,32m518,0*8,62vAv entVsada ===

4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM

Ao se conectar uma resistncia de carga em um amplificador EC, o ganho de tenso diminu. Quanto menor a resistncia de carga, maior a queda do ganho. Esse problema chamado de sobrecarga. Uma forma de evitar a sobrecarga usar um amplificador cc (coletor comum), tambm conhecido como seguidor de emissor. O seguidor de emissor colocado entre a sada do amplificador EC e a resistncia de carga. A Figura 4-25 mostra um seguidor de emissor. Como o coletor est no terra para ca, ele um amplificador coletor comum (CC). O gerador de sinal est acoplado base do transistor por meio de um capacitor de acoplamento. primeiramente a anlise cc para descobrir o valor da corrente de coletor a malha externa

EECECC RIVV +=


Figura 4-25

isolando a corrente de emissor

E

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