Apostila Eletrônica - Anhanguera

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    Capítulo 1 – Diodo semicondutor e retificação

    1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO

    1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES

    A ESTRUTURA DO ÁTOMO

    O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares:Elétrons, prótons e nêutrons. A carga do elétron é igual a do próton, porém de sinalcontrário. Os elétrons giram em torno do núcleo distribuindo-se em diversas camadas,num total de até sete camadas. Em cada átomo, a camada mais externa é chamadade valência, e geralmente é ela que participa das reações químicas.

    Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tiposde átomos, diferenciados entre si pelos seus números de prótons, elétrons e nêutrons.Cada material tem uma infinidade de características, mas uma especial em eletrônica

    é o comportamento à passagem de corrente. Pode-se dividir em três tipos especiais:

    MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE

    São materiais que não oferecem resistência à passagem de corrente elétrica .Quanto menor for a oposição a passagem de corrente, melhor condutor é o material. Oque caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência estaremfracamente ligados ao átomo, encontrando grande facilidade para abandonar seusátomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo,com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganharestabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre.

    MATERIAIS ISOLANTES

    São materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando apassagem da corrente elétrica . Os elétrons de valência são rigidamente ligados aosseus átomos, sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se de seus átomospara se transformarem em elétrons livres.

    Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas(borracha, mica, baquelita, etc.).

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    Capítulo 1 – Diodo semicondutor e retificação

    Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas

    (borracha, mica, baquelita, etc.).

    MATERIAL SEMICONDUTOR

    Materiais que apresentam uma resistividade elétrica intermediária . Comoexemplo temos os germânio e o silício.

    ESTUDO DOS SEMICONDUTORES

    Os átomos de germânio e silício têm uma camada de valência com 4 elétrons.

    Quando os átomos de germânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam umaestrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço,formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatrooutros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatroelétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modoque dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons, ver Figura 1.1.1.

    Figura 1.1.1. Estrutura cristalina do átomo.

    Se nas estruturas com germânio ou silício não fosse possível romper as

    ligações covalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento datemperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para seromperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a semovimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres.

    Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron devalência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo eraneutro e um elétron o abandonou. Essa região recebe o nome de lacuna , sendotambém conhecida comoburaco . As lacunas não têm existência real, pois são apenasespaços vazios provocados por elétrons que abandonam as ligações covalentesrompidas.

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    Capítulo 1 – Diodo semicondutor e retificação

    Figura 1.1.2. Estrutura cristalina com elétrons livres.

    Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem, simultaneamente umelétron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétron preencher olugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo de recombinação).Como tanto os elétrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aospares, pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual a de elétrons livres.

    Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potenci

    al, os elétrons livres se movem no sentido de maior potencial elétrico e as lacunas porconseqüência se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons.

    IMPUREZAS

    Os cristais de silício (ou germânio: mas não vamos considerá-lo, porsimplicidade e também porque o silício é de uso generalizado em eletrônica) sãoencontrados na natureza misturados com outros elementos. Dado a dificuldade de seencontrar as características destes cristais é feito um processo de purificação docristal e em seguida é injetado através de um processo controlado, a inserçãoproposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 de átomos de cristal, com a

    intenção de se alterar a produção de elétrons livres e lacunas. A este processo deinserção dá-se o nome de dopagem .

    As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser dedois tipos:impurezas doadoras e impurezas aceitadoras .

    IMPUREZA DOADORA

    São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada devalência. Ex.: Fósforo e antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomode silício dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um

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    elétron fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é

    suficiente para se tornar livre).

    Figura 1.1.3. Estrutura do átomo pentavalente.

    IMPUREZA ACEITADORA

    São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência.Ex.: Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silíciodentro do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa

    que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente.

    Figura 1.1.4. Estrutura do átomo trivalente.

    Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ouexcesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores: tipo N e tipo P.

    SEMICONDUTOR TIPO N

    O cristal que foi dopado com impureza doadora é chamadosemicondutor tipon , onde n está relacionado com negativo. Como os elétrons livres excedem em número

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    as lacunas num semicondutor tipon , os elétrons são chamados portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários.

    SEMICONDUTOR TIPO P

    O cristal que foi dopado com impureza aceitadora é chamadosemicondutortipo p , onde p está relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em númeroos elétrons livres num semicondutor tipop , as lacunas são chamadas portadoresmajoritários e os elétrons livres, portadores minoritários.

    1.2 DIODO

    A união de um cristal tipop e um cristal tipon , obtêm-se uma junçãopn , que éum dispositivo de estado sólido simples: odiodo semicondutor de junção .

    Figura 1.2.1. Estrutura do diodo semicondutor de junção.

    Devido à repulsão mútua os elétrons livres do ladon espalham-se em todas asdireções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando istoocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente(um íon negativo).

    Figura 1.2.2. Camada de depleção do diodo semicondutor de junção.

    Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os íonssão fixos na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que onúmero de íons aumenta, a região aproxima à junção que fica sem elétrons livres elacunas. Chamamos esta região de camada de depleção .

    Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindoa continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleçãoaumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio.

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    A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada debarreira depotencia l. A 25°C, esta barreira é de 0,7V para o silício de 0 ,3V para o germânio.

    O símbolo mais usual para o diodo é mostrado a seguir:

    Figura 1.2.3. Símbolo do diodo retificador.

    POLARIZAÇÃO DO DIODO

    Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suasextremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarizaçãodireta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipop e opólo negativo em contato com o material tipon .

    POLARIZAÇÃO DIRETA

    No material tipon os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria eempurrado para a junção. No material tipop as lacunas também são repelidas peloterminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Parahaver fluxo livre de elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar o efeito da camadade depleção.

    POLARIZAÇÃO REVERSA

    Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junçãopn , isto é, ligando-se opólo positivo no material tipon e o pólo negativo no material tipop , a junção ficapolarizada inversamente.

    No material tipon os elétrons são atraídos pelo terminal positivo, afastando-seda junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipop . Podemos dizerque a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível odeslocamento de elétrons de uma camada para outra.

    CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO

    A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor datensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.

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    POLARIZAÇÃO DIRETA

    Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não éum componente linear.

    Figura 1.2.4. (a) Diodo polarizado diretamente, (b) Curva característica do diodo napolarização direta.

    A tensão no diodo é uma função do tipo:

    ++= 1

    1ln..

    S F I q

    kT I RU (Eq. 1)

    TENSÃO DE JOELHOAo se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se

    ultrapasse a barreira de potencial. À medida que a bateria se aproxima do potencial dabarreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandesquantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente échamada de tensão de joelho . (No Silício é aproximadamente 0,7V).

    POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO

    Figura 1.2.5. (a) Diodo polarizado reversamente, (b) Curva característica do diodo napolarização reversa.

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    Pelo diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica

    extremamente pequena (chamada de corrente de fuga).Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um

    momento em que atinge a tensão de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partirda qual a corrente aumenta sensivelmente.

    GRÁFICO COMPLETO

    Figura 1.2.6. Curva característica do diodo nas polarizações direta e reversa.

    ESPECIFICAÇÕES DE POTÊNCIA DE UM DIODO

    Em qualquer componente, a potência dissipada é a tensão aplicadamultiplicada pela corrente que o atravessa e isto vale para o diodo:

    I U P .= (Eq. 2)

    Não se pode ultrapassar a potência máxima, especificada pelo fabricante, poishaverá um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potênciamáxima ou corrente máxima suportada por um diodo.

    Ex.: 1N914: PMAX = 250mW

    1N4001: IMAX = 1A

    Usualmente os diodos são divididos em duas categorias: osdiodos parapequenos sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores(PMAX > 0,5W).

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    RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

    Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão aplicada pode geraruma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor é usado em série com o diodopara limitar a corrente elétrica que passa através dele.

    Figura 1.2.7. Circuito com resistor limitador de corrente e com diodo na polarizaçãodireta.

    R S é chamado de resistor limitador de corrente . Quanto maior o RS, menor acorrente que atravessa o diodo e o RS.

    RETA DE CARGA

    Sendo a curva característica do diodo não linear, torna-se complexo determinaratravés de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e o resistor.Ummétodo para determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o uso

    da reta de carga. Baseia-se no uso gráfico das curvas do diodo e da curva do resistor.Na Figura 1.2.7, a corrente I através do circuito é a seguinte:

    S

    DS

    S

    R

    R

    U U

    U

    U I

    −== (Eq. 3)

    No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resistor. Se foremdadas a tensão da fonte e a resistência RS, então são desconhecidas a corrente e atensão sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1.2.7, US = 2V eRS = 100Ω, temos:

    Se UD = 0V, então I = 20mA. Esse ponto é chamado deponto de saturação ,pois é o máximo valor que a corrente pode assumir.

    Se I = 0A, então UD = 2V. Esse ponto é chamado corte , pois representa acorrente mínima que atravessa o resistor e o diodo.

    Na curva característica da Figura 1.2.8, podemos observar as regiões desaturação e corte, a curva do diodo, a reta de carga e o ponto de operação (pontoquiescente Q).

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    Figura 1.2.8. Reta de carga do circuito a diodo na polarização direta.

    (I = 0V, U = 2V - Ponto de corte Corrente mínima do circuito.

    (I = 20mA, U = 0V) - Ponto de saturação Corrente máxima do circuito.

    (I = 12mA, U = 0,78V) - Ponto de operação ou quiescente Representaa corrente através do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe uma tensão de 0,78V.

    1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODOO diodo emissor de luz (LED) é um diodo que quando polarizado diretamente

    emite luz visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou infravermelha. Aocontrário de diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco, e sim, deelementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usado em equipamentosdevido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa resposta em circuitos dechaveamento.

    A polarização do LED é similar ao de um diodo comum, ou seja, acoplado emsérie com um resistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 3.1. A correnteque circula no LED é:

    R

    V V I DS D

    −= (Eq. 4)

    Figura 1.3.1. Polarização do LED.

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    Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é

    de 1,5V a 2,5V para correntes entre 10mA e 50mA.FOTODIODO

    É um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que ésensível à luz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua correntereversa.

    Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadoresminoritários. Esses portadores existem porque a energia térmica entrega energiasuficiente para alguns elétrons de valência saírem fora de suas órbitas, gerandoelétrons livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando umaenergia luminosa incide numa junçãopn , ela injeta mais energia ao elétron de valênciae com isto gera mais elétrons livres. Quanto mais for intensa a luz na junção, maiorserá a corrente reversa num diodo.

    1.4 APROXIMAÇÕES DO DIODO

    Ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessário conhecer a curvado diodo, mas dependendo da aplicação podem-se fazer aproximações para facilitaros cálculos.

    1ª APROXIMAÇÃO (DIODO IDEAL)

    Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado nosentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona comouma chave aberta.

    Figura 1.4.1. Curva característica da 1ª aproximação do diodo na condição ideal.

    2ª APROXIMAÇÃO (DIODO COM Vγ γγ γ )

    Leva-se em conta o fato de que o diodo precisa de 0,7V para iniciar a conduzir.

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    Figura 1.4.2. Curva característica da 2ª aproximação do diodo com V γ γγ γ .

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

    3ª APROXIMAÇÃO (COM Vγ γγ γ E RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO)

    Na terceira aproximação considera a resistência interna do diodo.

    Figura 1.4.3. Curva característica da 3ª aproximação do diodo com V γ γγ γ e RS.

    Exemplo: Utilizar a 2ª aproximação para determinar a corrente do diodo nocircuito da figura a seguir:

    Solução: o diodo está polarizado diretamente, portanto age como uma chave fechadaem série com uma bateria.

    mAk

    V V R

    U U R

    U I I

    S

    DS

    S

    R R D

    S

    S 86,1

    5

    7,010=

    Ω−

    =−

    ===

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    RESISTÊNCIA CC DE UM DIODO

    É a razão entre a tensão total do diodo e a corrente total do diodo. Podem-seconsiderar dois casos:

    RD - Resistências cc no sentido direto;

    RR - Resistênciacc no sentido reverso.

    RESISTÊNCIA DIRETA

    É a resistência quando é aplicada uma tensão no sentido direto sobre o diodo.

    É variável pelo fato do diodo ter uma resistência não linear.Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tensão de 0,65V entre seus

    terminais existirá uma corrente I = 10mA. Caso a tensão aplicada seja de 0,75Va corrente correspondente será de 30mA. Por último se a tensão for de 0,85V acorrente será de 50mA. Com isto pode-se calcular a resistência direta para cadatensão aplicada.

    Ω==

    Ω==

    Ω==

    1750 / 85,0

    2530 / 75,0

    6510 / 65,0

    3

    2

    1

    mAV R

    mAV R

    mAV R

    D

    D

    D

    Nota-se que a resistênciacc diminui com o aumento da tensão.

    RESISTÊNCIA REVERSA

    Tomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tensão de - 20V acorrente será de 25ηA, enquanto uma tensão de - 75V implica numa corrente de 5µA.A resistência reversa será de:

    Ω==

    Ω==

    M AV R

    M AV R

    S

    S

    155 / 75

    80025 / 20

    2

    1

    µ

    η

    A resistência reversa diminui à medida que se aproxima da tensão de ruptura.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    2 CIRCUITOS ANALÓGICOS A DIODOS

    2.1 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA

    É comum em circuitos eletrônicos o uso de baterias de alimentação. Devidoao alto custo de uma bateria se comparado com a energia elétrica, torna-senecessário a criação de um circuito que transforme a tensão alternada de entrada comuma tensão contínua compatível com as bateria. O diodo é um componente importantenesta transformação. É o que se verá neste item.

    ONDA SENOIDAL

    A onda senoidal é um sinal elétrico básico. Sinais mais complexos podem serrepresentados por uma soma de sinais senoidais.

    Figura 2.1.1. Forma da onda senoidal.

    A equação da curva que representa a Figura 2.1.1 é a seguinte:

    φ senU U p .= (Eq. 5)

    onde,

    U - tensão instantânea;Up - tensão de pico.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Algumas maneiras de se referir aos valores da onda:

    Valor de pico Up - Valor máximo que a onda atinge.

    Valor de pico a pico Upp - Diferença entre o máximo e mínimo que a ondaatinge:

    p p p pp U U U U .2)( =−−=

    VALOR EFICAZ (URMS) (RMS em inglês,Root Mean Square ).

    O valor rms é o valor indicado pelo voltímetro quando na escalaca . O valor rmsde uma onda senoidal, é definido como a tensãocc que produz a mesma quantidadede calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que:

    p RMS U V .707,0= (Eq. 6)

    VALOR MÉDIO

    O valor médio é a quantidade indicada em um voltímetro quando na escalacc .O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque cadavalor da primeira metade do ciclo, tem um valor igual mas de sinal contrário nasegunda metade do ciclo.

    O TRANSFORMADOR

    As fontes de tensões utilizadas em sistemas eletrônicos em geral são menoresque 30VCC, enquanto que a tensão de entrada de energia elétrica costuma ser de127VRMS ou 220VRMS. Logo é preciso um componente para abaixar o valor destatensão alternada. O componente utilizado é otransformador . O transformador é, agrosso modo, constituído por duas bobinas (chamadas de enrolamentos). A energiapassa de uma bobina para outra através do fluxo magnético. Abaixo um exemplar detransformador.

    Figura 2.1.2. O transformador.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    A tensão de entrada U1 está conectada ao que se chama de enrolamento

    primário e a tensão de saída ao enrolamento secundário.No transformador ideal:

    1

    2

    1

    2

    N

    N

    U

    U = (Eq. 7)

    onde,

    U1 - Tensão no primário.U2 - Tensão no secundário.N

    1 - Número de espiras no enrolamento primário.

    N2 - Número de espiras no enrolamento secundário.

    A corrente elétrica no transformador ideal é:

    1

    2

    2

    1

    N

    N

    I

    I = (Eq. 8)

    Exemplo: Se a tensão de entrada for 115VRMS, a corrente de saída de 1,5ARMS e a relação de espiras 9:1, qual a tensão no secundário, em valores pico a pico, de umtransformador? E a corrente elétrica no primário?

    Solução:

    RMS RMS

    RMS RMS

    RMS

    RMS V V

    V V

    V

    V

    V

    N

    N 8,12

    9

    115115

    1

    92

    22

    1

    2

    1 ==∴=∴=

    ;

    RMS

    A I I

    N

    N

    I

    I 167,0

    9

    1

    5,1 1

    1

    1

    2

    2

    1 =∴=∴=

    Obs.: A potência elétrica de entrada e de saída no transformador ideal é igual a

    W I U P 2,195,1*8,12167,0*115* ====

    RETIFICADOR DE MEIA ONDA

    O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (USECUNDÁRIO) ca numa

    pp p p pp V V U U 3618.2.22 ===

    p p RMS RMS

    p p RMS V U V R

    U U U 18707,0

    8,12

    707,0.707,0 =∴==∴=

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    tensão pulsante positiva UR. Este processo de conversão de CA para cc , é conhecidocomo “retificação ”. Na Figura 21 é mostrado um circuito de meia onda.

    Figura 2.1.3. Retificador de meia onda.

    Considerando o diodo como ideal, as curvas são como as mostradas na Figura2.1.4. A saída do secundário tem dois ciclos de tensão: um semiciclo positivo e umnegativo. Durante o semiciclo positivo o diodo está ligado no sentido direto e age comouma chave fechada e pela lei das malhas, toda a tensão no secundário incide noresistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e nãohá corrente circulando no circuito. Sem corrente elétrica circulando implica em não tertensão sob o resistor e toda a tensão do secundário fica no diodo. Este circuito éconhecido comoretificador de meia onda porque só o semiciclo positivo é aproveitadona retificação.

    O resistor R indicado no circuito representa a carga ôhmica acoplada aoretificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo enormalmente ele é chamado deresistor de carga ou simplesmente decarga .

    Figura 2.1.4. Formas de onda do retificador de meia onda.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    VALOR CC OU VALOR MÉDIO

    A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro édada por:

    pCC U V .318,0= (diodo ideal). (Eq. 9)

    ).(318,0 γ V U V pCC −= (diodo na 2ª aproximação). (Eq. 10)

    RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

    A Figura 2.1.5 mostra umretificador de onda completa . Observe a tomadacentral no enrolamento secundário. Por causa dessa tomada, o circuito é equivalente adois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo datensão do secundário, enquanto que o retificador inferior retifica o semiciclo negativoda tensão do secundário.

    Figura 2.1.5. Retificador de onda completa.

    As duas tensões denominadas de U2 /2 na Figura 2.1.5. são idênticas emamplitude e fase. O transformador ideal pode ser, portanto, substituído por duas fontesde tensão idênticas, como mostra a Figura 21.5 à direita, sem alteração nofuncionamento elétrico da rede. Quando U2 /2 é positiva, D1 está diretamentepolarizado e conduz mas D2 está reversamente polarizado e cortado. Analogamente,quando U2 /2 é negativa, D2 conduz e D1 cortado.

    Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tensão sobre o resistorde carga, como o mostrado na Figura 2.1.6.

    VALOR CC OU VALOR MÉDIO

    A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    similar ao do retificador de meia onda com a observação de que agora se tem um ciclo

    completo e o valor será o dobro. É dado por:

    p pCC U U V .318,0)2 / .(318,0*2 == (diodo ideal). (Eq. 11)

    )2 / .(636,0 γ V U V pCC −= (diodo na 2ª aproximação). (Eq. 12)

    FREQÜÊNCIA DE SAÍDA

    A freqüência de saída de onda completa é o dobro da freqüência de entrada,pois a definição de ciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo

    quando ela começa a repeti-lo. Na Figura 2.1.6, a forma de onda retificada começa arepetição após um semiciclo da tensão do secundário. Supondo que a tensão deentrada tenha uma freqüência de 60Hz, a onda retificada terá a freqüência de 120Hz eum período de 8,33ms.

    Figura 2.1.6. Formas de onda do retificador de onda completa.

    RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

    Na Figura 2.1.7 é mostrado umretificador de onda completa em ponte . Com ouso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do trafo.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Durante o semiciclo positivo da tensão U2, o diodo D3 recebe um potencial

    positivo em seu anodo e o diodo D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem, os diodos D1 e D4 ficam reversamente polarizados e o resistor decarga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U2.

    Durante o semiciclo negativo da tensão U2, o diodo D4 recebe um sinal positivoem seu anodo e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão dapolaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficamreversamente polarizados.

    Figura 2.1.7. Retificador de onda completa em ponte.

    A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portantoa tensão UR é sempre positiva. Na Figura 2.1.8 são mostradas as formas de ondasobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais.

    Na Tabela 1 é feito uma comparação entre os três tipos de retificadores. Paradiodos ideais.

    Tabela 1 – Comparação entre os três tipos de retificadores.

    MEIA ONDA ONDA COMPLETAONDA COMPLETA

    EM PONTE

    Nº de diodos Um Dois Quatro

    Tensão de pico desaída Up 0,5.Up Up

    Tensão CC de saída 0,318.Up 0,318.Up 0,636.Up

    Tensão de picoinversa no diodo Up Up Up

    Freqüência de saída f ent 2.fent 2.fentTensão de saída 0,45.U p 0,45.Up 0,9.Up

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Figura 2.1.8. Formas de onda do retificador de onda completa em ponte.

    2.2 CIRCUITOS COM DIODOS

    MULTIPLICADORES DE TENSÃO

    Formado por dois ou mais retificadores que produzem uma tensão cc igual aum múltiplo de tensão de pico da entrada (2Vp, 3Vp, 4Vp).

    DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA

    No pico do semiciclo negativo, D1 está polarizado diretamente e D2 reversamente. Isto faz C1 carregar até a tensão Vp.

    No pico do semiciclo positivo, D1 está polarizado reversamente e D2 diretamente. Pelo fato da fonte e C1 estarem em série, C2 tentará se carregar até 2Vp.Depois de vários ciclos, a tensão através de C2 será igual a 2Vp.

    Figura 2.2.1. Circuito dobrador de tensão de meia onda.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Redesenhando o circuito e ligando uma resistência de carga teremos:

    Figura 2.2.2. Circuito dobrador de tensão de meia onda equivalente.

    DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA

    Figura 2.2.3. Circuito dobrador de tensão de onda completa.

    TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSÃO

    Figura 2.2.4. Circuito dobrador e quadruplicador de tensão.

    LIMITADORES

    Retira tensões do sinal acima ou abaixo de um dado nível. Serve para mudar o sinal ou para proteção.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR)

    Figura 2.2.5. Circuito limitador positivo (ou ceifador).

    LIMITADOR POLARIZADO

    Figura 2.2.6. Circuito limitador polarizado.

    ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES

    Figura 2.2.7. Circuito e forma de onda da associação de limitadores.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    USO COMO PROTEÇÃO DE CIRCUITOS

    Figura 2.2.8. Diodo utilizado como proteção de circuitos.

    - 1N914 conduz quando a tensão de entrada excede a 5,7V.- Este circuito é chamado grampo de diodo, porque ele mantém o sinal num

    nível fixo.

    GRAMPEADOR CC

    O grampeador cc soma uma tensão cc ao sinal. Por exemplo, se o sinal quechega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc positivo produziria uma saída queidealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador negativo produziria uma saída entre 0e -20V). Ver Figura 2.2.9.

    Figura 2.2.9. Grampeador CC.

    Figura 2.2.10. Análise do Grampeador CC na polarização direta e reversa.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Exercícios de fixação sobre Diodo Retificador

    1) Num dado circuito, quando um diodo está polarizado diretamente, suacorrente é de 50mA . Quando polarizado reversamente, a corrente cai para20ηA. Qual a razão entre a corrente direta e a reversa?

    2) Qual a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta, se atensão do diodo for de 0,7V e a corrente de 100mA?

    3) Faça o gráfico I x V de um resistor de 2kΩ. Marque o ponto onde a correnteé de 4mA. Considere, no circuito, um diodo ideal em série com o resistor.

    4) Suponha VS = 5V e que a tensão através do diodo seja 5V. O diodo estáaberto ou em curto?

    5) Uma fonte de tensão de 2,5V leva o diodo a ter um resistor limitador decorrente de 25Ω. Se o diodo tiver a característica I x V abaixo, qual a correntena extremidade superior da reta de carga? Qual a tensão na extremidade maisbaixa da reta de carga? Quais os valores aproximados da tensão e da correnteno ponto Q?

    6) Alguma “coisa” faz com que R fique em curto no circuito abaixo. Qual será atensão do diodo? O que acontecerá ao diodo?

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    7) Você mede 0V através do diodo do circuito anterior. A seguir você testa a

    tensão da fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relação ao terra ( - ). Oque há de errado com o circuito?

    8) Repetir o exercício anterior para uma resistência de 50Ω. Descreva oque acontece com a reta de carga.

    9) Repetir o exercício anterior para uma fonte de tensão de 1,5V. O queacontece com a reta de carga?

    10) Um diodo de silício tem uma corrente direta de 50mA em 1V. Utilizar aterceira aproximação para calcular sua resistência.

    11) A tensão da fonte de um circuito é de 9V e a da resistência da fonte é de1kΩ. Calcular a corrente através do diodo.

    12) Um transformador de campainha reduz a tensão de 100V para 11V.Se houver 20 espiras no secundário, qual o número de espiras no primário e arazão de espiras?

    13) O primário de 110V de um transformador de potência tem 220 espiras. Trêssecundários fornecem (a) 600V, (b) 35V e (c) 12,5V. Calcular o número deespiras necessárias em cada secundário.

    14) Um transformador abaixador com uma razão de espiras de 50.000:500 temo seu primário ligado a uma linha de transmissão de 20.000V. Se o secundáriofor ligado a uma carga de 25Ω, calcular (a) a tensão do secundário, (b) acorrente do secundário, (c) a corrente do primário e (d) a potência de saída.

    15) A especificação de um transformador de fonte de alimentação que devefuncionar numa linha de alimentação de 60Hz e 120V precisa indicar oseguinte: 600V TC (terminal central) em 90mA; 6,3V em 3A; 5V em 2A.Calcular a especificação de potência desse transformador.

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    2.3 DIODO ZENER

    O diodo zener é um diodo construído especialmente para trabalhar na tensãode ruptura. Abaixo é mostrada a curva característica do diodo zener e sua simbologia.

    Figura 2.3.1. Curva característica e símbolo do diodo zener.

    O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado

    diretamente. Mas ao contrário de um diodo convencional, ele suporta tensões reversaspróximas à tensão de ruptura.

    A sua principal aplicação é a de conseguir uma tensão estável (tensão deruptura). Normalmente ele está polarizado reversamente e em série com um resistorlimitador de corrente. Graficamente é possível obter a corrente elétrica sob o zenercom o uso de reta de carga.

    Figura 2.3.2. Circuito e reta de carga correspondentes do diodo zener.

    DIODO ZENER IDEAL

    O zener ideal é aquele que se comporta como uma chave fechada para

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    tensões positivas ou tensões negativas menores que -VZ. Ele se comportará como

    uma chave aberta para tensões negativas entre zero e –VZ. Veja o gráfico abaixo.

    Figura 2.3.3. Curva característica do diodo zener na condição ideal.

    SEGUNDA APROXIMAÇÃO

    Uma segunda aproximação é considerá-lo como ideal mas que a partir datensão de ruptura exista uma resistência interna.

    Figura 2.3.4. Curva característica do diodo zener em uma 2ª aproximação.

    CORRENTE MÁXIMA NO ZENER

    PZ = VZ X IZ (Eq. 13)

    Exemplo: Se um diodo zener de 12V tem uma especificação de potênciamáxima de 400mW, qual será a corrente máxima permitida?

    Solução:

    mAV

    mW I

    MAX Z 33,33

    12

    400==

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    Este zener suporta até 33,33 mA.

    REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER

    Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor VZ.

    Figura 2.3.5. Circuito regulador de tensão com zener.

    Tensão na carga:

    Enquanto o diodo cortado:

    S LS

    L RL V R R

    RV .

    += (Eq. 14)

    Com o diodo conduzindo reversamente:

    Z RL V V = (Eq. 15)

    Corrente sob RS:

    S

    Z S S R

    V V I

    −= (Eq. 16)

    Corrente sob RL:

    L

    Z L R

    V I = (Eq. 17)

    Corrente sob o zener:

    LS Z L Z S I I I I I I −=⇒+= (Eq. 18)

    Considerando RZ

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    Capítulo 2 – Circuitos analógicos a diodos

    S S

    Z L V

    R

    RV ∆=∆ . (Eq. 19)

    onde,

    ∆VS - variação de entrada;RZ - resistência do zener;RS - resistência de entrada.

    CÁLCULO DA RESISTÊNCIA DE ENTRADA RS

    MIN MAX

    MIN

    Z L

    Z S S I I

    V V R

    +

    −< (Eq. 20)

    Garante a corrente mínima para a carga.

    MAX MIN

    MAX

    Z L

    Z S S I I

    V V R

    +

    −> (Eq. 21)

    Garante que sob o zener não circule uma corrente maior que MAX Z

    I .

    Exemplo: Um regulador zener tem uma tensão de entrada de 15V a 20V e acorrente de carga de 5mA a 20mA. Se o zener tem VZ = 6,8V , IZMAX = 40mA eIZMIN = 4mA, qual o valor de RS?

    Ω=+

    −< 342

    420

    8,615

    mAmA

    V V RS e Ω=+

    −> 293

    405

    8,620

    mAmA

    V V RS ∴ Ω

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    3 TRANSISTOR BIPOLAR

    Existe uma infinidade de sinais de interesse em eletrônica que são muitofracos, como por exemplo, as correntes elétricas que circulam no corpo humano, osinal de saída de uma cabeça de gravação, etc., e para transformá-los em sinais úteistorna-se necessário amplificá-los. Antes da década de 50, a válvula era o elementoprincipal desta tarefa. Em 1951, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvido a partirda tecnologia utilizada no diodo de junção, como uma alternativa em relação àsválvulas, para realizar as funções de amplificação, detecção, oscilação, comutação,etc. A partir daí o desenvolvimento da eletrônica foi imenso.

    Dentre todos os transistores, o bipolar é muito comum, com semelhanças aodiodo estudado anteriormente, com a diferença de o transistor ser formado por duas junções pn , enquanto o diodo por apenas uma junção.

    3.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES

    O transistor bipolar é constituído por três materiais semicondutores dopados.Dois cristais tipon e um tipo p ou dois cristais tipop e um tipo n . O primeiro échamado de transistor npn e o segundo de pnp . Na Figura 3.1.1 são mostrados, demaneira esquemática, os dois tipos:

    Figura 3.1.1. Transistor bipolar nas configurações NPN e PNP.

    Cada um dos três cristais que compõem o transistor bipolar recebe o nomerelativo à sua função. O cristal do centro recebe o nome debase , pois é comum aosoutros dois cristais, é levemente dopado e muito fino. Um cristal da extremidaderecebe o nome de emissor por emitir portadores de carga e é fortemente dopado.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    Finalmente o último cristal tem o nome decoletor por receber os portadores decarga e tem uma dopagem média.

    Apesar de na Figura 3.1.1 não distinguir os cristaiscoletor e emissor , elesdiferem entre si no tamanho e dopagem. O transistor tem duas junções: uma entre oemissor e a base e outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor seassemelha a dois diodos. O diodo da esquerda é comumente designado diodoemissor-base (ou só emissor ) e o da direita decoletor-base (ou só coletor ).

    Será analisado o funcionamento do transistornpn . A análise do transistorpnp é similar ao do npn , bastando levar em conta que os portadores majoritários doemissor são lacunas em vez dos elétrons livres. Na prática isto significa tensões ecorrentes invertidas se comparadas com onpn .

    CAMADAS DE DEPLEÇÃO NAS JUNÇÕES DO TRANSISTOR NPN

    A difusão dos elétrons livres através da junção produz duas camadas dedepleção. Cada camada tem aproximadamente uma barreira de potencial de 0,7V(silício) em 25°C.

    Com os diferentes níveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleçãotem larguras diferentes. Tanto maior a largura quanto menor a dopagem. Ela penetrapouco na região do emissor, bastante na região da base e médio na região do coletor.

    A Figura 3.1.2 mostra as camadas de depleção nas junções do transistornpn .

    Figura 3.1.2. Camada de depleção do transistor na configuração NPN.

    POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPNAs junções do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamente.

    JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO DIRETA

    Na Figura 3.1.3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo emissor e a bateriaB2 polariza diretamente o diodo coletor. Os elétrons livres entram no emissor e nocoletor, juntam-se na base e retornam para as baterias. O fluxo de corrente elétrica éalto nas duas junções.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    Figura 3.1.3. Junção do transistor NPN com polarização direta.

    JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO REVERSA

    Na Figura 3.1.4 os diodos emissor e coletor ficam reversamente polarizados. Acorrente elétrica circulando é pequena (corrente de fuga).

    Figura 3.1.4. Junção do transistor NPN com polarização reversa.

    JUNÇÕES COM POLARIZAÇÃO DIRETA-REVERSA

    Na Figura 3.1.5 o diodo coletor está reversamente polarizado e o diodo emissordiretamente polarizado. A princípio espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor euma alta corrente no diodo emissor. No entanto isto não acontece. Nos dois diodos ascorrentes são altas.

    Figura 3.1.5. Junção do transistor NPN com polarização direta-reversa.

    No instante em que a polarização direta é aplicada ao diodo emissor, os

    elétrons do emissor ainda não penetraram na região da base. Se a tensão entre a

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    base e o emissor (VBE) for maior do que 0,7V, muitos elétrons do emissor penetram naregião da base. Estes elétrons na base podem retornar ao pólo negativo da bateria B1ou atravessar a junção do coletor passando a região do coletor. Os elétrons que apartir da base retornam a bateria B1 são chamados decorrente de recombinação .Ela é pequena porque a base é pouco dopada.

    Como a base é muito fina, grande parte dos elétrons da base passam a junçãobase-coletor. Esta junção, polarizada reversamente, dificulta a passagem dosportadores majoritários as do cristal da base (lacunas) para o coletor, mas não doselétrons livres. Esses atravessam sem dificuldade a camada de depleção e penetramna camada do coletor. Lá os elétrons livres são atraídos pelo pólo positivo da bateriaB2.

    Em suma, com a polarização direta do diodo emissor, é injetada uma altacorrente em direção a base. Na base uma pequena parcela de corrente , porrecombinação, retorna ao pólo negativo da bateria B1 e o restante da corrente flui parao coletor e daí para o pólo positivo da bateria B2. Ver Figura 3.1.6.

    Obs.: Considerar a tensão coletor-base (VCB) bem maior que a tensão emissor-base (VBE).

    Figura 3.1.6. Direcionamento dos elétrons no transistor NPN.

    TRANSISTOR PNP

    No transistorpnp as regiões dopadas são contrárias as do transistor npn .Isso significa que as lacunas são os portadores majoritários no emissor em vez doselétrons livres.

    O funcionamento é como a seguir. O emissor injeta lacunas na base. A maiorparte dessas lacunas circula para o coletor. Por essa razão a corrente de coletor équase igual a do emissor. A corrente de base é muito menor que essas duascorrentes.

    Qualquer circuito com transistornpn pode ser convertido para uso de transistorpnp . Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de alimentação, osdiodos e capacitores polarizados. E o funcionamento será idêntico ao do modelonpn .

    AS CORRENTES NO TRANSISTOR

    A Figura 3.1.7 mostra o símbolo esquemático para um transistorpnp e npn . A

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    diferenciação a nível de esquemático é feito através da seta no pino do emissor. A

    Figura 3.1.7. As correntes no transistor NPN e PNP.

    A Figura 3.1.7 mostra o símbolo esquemático para um transistorpnp e npn . Adiferenciação a nível de esquemático é feito através da seta no pino do emissor. A

    direção da seta mostra o fluxo de corrente convencional. Na figura também é mostradoo sentido das correntes convencionais IB, IC e IE.

    A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes quechegam num nó é igual à soma das que saem. Então:

    BC E I I I += (Eq. 22)

    A relação entre a corrente contínua de coletor e a corrente contínua de base échamada de ganho de corrente βCC:

    B

    C CC

    I

    I = β (Eq. 23)

    Em geral mais de 95% dos elétrons livres atingem o coletor, ou seja, a correntede emissor é praticamente igual a corrente de coletor. O parâmetroα CC de umtransistor indica a relação entre a corrente contínua de coletor e a corrente contínua deemissor:

    E

    C CC

    I

    I =α (Eq. 24)

    Quanto mais fina e levemente dopada a base, mais alto oα CC.

    Pode-se relacionar oα CC com oβCC:

    )1.( CC CC CC β α β += (Eq. 25)

    MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR

    Na Figura 3.1.8, o lado negativo de cada fonte de tensão está conectado ao

    emissor. Neste caso denomina-se o circuito como montado em emissor comum. Além

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    da montagem em emissor comum, existem a montagem em coletor comum e basecomum. O circuito é constituído por duas malhas. A malha da esquerda que contém atensão VBE e a malha da direita com a tensão VCE.

    BE BS S V I RV += . (Eq. 26)

    CE C C CC V I RV += . (Eq. 27)

    Figura 3.1.8. Circuito transistorizado na configuração emissor comum.

    RELAÇÃO IB VERSUS VBE

    Existe uma relação entre IB e VBE, ou seja, para cada IB existe uma tensão VBE correspondente (Figura 3.1.9). Naturalmente, esta curva é semelhante a curva do

    diodo.

    Figura 3.1.9. Relação IB ×××× BBE.

    RELAÇÃO IC VERSUS VCE

    A partir de VCC e VS é possível obter diversos valores de IC e VCE. A Figura3.1.10 mostra esta relação, supondo um IB fixo.

    Figura 3.1.10. Relação IC ×××× VCE.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    A parte inicial da curva é chamada deregião de saturação . É toda a curvaentre a origem e o joelho. A parte plana é chamada deregião ativa . Nesta região umavariação de VCE não influencia no valor de IC. IC mantém-se constante e igual a IB.βCC.A parte final é aregião de ruptura (ou região de corte ) e deve ser evitada.

    Na região de saturação , o diodo coletor está polarizado diretamente. Por isso,perde-se o funcionamento convencional do transistor e passa a simular uma pequenaresistência ôhmica entre o coletor e o emissor. Nasaturação não é possível manter arelação IC = IB.βCC. Para sair da região de saturação e entrar na região ativa , énecessária uma polarização reversa do diodo coletor. Como VBE na região ativa é emtorno de 0,7V, isto requer um VCE maior que 1V.

    A região de corte é um caso especial na curva IC x VCE. É quanto IB = 0

    (equivale ao terminal da base aberto). A corrente de coletor com terminal da baseaberto é designada por ICEO (corrente de coletor para emissor com base aberta). Estacorrente é muito pequena, quase zero. Em geral se considera: Se IB = 0 então IC = 0.

    O gráfico da Figura 3.1.10 mostra a curva IC x VCE para um dado IB.Habitualmente o gráfico fornecido pelo fabricante leva em consideração diversos IB’s.Um exemplo está na Figura 3.1.11.

    Notar no gráfico que, para um dado valor de VCE, existem diversaspossibilidades de valores para IC. Isto ocorre porque é necessário ter o valor fixo de IB.Então para cada IBhá uma curva relacionando IC e VCE.

    No gráfico do exemplo, a tensão de ruptura está em torno de 80V, e na regiãoativa para, um IB = 40µA, tem-se que o βCC = IC /IB, isto é, βCC = 8mA/ 40µA = 200.Mesmo para outros valores de IB, o βCC se mantém constante na região ativa.

    Na realidade o βCC não é constante na região ativa, ele varia com atemperatura ambiente e o mesmo com IC. A variação deβCC pode ser da ordem de 3:1ao longo da região ativa do transistor. Na Figura 3.1.12 é mostrado um exemplo devariação de βCC.

    Figura 3.1.11. Curvas características I C ×××× VCE.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    Os transistores operam na região ativa quando são usados comoamplificadores. Sendo a corrente de coletor (saída) proporcional a corrente de base(entrada), designa-se o circuito com transistores na região ativa de circuitos lineares.As regiões de corte e saturação, por simularem uma chave controlada pela corrente debase, são amplamente usados em circuitos digitais.

    Figura 3.1.12. Variação de ββββCCà determinada temperatura.

    O MODELO DE EBERS-MOLL

    Na análise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade emtrabalhar com o transistor a nível de malhas. Uma opção é a de se criar um circuitoequivalente para o transistor usando componentes mais simples como fonte ouresistor.

    O modelo de Ebers-Moll é um circuito equivalente do transistor levando emconsideração que ele esteja trabalhando na região ativa, ou seja: o diodo emissordeve estar polarizado diretamente; o diodo coletor deve estar polarizado reversamentee a tensão do diodo coletor deve ser menor do que a tensão de ruptura. Veja Figura3.1.13.

    O modelo faz algumas simplificações:

    a. VBE = 0,7V; b. IC = IE ; IB = IE / βCC

    Figura 3.1.13. Modelo de Ebers-Moll.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    3.2 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES

    Um circuito transistorizado pode ter uma infinidade de funções e ostransistores, para cada função, tem um ponto de funcionamento correto. Este itemestuda como estabelecer o ponto de operação ou quiescente de um transistor, isto é,como polarizá-lo.

    3.2.1 RETA DE CARGA

    A Figura 3.2.1 mostra um circuito com polarização de base. O problemaconsiste em saber os valores de correntes e tensões nos diversos equipamentos. Umaopção é o uso da reta de carga.

    Figura 3.2.1. Circuito transistorizado com polarização de base.

    O conceito de reta de carga estudado no capítulo sobre diodos, também seaplica a transistores. Usa-se a reta de carga em transistores para obter a corrente IC eVCE, considerando a existência de um RC. A análise da malha direita fornece a correnteIC:

    C CE CC C RV V I / )( −= (Eq. 28)

    Nesta equação existem duas incógnitas: IC e VCE. A solução deste impasse éutilizar o gráfico IC x VCE. Com o gráfico em mãos, basta calcular os extremos da retade carga:

    C CC C CE RV I V / 0 =∴= (ponto superior) (Eq. 29)

    CC CE C V V I =∴= 0 (ponto inferior) (Eq. 30)

    A partir da reta de carga e definido uma corrente IB chega-se aos valores de IC e VCE.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar 42

    Exemplo: No circuito da Figura 3.2.1 suponha que RB = 500k . Construir a retade carga no gráfico da Figura 3.2.2 e medir IC e VCE de operação.

    Solução: Os dois pontos da reta de carga são:

    mAk

    V

    R

    V I V

    C

    CC C CE 10

    5,1

    150 =

    Ω==⇒= (ponto superior)

    V V V I CC CE C 150 ==⇒= (ponto inferior)

    A corrente de base é a mesma que atravessa o resistor RB:

    Ak

    V V I

    R

    V V I B

    B

    BE CC B µ 29500

    7,015=Ω

    −=∴

    −=

    Figura 3.2.2. Reta de carga do circuito na configuração emissor comum.

    Após traçar a reta de carga na curva do transistor chega-se aos valoresde IC = 6mA e VCE = 5,5V. Este é o ponto de operação do circuito (ponto Q – pontoquiescente).

    O ponto Q varia conforme o valor de IB. Um aumento no IB aproxima o transistorpara a região de saturação, e uma diminuição de IB leva o transistor para a região decorte. Ver Figura 3.2.3.

    O ponto onde a reta de carga intercepta a curva IB = 0 é conhecido comocorte .Nesse ponto a corrente de base é zero e a corrente do coletor é muito pequena (ICEO).

    A intercessão da reta de carga e a curva IB = IB(SAT) é chamada saturação .

    Nesse ponto a corrente de coletor é máxima.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    Figura 3.2.3. Determinação das regiões de CORTE, SATURAÇÃO E ATIVA e do ponto quiescente Q.

    3.3 O TRANSISTOR COMO CHAVE

    A forma mais simples de se usar um transistor é como uma chave, significandouma operação na saturação ou no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta decarga. Quando o transistor está saturado, é como se houvesse uma chave fechada docoletor para o emissor. Quando o transistor está cortado, é como uma chave aberta.

    CORRENTE DE BASE

    A corrente de base controla a posição da chave. Se IB for zero, a corrente decoletor é próxima de zero e o transistor está em corte. Se IB for IB(SAT) ou maior, acorrente de coletor é máxima e o transistor satura.

    Saturação fraca significa que o transistor está levemente saturado, isto é, acorrente de base é apenas suficiente para operar o transistor na extremidade superiorda reta de carga. Não é aconselhável a produção em massa de saturação fraca devidoà variação de βCC e em IB(SAT).

    Saturação forte significa dispor de corrente de base suficiente para saturar otransistor para todas as variações de βCC. No pior caso de temperatura e corrente, amaioria dos transistores de silício de pequeno sinal tem umβCC maior do que 10.Portanto, uma boa orientação de projeto para a saturação forte é de considerar umβCC(SAT) = 10, ou seja, dispor, de uma corrente de base que seja de aproximadamenteum décimo do valor saturado da corrente de coletor.

    Exemplo: A Figura 3.3.1 mostra um circuito de chaveamento com transistoracionado por uma tensão em degrau. Qual é a tensão de saída?

    Solução: Quando a tensão de entrada for zero, o transistor está em corte.

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    Capítulo 3 – Transistor bipolar

    Neste caso, ele se comporta como uma chave aberta. Sem a corrente peloresistor de coletor, a tensão de saída iguala-se a +5V.

    Figura 3.3.1. Circuito de chaveamento com transistor.

    Quando a tensão de entrada for de +5V, a corrente de base será:

    mAk

    V V I

    B 43,13

    7,05=

    Ω−

    =

    Supondo o transistor com um curto entre o coletor e o emissor (totalmentesaturado). A tensão de saída vai a zero e a corrente de saturação será:

    mAV

    I SAT C 2,15

    330

    5)( =Ω

    =

    Isto é aproximadamente 10 vezes o valor da corrente de base, ou seja,certamente há uma saturação forte no circuito.

    No circuito analisado, uma tensão de entrada de 0V produz uma saída de 5V euma tensão de entrada de 5V, uma saída de 0V. Em circuitos digitais este circuito échamado de porta inversora.

    Exemplo: Recalcule os resistores RB e RC no circuito da Figura 3.3.1 paraum IC = 10mA.

    Solução:

    a) Cálculo de IB:

    Se mAmA I

    I mA I SAT CC

    C SAT BC 0,1

    1010

    10)(

    )( ===⇒= β .

    b) Cálculo de RC:

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    Ao considerar o transistor saturado, o VCE de saturação é próximo de zero.

    Ω=== 500105

    mA

    V

    I

    V R

    C

    CC

    C .

    c) Cálculo de RB:

    Ω=−

    =−

    = 341

    7,05k

    mA

    V V

    I

    V V R

    B

    BE E B

    3.4 TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE

    A Figura 3.4.1 mostra um transistor como fonte de corrente. Ele tem umresistor de emissor RE entre o emissor e o ponto comum. A corrente de emissor circulapor esse resistor produzindo uma queda de tensão RE.IE.

    Figura 3.4.1. Transistor como fonte de corrente.

    A soma das tensões da malha de entrada é:

    0. =−+ S E E BE V I RV

    logo,

    E

    BE S E

    R

    V V I

    −=

    Como VBE, VS e RE são aproximadamente constantes, a corrente no emissor éconstante. Independe de βCC, RC ou da corrente de base.

    3.5 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

    CIRCUITOS DE POLARIZAÇO EM EMISSOR COMUM

    Fontes de alimentação e resistores polarizam um transistor, isto é, eles

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    estabelecem valores específicos de tensões e correntes nos seus terminais,determinando, portanto, um ponto de operação no modo ativo (o ponto de operação).

    A Figura 3.5.1 mostra o circuito de polarização por base. A principaldesvantagem dele é a sua susceptibilidade à variação doβCC. Em circuitos digitais,com o uso de βCC(SAT), isto não é problema. Mas em circuitos que trabalham da regiãoativa, o ponto de operação varia sensivelmente com oβCC, ou seja, IC = βCC.IB.

    Figura 3.5.1. Circuito de polarização por base.

    POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO

    O circuito mais usado em amplificadores é chamado depolarização pordivisor de tensão (ver Figura 3.5.2).

    A principal evolução do circuito em relação ao de polarização por base é defixar uma tensão na base, via os resistores R1 e R2. O valor de I deve ser bem maiorque IB para a corrente IB não influenciar na tensão sob R2. Como regra práticaconsiderar a corrente I 20 vezes maior que IB.

    Para a análise da tensão em VR2, observar que R1 e R2 formam um divisor detensão. Supondo I >> IB:

    CC R V

    R R

    RV .

    21

    22 +

    = (Eq. 31)

    Obs.: A tensão VR2 não depende de βCC.

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    Figura 3.2.5. Circuito de polarização por base.

    Com o valor de VR2 é simples o cálculo de IE. Deve-se olhar a malha deentrada:

    E BE R V V V +=

    2 (Eq. 32)

    como E E E I RV .=

    então: E

    BE R

    E R

    V V I

    −= 2 (Eq. 33)

    Análise da malha de saída:

    E E CE C C CC I RV I RV ++= .

    Considerando C E I I =

    CE E C C CC V R R I V ++= ).( (Eq. 34)

    E C

    CE CC C

    R R

    V V I

    +−

    = (Eq. 35)

    Notar queβCC não aparece na fórmula para a corrente de coletor. Isto querdizer que o circuito é imune a variação emβCC, o que implica um ponto deoperação estável. Por isso a polarização por divisor de tensão é amplamente utilizada.

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    Exemplo: Determinar os valores de CE E B V V V ,, e E I para o circuito da Figura3.2.6.

    Figura 3.2.6.

    REGRAS DE PROJETO

    Sempre ao polarizar um transistor, deseja-se manter o ponto Q de operaçãofixo independente de outros parâmetros externos, ou seja, espera-se um divisor detensão estabilizado. Para minimizar o efeito deβCC, considerar:

    E CC R R ..01,02 β ≤ (Eq. 36)

    onde o valor deβCCé o do pior caso, isto é, o menorβCCque o transistor pode ter.O defeito desta regra é o fato de um baixo R2 influenciar negativamente na

    impedância de entrada. Então, como opção, podemos considerar

    E CC R R ..1,02 β ≤ (Eq. 37)

    assim R2 será maior, mas com possibilidade de degradação na estabilidade do pontoQ. Quando se segue a regra da Equação 37, designa-se o circuito depolarização pordivisor de tensão firme e quando se segue a regra da Equação 36, designa-se porpolarização por divisor de tensão estabilizado .

    Solução:

    Cálculo de VR2 a partir da Equação 31:

    V V k k

    k V V

    R B 85,330.186

    12

    =Ω+Ω

    Ω== .

    Cálculo de IE a partir da Equação 33:

    mA

    V V

    I E 2,4750

    7,085,3=Ω

    −= .

    Cálculo de VE:

    V mA I RV E E E 15,32,4.750. =Ω== .

    Cálculo de VCE a partir da Equação 34:

    V k mAV V CE 25,14)7503.(2,430 =Ω+Ω−= .

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    Na escolha do ponto de operação da curva IC x VCE, deve-se dar preferência aum ponto central, isto é, VCE = 0,5.VCC ou IC = 0,5.IC(SAT), de forma que o sinal possa

    excursionar ao máximo tanto com o aumento de IB quanto com a diminuição.Por último, aplicar a regra de VE ser um décimo de VCC.

    CC E V V .1,0= (Eq. 38)

    Exemplo: Polarizar um transistor por divisão de tensão firme.

    Dados:VCC = 10V, IC = 10mA eβCC = 100.

    Solução:

    Cálculo deR E aplicando a regra da Equação 38:

    C E I I =

    V V V E 110.1,0 ==

    Ω=== 10010

    1mA

    V

    I

    V R

    E

    E E .

    Cálculo deR C a partir da Equação 35 e VCE = 0,5.VCC:

    ∴Ω+

    −=∴+−

    =100

    51010

    C E C

    CE CC C

    R

    V V mA

    R R

    V V I Ω=Ω−

    −= 400100

    10

    510mA

    V V R

    C .

    Cálculo deR 2 a partir da Equação 37:

    Ω=Ω≤ 1000100.100.1,02 R .

    Cálculo deR 1 utilizando a Equação 31:

    0.2 =−− E E BE R I RV V ∴ )10100(7,0. 22 mA xV V I RV V R E E BE R Ω+=∴+=

    V V V V R 7,117,02 =+=

    Ω=Ω=∴Ω+

    Ω=∴+

    = 74488210.1000

    10007,1. 1

    121

    22

    k RV R

    V V R R

    RV

    CC R (Comercial)

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    Exercícios de fixação sobre Transistor Bipolar

    1. No circuito da figura abaixo, encontrar as tensões VE e VCE de cada estágio.

    2. Projete um circuito de polarização por divisor de tensão com as seguintesespecificações: VCC = 20V, IC = 5mA, 80

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    4. Qual a tensão do emissor e do coletor (os dois em relação ao terra) para cadaestágio do circuito abaixo, sendo VCC = 10V.

    5. No exercício anterior, suponha VCC = 20V e calcule, para cada estágio, os valoresde VB, VE, VC e IC.

    REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:MALVINO Alb t P El t ô i 4 d Sã P l M k B k 1995