ApostilaAnalogicaI

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSAUFV - CAMPUS FLORESTAL

CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA E ELETROTÉCNICA

Apostila de Eletro nica Analo gica I

ELABORADA POR: PROF. WANDERSON FERREIRA DE SOUZA

Florestal, fevereiro de 2011.



IApostila de Eletrônica Analógica I

Sumário

1 Estudo dos fenômenos elétricos ............................................................................... 1

1.1 Introdução .......................................................................................................... 1

1.2 As principais grandezas elétricas ....................................................................... 1

1.2.1 Carga elétrica .............................................................................................. 1

1.2.2 Tensão ou diferença de potencial ............................................................... 1

1.2.3 Corrente elétrica ......................................................................................... 2

1.2.4 Potência elétrica .......................................................................................... 2

1.2.5 Energia elétrica ........................................................................................... 3

2 Introdução à eletrônica ............................................................................................. 4

2.1 Características dos materiais quanto à condução elétrica .................................. 4

2.2 Noções de física dos semicondutores. ............................................................... 4

2.2.1 Semicondutor tipo n. .................................................................................. 6

2.2.2 Semicondutor tipo p. .................................................................................. 6

2.3 Diodo ideal. ........................................................................................................ 7

2.3.1 Camada de depleção ................................................................................... 7

2.3.2 O símbolo do diodo. ................................................................................... 8

2.3.3 Características da junção do diodo. ............................................................ 8

2.3.4 Polarização do diodo .................................................................................. 8

2.3.5 Diodos retificadores. ................................................................................. 10

2.3.6 LED. ......................................................................................................... 10

2.3.7 Diodo Zener. ............................................................................................. 11

2.4 Lista 1 de Exercícios Eletrônica Analógica ..................................................... 12

3 Circuitos com diodos. ............................................................................................. 13

3.1 Modelo de pequenos sinais e sua aplicação. .................................................... 13

3.1.1 Primeira aproximação ............................................................................... 13

3.1.2 Segunda aproximação ............................................................................... 13

3.1.3 Terceira aproximação ............................................................................... 13

3.2 Reta de carga .................................................................................................... 14

3.3 Circuitos retificadores. ..................................................................................... 15

3.3.1 Retificador de meia-onda.......................................................................... 15

3.3.2 Retificador de onda completa com transformador com derivação central(Center Tap). .......................................................................................................... 16

3.3.3 Retificador de onda completa em ponte. .................................................. 17

3.4 Reguladores a Zener. ....................................................................................... 18

3.5 Circuitos limitadores de tensão. ....................................................................... 19

3.5.1 Ceifador série. ........................................................................................... 19



II

3.5.2 Ceifador paralelo. ..................................................................................... 20

3.6 Circuitos grampeadores. .................................................................................. 20

3.7 Circuitos multiplicadores de tensão ................................................................. 21

3.7.1 Duplicador de tensão ................................................................................ 21


4 Transistores bipolares ............................................................................................. 27

4.1 Estrutura física e modos de operação............................................................... 27

4.2 Operação do transistor NPN no modo ativo. ................................................... 28

4.3 Análise de circuitos em CC.............................................................................. 30

4.3.1 Parâmetro α............................................................................................... 30

4.3.2 Parâmetro β............................................................................................... 30

4.4 Configuração emissor-comum ......................................................................... 31

4.5 Configuração coletor-comum .......................................................................... 32

4.6 Transistor PNP. ................................................................................................ 32


5 Polarização CC do transistor TBJ ........................................................................... 34

5.1 Como determinar o ponto de operação do transistor. ...................................... 34

5.1.1 Os parâmetros que devem ser conhecidos ................................................ 35

5.1.2 Polarização fixa ........................................................................................ 35

5.1.3 Determinando a reta de carga. .................................................................. 36

5.2 Polarização estável do emissor. ....................................................................... 36

5.3 Polarização universal ou por divisor de tensão. ............................................... 37

5.4 Polarização por realimentação do coletor. ....................................................... 38

5.5 O transistor como chave. ................................................................................. 39


6 Transistores de Efeito de Campo (FET) ................................................................. 42

6.1 Principais características .................................................................................. 42

6.2 O JFET. ............................................................................................................ 42

6.2.1 Estrutura do JFET. .................................................................................... 42

6.2.2 Características e operação física do JFET. ............................................... 43

6.3 O MOSFET. ..................................................................................................... 43

6.3.1 Estrutura, características e operação física do MOSFET tipo depleção. .. 43

6.3.2 Estrutura, características e operação física do MOSFET tipointensificação. ......................................................................................................... 44



IIIApostila de Eletrônica Analógica I

Lista de Figuras

Figura 1 - Força elétrica na Lei de Coulomb .................................................................... 1

Figura 2 - Bandas de energia dos materiais. ..................................................................... 4

Figura 3 - Modelo de átomo segundo Bohr ...................................................................... 5Figura 4 - Átomos de Silício e Germânio ......................................................................... 5

Figura 5 - Dopagem com impureza doadora (átomo de fósforo, P, pentavalente). .......... 6

Figura 6 - Dopagem com impureza aceitadora (átomo de boro, B, trivalente). ............... 7

Figura 7 - Cristal pn no instante de sua formação. ........................................................... 7

Figura 8 - Cristal pn depois da difusão, aparece a camada de depleção ........................... 7

Figura 9 - Símbolo do diodo. ............................................................................................ 8

Figura 10 - Diodo 1N4007 ............................................................................................... 8

Figura 11 - Diodo 1N4148 ............................................................................................... 8

Figura 12 - Diodo polarizado diretamente. ....................................................................... 9

Figura 13 - Diodo polarizado reversamente. .................................................................... 9

Figura 14 - Curva do diodo ............................................................................................ 10

Figura 15 - Estrutura e símbolo do LED ........................................................................ 11

Figura 16 - Fotos de alguns tipos de LED ...................................................................... 11

Figura 17 - Símbolo do diodo Zener. ............................................................................. 11

Figura 18 - Curva característica do diodo Zener. ........................................................... 11Figura 19 - Circuito para estudo da linha de carga. ........................................................ 14

Figura 20 - Linha de carga do diodo............................................................................... 14

Figura 21 - Circuito de Meia-onda. ................................................................................ 15

Figura 22 - Retificador de Meia-onda durante o semiciclo positivo. ............................. 15

Figura 23 - Retificador de Meia-onda durante o semiciclo negativo. ............................ 15

Figura 24 - Forma de onda do retificador de Meia-onda. ............................................... 16

Figura 25 - Retificador de onda completa com transformador center tap...................... 16

Figura 26 - Funcionamento do retificador com center tap para o semiciclo positivo. ... 16

Figura 27- Funcionamento do retificador com center tap para o semiciclo negativo. ... 17

Figura 28 - Circuito retificador em ponte. ...................................................................... 17

Figura 29 - Funcionamento do retificador em ponte para o semiciclo positivo. ............ 17

Figura 30- Funcionamento do retificador em ponte para o semiciclo negativo ............. 18

Figura 31 - Circuito básico de um regulador de tensão com zener. ............................... 18

Figura 32 - Equivalente do diodo zener.......................................................................... 19

Figura 33 - Circuito ceifador série. ................................................................................. 19Figura 34 - Formas de onda da entrada e saída para o ceifador série. ............................ 19

http://c/Users/Wanderson/Documents/Ufv/Apostilas/AnalogicaI/ApostilaAnalogicaIc.docx%23_Toc284225237










IV

Figura 35 - Circuito ceifador paralelo. ........................................................................... 20

Figura 36 - Formas de onda da entrada e saída para o ceifador paralelo. ...................... 20

Figura 37 - Circuito grampeador. ................................................................................... 20

Figura 38 - Funcionamento do grampeador, primeiro com diodo ligado e depois com

diodo desligado. .............................................................................................................. 21Figura 39 - Circuito duplicador de tensão. ..................................................................... 21

Figura 40 - Estados e operação do circuito dobrador. .................................................... 21

Figura 41 - Circuito triplicador ou quadruplicador de tensão. ....................................... 22

Figura 42 - Primeiro transistor criado em 1947. ............................................................. 27

Figura 43 - Tipos de transistor TBJ. ............................................................................... 28

Figura 44 - Estruturas das junções do transistor NPN. ................................................... 28

Figura 45 - Esquema didático e simbologia do transistor. ............................................. 29

Figura 46 - Polarização base comum para transistor npn. .............................................. 29

Figura 47 - Curva característica do transistor para configuração base-comum. ............ 30

Figura 48 - Configuração emissor-comum para transistor TBJ npn. ............................. 31

Figura 49 - Curvas características de um npn emissor-comum. (a) a curva de entrada e(b) a curva de saída. ........................................................................................................ 32

Figura 50 - Configuração coletor-comum para transistor TBJ npn. ............................... 32

Figura 51 - Pontos de operação do circuito. ................................................................... 34

Figura 52 - Circuito polarização fixa. ............................................................................. 35Figura 53 - Reta de carga para polarização fixa. ............................................................ 36

Figura 54 - Polarização estável de emissor. ................................................................... 37

Figura 55 - Polarização universal ou por divisor de tensão. ........................................... 37

Figura 56 - Circuito equivalente para determinar a tensão Thévenin de entrada. .......... 38

Figura 57 - Circuito equivalente Thévenin de entrada. ................................................... 38

Figura 58 - Polarização por realimentação de coletor. ................................................... 39

Figura 59 - Transistor funcionando como chave. ........................................................... 39

Figura 60 - Estrutura do JFET canal n. ........................................................................... 42

Figura 61 - Símbolo do JFET (a) canal n e (b) canal p. ................................................. 43

Figura 62 - Estrutura do MOSFET de depleção canal n................................................. 43

Figura 63 - Símbolo do MOSFET de depleção. ............................................................. 44

Figura 64 - Estrutura do MOSFET de intensificação canal n......................................... 44

Figura 65 - Símbolo do MOSFET de intensificação. ..................................................... 44



VApostila de Eletrônica Analógica I

Prefácio

O objetivo desta apostila é de auxiliar os alunos dos cursos técnicos de Eletrônica e

Eletrotécnica no estudo da disciplina de Eletrônica Analógica I da UNIVERSIDADE

FEDERAL DE VIÇOSA - CAMPUS FLORESTAL. Em momento algum, pretende-se

com este material substituir a bibliográfica básica e complementar. Foi feito um resumo

de cada tópico para facilitar o entendimento dos pontos mais relevantes.

Como referências para elaboração desse material foram usados os livros:

Malvino, Albert Paul. Eletrônica. Volume I, 2ª Edição. Editora McGraw-Hill.

Boylestad, Robert e Nashelsky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria deCircuitos. 6ª Edição. Editora LTC.

Um grande número de figuras utilizadas neste material foram copiadas do livro do

Boylestad. Assim, desde já declaro a não propriedade sobre as mesmas.

Está é apenas uma primeira versão, não sendo realizada uma revisão mais criteriosa do

material. Desta forma, correções e sugestões são bem vindas e podem ser encaminhadas

para o responsável pela elaboração do material.

Desejo que este material possa contribuir de forma agradável e eficiente para a

formação dos alunos desses cursos.

Seja bem vindo a disciplina e ao curso.

PROFESSOR WANDERSON FERREIRA DE SOUZACoordenador do Curso Técnico de EletrônicaUFV-Campus [email protected]



1Apostila de Eletrônica Analógica I

1 Estudo dos fenômenos elétricos

Esta unidade fará uma revisão sucinta de alguns conceitos básicos empregados no estudo daeletricidade.

1.1 Introdução

Sabemos que a unidade fundamental da matéria é o átomo. Este átomo é constituído porpartículas fundamentais, conhecidas como: prótons, elétrons e neutros. Onde,

Prótons: carga elétrica positiva (+) ≡ Coulombs); Elétrons: carga elétrica negativa (-) ≡ Coulombs); Nêutrons: não possuem carga.

Todos os valores de carga são múltiplos inteiros destas cargas elementares.

1.2 As principais grandezas elétricas

Inúmeras são as grandezas elétricas que poderiam ser discutidas. Aqui o objetivo e entenderalgumas das grandezas de maior interesse para estudo da Eletrônica Analógica.

1.2.1 Carga elétrica

Devido à carga elétrica elementar de um elétron ou de um próton ser muito pequena é usadocomo unidade de carga elétrica um múltiplo dessa. O nome da unidade de carga elétrica é o

Coulomb, que é representado pela letra C . A variável Q (MAIÚSCULA) é usada parareferenciar carga constante e a variável q (MINÚSCULA) para carga variável no tempo.Assim,

1.2.2 Tensão ou diferença de potencial

É definido pela Lei de Coulomb, que estabelece que em torno de um corpo carregado apareceum campo elétrico. Esse campo é capaz de exercer uma força de atração ou repulsão sobreuma carga colocada na sua presença, a depender da polaridade das cargas envolvidas.Imaginando um espaço conforme mostra a Erro! Fonte de referência não encontrada. épossível elaborar as seguintes considerações.

+

+

A B

Q1 Q2

-F F

r

Figura 1 - Força elétrica na Lei de Coulomb



2 UFV – CAMPUS FLORESTAL

1-1 Onde, k é a constante eletrostática [ N.m

2 /C

2],

Q1 e Q2 são as cargas elétricas [C ] ou [Coulombs],

r é a distância entre as cargas [m].

Sobre a carga Q2 haverá uma força de repulsão, F.A força F criada pelo campo elétrico realizará trabalho ao deslocar a carga Q2 de A até B.Pode ser definido como tensão ou diferença de potencial como a capacidade de realizartrabalho sobre uma carga elétrica. Assim, na Erro! Fonte de referência não encontrada. tem-se:

1-2 Onde, V A é a tensão no ponto A [V ] ou [Volts],

V B é a tensão no ponto B Δt T AB é o trabalho realizado para deslocar a carga elétrica de A para B [ J ] ou

[ Joules].

Da definição acima, vemos que a unidade da tensão é o 1J/1C , está unidade é denominada de1 Volt = 1 V .

Por fim, podemos dizer que 1 Volt é a energia necessária para realizar um trabalho de 1J sobreum carga de 1C .

1.2.3 Corrente elétrica

A corrente elétrica é o deslocamento de carga que ocorre quando um campo elétrico éestabelecido sobre um condutor qualquer. Essa corrente pode ser da forma contínua ( I ) oualternada (i), dependendo do campo elétrico responsável. Nos metais, a corrente elétrica éconstituída por elétrons livres em movimentos.A intensidade da corrente elétrica é a relação entre a variação de carga (ΔQ), sobre a secção(S) em um intervalo de tempo (Δt). Assim,

1-3 Onde, ΔQ é a variação de carga na secção S sobre o intervalo Δt [C ],

Δt é a variação de tempo observada [s],

1.2.4 Potência elétrica

Potência é a razão pela qual alguma coisa absorve ou libera energia. É a medida de quãorápido um equipamento eletroeletrônico transforma energia, realiza trabalho. A unidade depotência é o Watt (W ) e é representada pela variável P. Assim,

1-4

Sentido Convencional = mesmo do campo elétrico (+)

Sentido Real = oposto ao campo elétrico (-)




Como,

tem-se

1-5 Se um trabalho de 1J for realizado em um intervalo de 1s então a potência envolvida é de 1W .

1.2.5 Energia elétrica

É o que os consumidores compram das companhias de energia elétrica, por exemplo, CEMIG.A sua intensidade é a medida do trabalho que pode ser realizado. Sendo assim, pode tambémser entendida como por quanto tempo uma determinada potência pode ser alimentada,suprida. A sua unidade é o Joule e é representada pela variável E .

1-6 Devido ao Joule ser uma unidade muito pequena, as companhias de fornecimento de energiaelétrica geralmente utilizam o kWh (quilo watts por hora).




2 Introdução à eletrônica

Nesta unidade serão estudados os dispositivos semicondutores, classificados comodispositivos do estado sólido. Para uma melhor compreensão do funcionamento destes

dispositivos, será feita uma breve revisão sobre a condução elétrica nos materiais, como sãoformados os semicondutores tipo n e tipo p e como é um diodo de junção.

2.1 Características dos materiais quanto à condução elétrica

Com relação à capacidade de conduzir corrente elétrica, os materiais podem ser:- Isolantes: não possuem elétrons livres na sua camada de condução e possuem uma

larga banda proibida. Exemplos: mica, vidro, borracha, papel e plástico.- Condutores: possuem elétrons livres na sua camada de condução e não possuem banda

proibida. Exemplos: cobre prata e alumínio.

- Semicondutores: não possuem elétrons livres na camada de condução e possuem umamédia banda proibida. Exemplos: silício e germânio.

A Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta as bandas de energia dos materiaisquanto a sua condução elétrica.A banda de valência é a orbita mais externa do átomo. Para que um átomo esteja em umacondição elétrica estável um átomo deve possuir na sua banda de valência 8 elétrons.

Esta capacidade de conduzir corrente elétrica depende do número de elétrons livres domaterial. Por exemplo, o átomo de cobre (condutor) possui um elétron livre. Este elétronpercorre uma órbita muito grande (alto nível de energia) e sente pouca atração do núcleo. Emum fio de cobre os elétrons livres estão em uma banda de energia chamada banda decondução. Ao se aplicar um campo elétrico a este fio, provoca-se a circulação de uma correnteelétrica.

2.2 Noções de física dos semicondutores.

Segundo Bohr um átomo é constituído por um núcleo rodeado por elétrons em orbita, como

mostra a Figura 3. O núcleo possui uma carga positiva que atrai os elétrons, que possuemcarga negativa e estão em movimento em torno do núcleo.

Figura 2 - Bandas de energia dos materiais.




Figura 3 - Modelo de átomo segundo Bohr

Uma forma de representar um átomo em duas dimensões é mostrada na Figura 4, quemostram os átomos de silício e germânio. O átomo de silício possui 14 prótons no núcleo e os

elétrons estão distribuídos em 3 camadas, sendo que a última camada possui 4 elétrons naúltima camada. O átomo de germânio possui 32 prótons no núcleo, sendo os seus elétronsdistribuídos em 4 camadas, tendo também 4 elétrons na última camada. Por essa razão, tanto osilício quanto o germânio, semicondutores, são chamados de átomos tetravalentes.É sabido que um átomo para estar em uma condição quimicamente estável é necessário estarcom 8 elétrons na sua banda de valência, assim os semicondutores estão exatamente no meiodessa condição, pois possui 4 elétrons na camada de valência. Assim, os semicondutorespoderiam tanto perder 4 elétrons quanto ganhar 4 elétrons. Diferentemente, os condutorespossuem no máximo 3 elétrons na sua última camada e tendem a perder esses elétrons daúltima camada para se tornarem estáveis. No caso dos isolantes, não metais, esses possuem 5,6 ou 7 elétrons na sua última camada e assim tenderiam a receber elétrons para ficarem emuma situação estável.

Figura 4 - Átomos de Silício e Germânio

O silício, na forma cristalina pura a 0º K, possui todos os elétrons em seus níveis mais baixos

de energia. Na medida em que a temperatura aumenta, a energia térmica pode elevar algunselétrons até a banda de condução, onde eles podem se deslocar mais facilmente. Neste caso, oelétron que vai para a banda de condução deixa uma lacuna na de valência. As lacunas agemcomo cargas positivas, equivalem a uma ausência de elétron.Aplicando um campo elétrico neste material os elétrons se movem para o lado positivo dabateria e as lacunas para o negativo, mas, no entanto, a 25ºC, observa-se apenas uma correntemuito pequena. Ele não é nem isolante nem condutor, é um semicondutor.No cristal puro o número de lacunas é igual ao número de elétrons livres. Neste caso osemicondutor é chamado semicondutor intrínseco.Para uso prático o semicondutor intrínseco não teria nenhuma funcionalidade, então parapermitir o seu uso existe a dopagem, que consiste na introdução de impurezas para aumentar onúmero de elétrons livres e de lacunas. Um cristal dopado é um semicondutor extrínseco.




2.2.1 Semicondutor tipo n.

Para se conseguir mais elétrons na banda de valência, acrescentam-se átomos pentavalentes ao silício. O átomo pentavalente forma ligações covalentes com átomos de silício, mas ficacom um elétron extra, sem combinar. Este elétron vai para a banda de condução. Com este

procedimento, a banda de condução fica com muitos elétrons, enquanto a da valência ficacom poucas lacunas.Neste semicondutor: Os elétrons são chamados portadores majoritários, pois estão emmaioria. As lacunas são chamadas portadores minoritários. Observações:- Os átomos pentavalentes são chamados doadores;- Semicondutor tipo n significa negativo;- Como impurezas doadoras podem-se citar: arsênio, antimônio e fósforo.

2.2.2 Semicondutor tipo p.

Para se conseguirem mais lacunas acrescentam-se átomos trivalentes ao silício. O átomotrivalente forma ligações com apenas 3 elétrons do átomo de silício, deixando um elétron doátomo de silício sem combinar, uma lacuna.No semicondutor tipo p a banda de condução fica com poucos elétrons enquanto a banda devalência fica com muitas lacunas.Neste semicondutor: As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons são os

portadores minoritários. Observações:- Os átomos trivalentes são impurezas aceitadoras;

- O nome semicondutor tipo p, refere-se a positivo.- Exemplo de impurezas aceitadoras: alumínio, boro e gálio.

Figura 5 - Dopagem com impureza doadora (átomo de fósforo, P, pentavalente).




2.3 Diodo ideal.

É possível produzir um cristal como o da Figura 7, com uma parte do tipo p e outra do tipo n.A junção é onde as regiões p e n se encontram. Um cristal pn como o mostrado é conhecidocomo diodo.

Figura 7 - Cristal pn no instante de sua formação.

2.3.1 Camada de depleção

Com a junção, os elétrons livres do material tipo n se movem através desta e se combinamcom lacunas do material tipo p. Quando isto ocorre, desaparece a lacuna e o átomo querecebeu elétrons torna-se um íon negativo; o que perdeu elétrons torna-se um íon positivo.Quando a junção é formada há uma corrente inicial chamada corrente de difusão. Devido àsligações covalentes, os íons ficam fixos e não podem se deslocar, como os elétrons livres.Após algum tempo, a região próxima à junção fica sem elétrons livres e sem lacunas. Estaregião é chamada camada de depleção, como é mostrada na Figura 8. Esta camada torna-seuma barreira contra a difusão de elétrons por meio do cristal. A diferença de potencial nela é

chamada barreira de potencial.

Figura 8 - Cristal pn depois da difusão, aparece a camada de depleção

Figura 6 - Dopagem com impureza aceitadora (átomo de boro, B, trivalente).




2.3.2 O símbolo do diodo.

O diodo, um cristal pn, é visto na Figura 9. Um dos seus terminais recebe o nome de anodo(A) e o outro de catodo (K).

Figura 9 - Símbolo do diodo.

A Figura 10 e a Figura 11 mostram respectivamente as fotos de um diodo de retificação e umdiodo de sinal.

Figura 10 - Diodo 1N4007 Figura 11 - Diodo 1N4148

2.3.3 Características da junção do diodo.

Como dito a junção do diodo é formada quando se junta uma região dopada do tipo p comoutra dopada do tipo n, entre essas regiões, conhecida com junção aparece uma camada dedepleção, que é responsável por criar uma barreira de potencial. O valor dessa barreira depotencial depende do tipo de semicondutor que o diodo é construído. Então a 25ºC tem-se:

- Diodo de silício, Si ≈ 0,7V. - Diodo de germânio, Ge ≈ 0,3V.

2.3.4 Polarização do diodo

O diodo é um dispositivo de dois terminais e sendo assim pode ser polarizado de duas formas,quando um potencial positivo é aplicado ao anodo (A) e negativo no catodo (K), polarização

direta; ou quando um potencial negativo é aplicado ao anodo (A) e positivo no catodo (K), polarização reversa.

2.3.4.1 Polarização direta.Polarizando-se o diodo diretamente, há passagem de corrente porque os elétrons são repelidospelo terminal negativo e atravessam a junção, chegando até as lacunas. No semicondutor tipop, estes elétrons se recombinam com as lacunas e se deslocam na camada de valência,atravessando o cristal, saindo deste e chegando ao polo positivo da bateria. Em resumo:- Os elétrons saem do terminal negativo da fonte.- Percorrem a região n como elétrons livres.- Próximo à junção, recombinam e se tornam de valência.- Passam pela região p como de valência.- Saem do cristal como elétrons livres e vão ao polo positivo da bateria.




Figura 12 - Diodo polarizado diretamente.

2.3.4.2 Polarização reversa.A polarização reversa consiste em conectar ao material tipo n (negativo) o polo positivo dabateria e ao tipo p (positivo) o negativo da bateria. Assim:- Os elétrons livres se afastam na região n em direção ao terminal positivo da fonte.- Os elétrons que saem deixam mais íons positivos na região de depleção.- As lacunas que “saem” deixam mais íons negativos nesta região.

- A região de depleção fica mais larga.- Ela interrompe o aumento quando sua diferença de potencial se igualar à da fonte.- Só existirá uma pequena corrente reversa da ordem de 0,1µA para o silício e de 1µA para

o germânio, devido aos portadores minoritários, chamada Corrente de Saturação Reversa.- Além dessa corrente existe outra, muito pequena também, na superfície do cristal,

chamada Corrente de Fuga Superficial.

Figura 13 - Diodo polarizado reversamente.

2.3.4.3 Tensão de rupturaSe a tensão reversa aumentar muito, o diodo passará a conduzir uma elevada corrente nosentido reverso, sendo danificado. Tensão de ruptura é aquela que rompe a barreira depotencial. Para diodos retificadores, normalmente, esta tensão é maior que 50V .

Não se permite, na maioria dos diodos, que a tensão chegue ao valor de ruptura, através doprojeto de um circuito adequado. Não há nenhuma variável padrão de identificação da tensãode ruptura, depende da folha de dados do fabricante. Assim para tem-se as seguintes:VBR: tensão de rupturaPIV: tensão reversa de picoVBV: tensão de rupturaVRM: tensão reversa máximaPRV: tensão reversa de pico




2.3.5 Diodos retificadores.

Um diodo age de forma a deixar passar corrente quando polarizado no sentido direto, e abloquear a condução de corrente ao ser polarizado no sentido inverso. Com esta propriedadeele opera como elemento retificador (além de outras aplicações).

No caso do diodo, ao polarizarmos no sentido direto ele conduz corrente de maneiraexponencial em função da tensão aplicada, conforme mostra o gráfico da Figura 14. Para altaspolarizações a expressão para a corrente é mostrado na Equação 2-1.

Onde, I é a corrente no diodo [A],I0 é a corrente de saturação [A],q é a carga do elétron (≈ 1,6x10-19 C),V é a tensão aplicada [V],k é a constante de Boltzmann (≈ 1,38x10-23 J/K),

T é a temperatura da junção em kelvin [K].

Figura 14 - Curva do diodo

A curva característica do dispositivo descreve a relação tensão-corrente em um diodo.Observa-se que, em polarização direta, o diodo não conduz intensamente, até a barreira de

potencial (no caso: V0). A partir deste ponto (tensão de joelho ou tensão de limiar), a correnteaumenta rapidamente. Em polarização reversa, a corrente de fuga é muito pequena até certolimite, quando cresce rapidamente (ruptura).

2.3.6 LED.

O LED ( Lighting Emission Diode) é o diodo emissor de luz. Atualmente tem crescido muito ointeresse é o emprego de dispositivos que emitem luz quando devidamente polarizados.Quando uma junção pn é polarizada diretamente, há dentro da estrutura, principalmentepróximo da junção uma recombinação de elétrons e lacunas. Na recombinação a energia do

elétron livre será transferida para outro estado. Na junção pn parte de energia será dissipadana forma de calor e outra na forma de fótons. No silício e no germânio parte dessa energia é,

⁄ 2-1




basicamente, transformada em calor e os fótons emitidos são insignificantes. Para o caso, porexemplo, do arsenieto de gálio (GaAsP) ou fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons daenergia luminosa é suficiente para criar uma luz bem visível.O processo de emissão de luz aplicando uma fonte de energia elétrica é chamado deeletroluminescência.

Figura 15 - Estrutura e símbolo do LED Figura 16 - Fotos de alguns tipos de LED

2.3.7 Diodo Zener.

A região zener é a região onde ocorre a avalanche, como mostrado pela Figura 14. Observa-seque para valores maiores que V Z a curva cai quase verticalmente. Nesta condição observa-seque a corrente que passa pelo diodo tem um sentido contrário ao diodo polarizadodiretamente. Para que o diodo Zener funcione é necessário que restrições de corrente sejamatendidas. A corrente deverá ser maior que um valor mínimo I Zmin e menor que um valormáximo I Zmax, isso limita a potência dissipada por este diodo.

Figura 17 - Símbolo do diodo Zener. Figura 18 - Curva característica do diodo Zener.




2.4 Lista 1 de Exercícios Eletrônica Analógica

Conceitos Iniciais, Lei de Ohm e Teoria dos Semicondutores.

1. Como surgiu a teoria do fluxo convencional? Para o circuito abaixo represente o fluxo

de corrente real (elétrons) e convencional.

2. O que vem a ser uma fonte de tensão ideal? Represente uma fonte de tensão real etrace o gráfico da corrente de carga.

3. Qual a diferença entre fonte de corrente e fonte de tensão?

4. O que você entende por banda de valência e banda de condução?

5. Por que atualmente o diodo de germânio não é usado?

6. Represente as bandas de energia de um átomo.

7. Explique como aparece a camada de depleção.

8. O que vem a ser dopagem de um cristal?

9. Qual a diferença entre o semicondutor tipo p e o tipo n?

10. O que ocorre quando um diodo é polarizado diretamente em um circuito?

11. O que ocorre quando um diodo é polarizado reversamente em um circuito?

12. Quais são os principais parâmetros utilizados na especificação de um diodo?

13. Cite alguns dos tipos de diodos existentes?

14. Qual é a principal aplicação dos diodos?




3 Circuitos com diodos.

Como são muitos os circuitos que podem ser construídos com diodos, nesta unidade será vistoalguns circuitos para fixação de conceitos. Mais circuitos envolvendo diodos como os

retificadores e dobradores, grampeados e ceifadores serão vistos ao longo desta unidade.

3.1 Modelo de pequenos sinais e sua aplicação.

Conforme apresentado na Equação 2-1 e representado na Figura 14 verifica-se que o diodoapresenta uma característica de funcionamento não linear. Em ambas as polarizaçõesobservadas: região direta e região reversa a característica tensão x corrente é não linear. Parafacilitar a análise e solução matemática de circuitos com diodo algumas aproximações sãousadas. As aproximações são criadas segundo o grau necessário de acompanhamento dascurvas reais do diodo.

3.1.1 Primeira aproximação

O diodo é modelado como uma chave. Estando polarizado diretamente funciona como umachave fechada e quando polarizado reversamente funciona como uma chave aberta. Estaaproximação é adequada quando estamos trabalhando com tensões altas, em que a quedadireta de tensão seja praticamente desprezível.

3.1.2 Segunda aproximação

O diodo é modelado por uma chave em série com a bateria de valor igual à V D. Quandopolarizado diretamente a chave está fechada tendo a bateria em série. Nesta condição, a tensãosobre o diodo permanece a mesma independente do valor da corrente. O funcionamento é deuma chave aberta quando polarizado reversamente. Essa é aproximação mais usada emcircuitos eletrônicos de baixa tensão.

3.1.3 Terceira aproximação

Essa é a aproximação mais perto da curva real. O diodo é modelado por uma chave em sériecom uma bateria e um resistor. O resistor é usado para indicar a característica de linearidadeentre a tensão e corrente quando o diodo entra em condução. Assim, quando o diodo estápolarizado diretamente a chave fecha, quando a tensão for maior ou igual à V D e terá umaqueda de tensão dependente da corrente. Essa aproximação é usada quando se trabalha comresistores de precisão e pequenos valores de tensão e corrente.




3.2 Reta de carga

Dispondo-se da curva do diodo e dos valores dos componentes no circuito, pode-se traçar umareta mostrando-se o ponto de operação (corrente e tensão no diodo para o circuito emquestão). Considere o circuito mostrado na Figura 19 para este estudo.

Figura 19 - Circuito para estudo da linha de carga.

Esta reta é chamada linha de carga e aparece na Figura 20.

Figura 20 - Linha de carga do diodo.

Pela curva do diodo, observa-se que a corrente no circuito poderá crescer rapidamente apósser vencida a barreira de potencial. Para se limitar o valor desta corrente, é conveniente autilização de um resistor, o resistor R1 da Figura 19. Esse resistor recebe o nome de resistor

limitador.Para o traçado desta reta, tomam-se seus os valores extremos, ou seja, supondo-se tensão zerono diodo determina-se o ponto de corrente máxima. Supondo-se corrente zero, determina-se atensão máxima. Assim, para V=0 (ponto nas ordenadas):

Agora para I=0, chega-se ao ponto das abcissas:




3.3 Circuitos retificadores.

Retificadores transformam correntes alternadas em correntes contínuas (conversão CA/CC).Podem ser monofásicos ou polifásicos, de meia onda ou de onda completa, controlados ounão. Serão vistos, nesta unidade, os retificadores monofásicos de meia onda e de ondacompleta não controlados. Os circuitos retificadores executam a função mais conhecida de umdiodo, que é a retificação. Isso é possível porque o diodo é um dispositivo unidirecional.

3.3.1 Retificador de meia-onda.

A Figura 21 mostra um retificador de meia-onda. Sendo a tensão de entrada senoidal.

Figura 21 - Circuito de Meia-onda.

Durante o semiciclo positivo sinal de entrada o diodo estará polarizado diretamente econduzirá, assim, a tensão de entrada vi aparecerá na saída, sobre o resistor R, verifique pelaFigura 22.

Figura 22 - Retificador de Meia-onda durante o semiciclo positivo.

Quando for o semiciclo negativo o diodo estará polarizado reversamente e se comportarácomo uma chave aberta. Nessa condição não haverá corrente no circuito e a tensão de saídaserá zero, como mostra a Figura 23.

Figura 23 - Retificador de Meia-onda durante o semiciclo negativo.

A forma de onda da tensão no resistor R é semelhante à mostrada no gráfico da Figura 24.




Figura 24 - Forma de onda do retificador de Meia-onda.

3.3.2 Retificador de onda completa com transformador com derivação central(Center Tap).

O retificador de onda completa com transformador com derivação central, conhecido comocenter tap, é mostrado na Figura 25. Nesse circuito um elemento que deve ser destacado é otransformador com dois enrolamentos de secundário iguais. Ele é indispensável para ofuncionamento do circuito.

Figura 25 - Retificador de onda completa com transformador center tap.

Da mesma forma, a análise do circuito pode ser feita em dois momentos, quando o semiciclodo sinal de entrada é positivo e quando é negativo. Para o semiciclo positivo o funcionamento

do circuito pode ser explicado pela Figura 26.

Figura 26 - Funcionamento do retificador com center tap para o semiciclo positivo.




Para o semiciclo negativo, o funcionamento do circuito pode ser entendido pela Figura 27.

Figura 27- Funcionamento do retificador com center tap para o semiciclo negativo.

3.3.3 Retificador de onda completa em ponte.

O terceiro retificador a ser estudado também é um retificador de onda completa. A diferença

mais importante em relação ao outro retificador de onda completa é que ele não precisa de umtransformador no circuito para o funcionamento. Para circuitos de baixa potência essa é umavantagem interessante. Outra característica desse circuito é a necessidade de quatro diodos,que somente é preocupante para circuitos de grandes potências. Considere o circuito mostradona Figura 28 para analisar o retificador.

Figura 28 - Circuito retificador em ponte.

Dois também são os momentos de análise do circuito. Para o semiciclo positivo do sinal deentrada o funcionamento segue a

Figura 29 - Funcionamento do retificador em ponte para o semiciclo positivo.

Durante o semiciclo negativo o funcionamento obedece a Figura 30.




Figura 30- Funcionamento do retificador em ponte para o semiciclo negativo

Observe que neste tipo de retificador sempre se tem dois diodos conduzindo conjuntamente.

3.4 Reguladores a Zener.

A análise de circuitos com diodo zener é bem semelhante à de diodos retificadores a diferençafundamental é que o diodo zener trabalha na região de polarização reversa. Assim, o diodozener precisa ser um diodo especial, pois consegue funcionar, dentro de condições restritas, naregião de ruptura. Os diodos zener são os elementos principais nos reguladores de tensão. Ocircuito básico de um regulador de tensão é mostrado na Figura 31.

Figura 31 - Circuito básico de um regulador de tensão com zener.

O resistor R no circuito da Figura 31 é necessário para limitar a corrente sobre o zener dentrode limiares aceitáveis. A tensão sobre a carga, R L, será a tensão sobre o diodo zener. Um fatorlimitante do funcionamento desse diodo é a máxima potência que ele é capaz de suportar,P ZM . A potência sobre ele deverá ser sempre menor que este valor.

3-1 Para o estudo do funcionamento do circuito é necessário modelar o dispositivo. A Figura 32(a) mostra o equivalente do diodo quando ele está ligado e a (b) quando o diodo estádesligado. Então, para analisar o circuito com zener basta substituir o dispositivo pelo seudevido modelo e proceder à análise do circuito.




Figura 32 - Equivalente do diodo zener.

3.5 Circuitos limitadores de tensão.

Os circuitos limitadores de tensão também são conhecidos como circuitos ceifadores. A

função desempenhada por este circuito é a de ceifar parte do sinal de entrada de forma a nãose ter uma parte do sinal de entrada, porém sem distorção do restante do sinal. Os circuitosceifadores podem ser de dois tipos: série ou paralelo. Ele é tido como série quando o diodoestiver em série com a saída. No outro caso, quando aparecer em paralelo com o sinal desaída. Para análise dos circuitos ceifadores tenha em mente as seguintes dicas:

1. Imagine um esboço do sinal de saída tendo em mente a direção do diodo e os níveis detensão aplicados.

2. Identifique a tensão aplicada (tensão de transição) que mudará o estado do diodo.3. Esteja sempre atento aos terminais e polaridade do sinal de saída vo.4. Trace o sinal de entrada acima do sinal de saída e determine este a partir dos valores

instantâneos do sinal de entrada.

3.5.1 Ceifador série.

O circuito do limitador de tensão série é apresentado na Figura 33.

Figura 33 - Circuito ceifador série.

As formas de onda da entrada e saída para vários sinais é mostrada na Figura 34.

Figura 34 - Formas de onda da entrada e saída para o ceifador série.




3.5.2 Ceifador paralelo.

O circuito do limitador de tensão paralelo é apresentado na Figura 35. Verifica-se que o diodoestá em paralelo com a saída.

Figura 35 - Circuito ceifador paralelo.

As formas de onda da entrada e saída para vários sinais é mostrada na Figura 36.

Figura 36 - Formas de onda da entrada e saída para o ceifador paralelo.

3.6 Circuitos grampeadores.

São os circuitos responsáveis por grampear o sinal de saída em um valor CC diferente. Ocircuito deve ter um capacitor, um diodo e um elemento resistivo, mas também pode ter umafonte de tensão. O valor de RC deve ser grande suficiente para não permitir que durante ointervalo que o diodo não estiver conduzindo. Algumas dicas que podem auxiliar a análise decircuitos grampeadores:

1. Inicie a análise do circuito considerando a parte do sinal de entrada que polarizadiretamente o diodo.

2. Durante o período que o diodo está no estado “ligado” assuma que o capacitorcarregue instantaneamente com o valor de tensão estabelecido pelo circuito.

3. Assuma, que quando o diodo estiver no estado “desligado” o capacitor se mantém em

seu nível de tensão estabelecido.4. Mantenha a atenção na polaridade da tensão de saída, vo e nos níveis de tensão

apropriados.5. Saiba que a excursão total da saída deve estar de acordo com a excursão do sinal de

entrada.O circuito do grampeador é mostrado na Figura 37

Figura 37 - Circuito grampeador.

Para facilitar o entendimento do funcionamento do circuito, a Figura 38 mostra os doismomentos de funcionamento.




Figura 38 - Funcionamento do grampeador, primeiro com diodo ligado e depois com diodo desligado.

3.7 Circuitos multiplicadores de tensão

Através de uma tensão de pico relativamente pequena no transformador é possível obter nasaída uma tensão duas, três, ou mais vezes o valor de pico da tensão retificada da entrada.

3.7.1

Duplicador de tensão

O circuito duplicador de tensão poder ser do tipo meia onda ou onda completa. A Figura 39mostra o circuito duplicador de tensão de meia onda.

Figura 39 - Circuito duplicador de tensão.

Para facilitar o entendimento do circuito o estudo dos estados de funcionamento é eficiente,verifique através da Figura 40. No primeiro semiciclo o diodo D1 conduz e o D2 não, então ocapacitor C 1 carrega com a tensão de pico do secundário do transformador, V m. No seguintesemiciclo o diodo D2 é que conduz e faz com que o capacitor C 2 carregue com o dobro datensão no secundário do transformador, 2V m.

Figura 40 - Estados e operação do circuito dobrador.

Triplicador e quadruplicador de tensão




É como se fosse uma extensão do circuito duplicador de meia onda. Esse circuito pode serestendido de forma a obter 5, 6 ou mais vezes o valor da tensão de entrada. A mostra a formadesse circuito.

Figura 41 - Circuito triplicador ou quadruplicador de tensão.





Lei de Ohm, Teoria dos Semicondutores e Circuitos com Diodo.

1. Para o circuito das figuras seguintes trace a linha de carga.

2. Para o diodo 1N914 determine a sua resistência direta, sabendo que os seus valorestípicos de corrente e tensão direta são respectivamente de 10mA e 0,65V.

3. Para o diodo 1N914 determine a sua resistência reversa, sabendo que os seus valorestípicos de corrente e tensão reversa são respectivamente de 25nA e 20V.

4. Para os circuitos abaixo, sabendo que a tensão direta dos diodos é de 0,7V, determine acorrente e a potência sobre os diodos e tensão sobre a carga.

5. Determine a faixa de valores de V i que mantém o diodo zener ligado.




6. Para o circuito seguinte, determine: V L, V R, I Z e P Z .

7. Determine V O e V C para o diodo na situação ligado.

8. Determine V O para o circuito.




9. Determine a forma de onda da tensão de saída para o circuito.

10. Determine a forma de onda da saída e a tensão PIV para cada diodo.

11. (a) Esboce a forma de onda da saída e determine o valor do sinal CC para o caso dodiodo ideal e para o diodo de silício. (b) Agora considere V m = 200V e refaça o pedidono item (a).

12. Determine o valor de saída da porta AND de lógica positiva.




13. Determine o valor da saída e identifique a função dessa porta lógica.

14. Explique o funcionamento do retificador de onda completa com transformador comderivação central.




4 Transistores bipolares

Durante o período de 1904 a 1947 a válvula foi sem dúvida o dispositivo de interesse edesenvolvimento. Em 23 de dezembro de 1947, a indústria eletrônica estava prestes a

descobrir uma linha de dispositivos completamente novos. Foi durante à tarde do dia 23 dedezembro de 1947 que o mundo conhecia o transistor, o primeiro amplificador eletrônico deestado sólido. Mais do que substituir as válvulas eletrônicas, o transistor logo se revelariacomo uma das ferramentas mais importantes já criadas pelo homem. A humanidade nuncamais seria a mesma depois dele. Walter H Brattain e John Bardeen demonstraram a função deamplificação do primeiro transistor, nos laboratórios da companhia Bell Telephone.O primeiro transistor media cerca de 1,5 centímetro e não era feito de silício, mas degermânio e ouro, montado sobre suportes de plástico, conforme mostra a Figura 42.

Figura 42 - Primeiro transistor criado em 1947.

Os transistores fabricados em escala industrial hoje medem 45 nanômetros, mais de 330.000vezes menores. Em escala de laboratório, os cientistas já conseguiram fabricar transistoresmoleculares, centenas de vezes ainda menores.

4.1 Estrutura física e modos de operação.

O transistor é um dispositivo que é constituído por três regiões semicondutoras, que podemser uma do tipo n e duas do tipo p, ou uma do tipo p e duas do tipo n. Assim, existem doistipos de transistores: os transistores do tipo npn e do tipo pnp. Eles são mostrados na Figura43, em (a) é mostrado o transistor do tipo pnp e em (b) o transistor npn, com a devidapolarização. A polarização CC é importante para garantir a operação do transistor em umaregião linear e permitir a amplificação de um sinal CA.




Figura 43 - Tipos de transistor TBJ.

A estrutura de um transistor do tipo npn é mostrada na Figura 44. Percebe-se uma disposição

específica de cada região, quanto à questão de área de silício e dopagem das regiões. A regiãomais estreita e menos dopada é conhecida como Base e fica entre as duas outras regiões. Aregião mais extensa é conhecida como Coletor . O Emissor é conhecido assim por ser a regiãomais fortemente dopada, por fornecer os portadores para iniciar a operação do transistor.

Figura 44 - Estruturas das junções do transistor NPN.

4.2 Operação do transistor NPN no modo ativo.

Para falar sobre a polarização do transistor é necessário primeiro conhecer a sua curva defuncionamento. A Figura 47 mostra essa curva. Nela é possível identificar as regiões deoperação do transistor. Três são essas regiões: região de saturação, região ativa ou direta eregião de corte. Vale ressaltar que a curva do transistor apresenta outra região conhecidacomo região de ruptura, mas essa não representa uma região de operação, tendo que otransistor não pode funcionar nela.Antes de tentar entender o modo de operação do transistor facilita enxergar o transistor comoformado por dois diodos em antessérie, tendo a base como terminal central. A Figura 45mostra essa configuração, juntamente com o símbolo que cada transistor. Para o transistor npn temos o diodo base-emissor e o diodo base-coletor .




Figura 45 - Esquema didático e simbologia do transistor.

Para fazer o estudo das regiões de operação do transistor considere a polarização mostrada naFigura 46. Essa polarização é conhecida como base comum, ou seja a base é comum a circuitode entrada (base-emissor) e ao circuito de saída (base-coletor).

Figura 46 - Polarização base comum para transistor npn.

A região de saturação é uma região que caracteriza por apresentar altas correntes de coletor(saída) sob baixas quedas de tensão de coletor para a base (V CB). Para estar nessa região, otransistor deverá estar com ambos os diodos polarizados diretamente. O transistor nessaregião comporta-se como se fosse uma chave fechada,Na região ativa o transistor está com o diodo base-emissor polarizado diretamente e o diodobase-coletor reversamente. Essa é uma região especial de operação, pois permite o transistoramplificar de maneira linear um sinal de entrada. Nessa região a corrente de saída ( I C )permanece constante mesmo com a variação da tensão entre coletor e base (V CB).Por fim, a região de corte ocorre quando ambos os diodos estão polarizados reversamente.Assim, não haverá corrente passando pelo componente. Ele atuará como se fosse uma chaveaberta. Mesmo com tensões entre coletor e base altas o dispositivo não conduz.Então, podemos dizer que o transistor, dada a sua polarização, pode operar como elementoamplificador de sinal, quando polarizado na região ativa, ou como elemento chaveador,quando a sua polarização alternar entre a saturação e corte.




Figura 47 - Curva característica do transistor para configuração base-comum.

4.3 Análise de circuitos em CC.

Como foi discutido na seção anterior o transistor poderá atuar como chave ou comoamplificador. Atuando como chave terá maior aplicação em circuitos lógicos, maisvastamente discutidos na Eletrônica Digital. Na Eletrônica Analógica maior foco será dadopara o entendimento do transistor como elemento amplificador, por ser mais abrangente epossuir maiores de detalhes de interesse.

O transistor operando como amplificador terá além da alimentação CC , responsável pelapolarização do mesmo na região ativa, a presença de um sinal de entrada geralmente alternado(CA). Neste primeiro momento preocuparemos estudar os vários circuitos e polarizações CC do transistor.Três são as configurações básicas: base-comum, emissor-comum e coletor-comum. Algumasvariações dessas configurações básicas são possíveis e serão discutidas oportunamente.Para fazer o estudo das configurações básicas de funcionamento do transistor é necessárioconhecer as relações elétricas e parâmetros do transistor.

4.3.1 Parâmetro α

Este parâmetro estabelece a relação entre os valores de I C e I E devido aos portadoresmajoritários. Na prática o valor de α varia de 0,90 a 0,998, sendo que a grande maioria fica no

final da faixa. Então,

4-1

4.3.2 Parâmetro β

No estudo das relações entre I C e I B existe o parâmetro β . Ele é dado pela Equação 4-2.

4-2




Esse parâmetro na prática varia entre 50 a 400. Nas folhas de dados, normalmente, oparâmetro β é referido como hFE .Conhecida a Lei de Kirchhoff da corrente é possível estabelecer outras relações matemáticasdos parâmetros do transistor. Tem-se:

4-3 Substituindo os parâmetros estabelecidos na Equação 4-3, chega-se:

4-4

e

4-5

Em relação ao transistor TBJ de silício do tipo npn também pode ser estabelecido:

e

4.4 Configuração emissor-comum

Essa é a configuração mais comumente utilizada, onde se tem o sinal de entrada na base e osinal de saída no coletor. A Figura 48 mostra essa configuração, onde são identificadas ascorrentes convencionais do circuito.

Figura 48 - Configuração emissor-comum para transistor TBJ npn.

Duas são as curvas usadas para determinação de parâmetros dessa configuração. Uma curvaque relaciona a corrente de entrada ( I B) em função da tensão base-emissor (V BE ). Essa é acurva de entrada. A curva de saída contém três informações importantes. A corrente de saída

( I C ) em função da corrente de entrada ( I B) e da tensão de saída (V CE ). A Figura 49 ilustra essascurvas.




Figura 49 - Curvas características de um npn emissor-comum. (a) a curva de entrada e (b) a curva de saída.

4.5 Configuração coletor-comum

É uma configuração que proporcional uma alta impedância de entrada e uma baixaimpedância de saída, por essa razão é empregada em estágio de cancelamento de impedância.

Figura 50 - Configuração coletor-comum para transistor TBJ npn.

Do ponto de vista de projeto não há necessidade de um conjunto de curvas características paraa configuração coletor-comum. Ele pode ser feito utilizando as curvas da configuraçãoemissor-comum, conforme visto na seção anterior.

4.6 Transistor PNP.

O que foi dito para o transistor npn serve para o transistor pnp de maneira complementar,tendo em vista a inversão das polaridades. Exemplos serão feitos posteriormente.





Estrutura do Transistor, Configuração e Determinação de Parâmetros.

1. Utilizando as curvas características da Figura 47 determine a corrente de coletor para(a) I E =3mA e V CB=10V e (b) I E =4mA e V CB=2V .

2. Pesquise a folha de dados do transistor 2N4123 e descreva os parâmetros principais.

3. Quais são os tipos de transistores bipolares de junção? Descreva a constituição básicade cada um. Desenhe o símbolo gráfico de cada um.

4. Com relação à estrutura do transistor identifique cada uma das regiões, destacando assuas características.

5. O que quer dizer um dispositivo bipolar?

6. Em relação a curva característica do transistor identifique cada uma das regiões edetermine as polarizações de cada uma.

7. Desenhe um circuito na configuração base-comum, emissor-comum e coletor-comum.Identifique o sentido convencional das correntes.

8. Quais são e como são as funções principais de um transistor TBJ?

9. O que representa o parâmetro α e β . Deduza as suas relações.




5 Polarização CC do transistor TBJ

A função de amplificação talvez seja a função mais importante de um transistor. A capacidadede elevar um pequeno sinal de entrada a níveis de centenas ou milhares de vezes maior,

somente é possível através de uma adequada configuração, arranjo de transistores e outraenergia fornecida.A polarização CC é responsável por estabelecer um ponto de operação adequado do transistorpela fonte CC , que também fornecerá energia para ser convertida em energia CA para o sinalde entrada.Várias são as polarizações ou configurações possíveis. Essas polarizações visam atender auma série de necessidades requeridas para o adequado funcionamento do circuito.

5.1 Como determinar o ponto de operação do transistor.

Umas das primeiras necessidades no estudo de circuitos amplificadores a transistor édeterminar o ponto de operação do dispositivo. A Figura 51 mostra alguns pontos deoperação. Em se tratando de transistor funcionando como amplificador é indicado que o pontode operação esteja mais próximo do centro da área clara.

Figura 51 - Pontos de operação do circuito.

É preciso conhecer exatamente o ponto em que o transistor está funcionando. Esse ponto podeser conhecido cruzando os dados fornecidos pelo fabricante, através das folhas de dados, comas condições do circuito em que o transistor se encontra. Para conseguir isso então, faz-se mãode duas curvas principais da curva característica do transistor com a curva de reta de carga. Ainterseção dessas duas curvas estabelece o ponto de operação do circuito.




5.1.1 Os parâmetros que devem ser conhecidos

Para as seguintes relações considere que se trata da análise de um TBJ do tipo npn. Relaçõesbásicas de um transistor:

5.1.2 Polarização fixa

O circuito mostrado na Figura 52 é uma boa configuração para se iniciar o estudo paradeterminar o ponto de operação de um transistor. Essa configuração é do tipo emissor-comum. É usada uma única fonte de tensão para polarizar o circuito de entrada e saída.Através do resistor R B polariza-se a base e através do resistor RC polariza-se o coletor.

Figura 52 - Circuito polarização fixa.

- Levantando a equação da malha de entrada.

Então,

5-1

- Levantando a equação da malha de saída.

Como,

Assim,




5-2 Através das equações 5-1 e 5-2 é possível conhecer as grandezas do circuito, para isso énecessário apenas que se conheça o parâmetro β do transistor.

5.1.3 Determinando a reta de carga.

A reta de carga, conforme mostrado na Figura 53, é determinada a partir das equações docircuito. É sabido que para determinar uma reta são necessários conhecer pelo menos doispontos. A curva utilizada é a apresentada na Equação 5-2.

Primeiro ponto:

Para I C =0 tem-se V CE =V CC .

Segundo ponto:

Para V CE =0 tem-se I C =V CC /RC .

Os dois pontos determinados estabelecem a reta de carga do circuito que é mostrada na Figura53.

Figura 53 - Reta de carga para polarização fixa.

5.2 Polarização estável do emissor.

Configuração que apresenta uma menor suscetibilidade a variações com β ou na temperatura.

Com isso, consegue-se uma melhoria na estabilidade do circuito.- Levantando a equação da malha de entrada.

Lembrando a relação entre as corrente do transistor tem-se:

Então,

5-3





Então,

5-4

Figura 54 - Polarização estável de emissor.

5.3 Polarização universal ou por divisor de tensão.

A polarização universal mostrada na Figura 55 é uma das mais usadas por circuitosamplificadores. Foi visto nas outras configurações que o ponto de operação do transistor eradependente do ganho de corrente do transistor, β . Como o β do transistor não é um parâmetro

estável, variando com a temperatura, o ponto de operação fica instável. Para resolver esteproblema a polarização por divisor de tensão é empregada.

Figura 55 - Polarização universal ou por divisor de tensão.

Para resolver este circuito é necessário determinar os seus parâmetros de entrada. Um métodopara resolver o circuito de entrada é aplicando Thévenin nele.




Figura 56 - Circuito equivalente para determinar a tensão Thévenin de entrada.

A resistência Thévenin pode ser determinada por:

Determinando a tensão Thévenin,

Então, o circuito de entrada fica conforme mostrado na Figura 57.

Figura 57 - Circuito equivalente Thévenin de entrada.


Como

fica

5-5.


assim,

5-6.

5.4 Polarização por realimentação do coletor.

A polarização com realimentação do coletor vista na Figura 58 possibilita uma maiorestabilidade em relação ao β e a temperatura, embora o ponto de operação esteja sujeito ao β .


Fazendo as substituições de corrente fica:




5-7.

Figura 58 - Polarização por realimentação de coletor.


5-8.

5.5 O transistor como chave.

Foi discutido em seção anterior que o transistor apresenta funções além da amplificação.Dependendo do circuito o transistor pode funcionar de forma lógica. Quando o sinal deentrada é aplicado à entrada do circuito pode fazer o transistor conduzir, caso este não estejaconduzindo, ou deixar de conduzir, caso este estivesse conduzindo. A Figura 59 mostra umcircuito funcionando como chave.

Figura 59 - Transistor funcionando como chave.





Polarização CC do TBJ, Tipos e Características.

1. Identifique os tipos principais de polarização CC do TBJ.

2. Determine as correntes do transistor para o circuito da Figura 59.

3. Baseado nas leituras do circuito determine se ele está funcionando adequadamente ecaso não esteja aponte o problema.

4. Determine I C , RC , R B e V CE para o circuito (a) da figura abaixo.

5. Estabeleça I C , V CC , β e R B para o circuito (b) da figura acima.

Para os problemas seguintes considere o circuito mostrado a seguir.




6. Para o circuito determine I BQ , V CEQ, I CQ, V C , V B e V E .

7. Determine I Csat para o circuito.

8. (a) Determine I C e V CE para o circuito. (b) Faça β = 120 e determine os novos valores

de I C e V CE .

9. Utilizando as curvas características, determine a forma de onda na saída do circuito edetermine I B, I Bmáx e I Csat quando V i=10V .

10. Para a polarização fixa, considere V CC = 12V , R B = 240kΩ, RC = 2,2kΩ e β =50. Calcule I CQ, V CEQ, V B, V C e V BC . Determine a reta de carga do circuito.

11. Desenhe o circuito realimentação por coletor e deduza as expressões do circuito.

12. Mostre porque o ponto de operação do circuito polarização por divisor de tensão nãodepende muito do β .




6 Transistores de Efeito de Campo (FET)

Os transistores de efeito de campo conhecido por FET possuem características distintas àsapresentadas para os transistores TBJ. Uma das que os diferenciam são que os FETs são

transistores unipolares.

6.1 Principais características

Os FETs apresentam as seguintes características:- Possuem três terminais;- Suas funções se assemelham ao TBJ;- É controlado por tensão;- É um dispositivo unipolar;- Apresentam alta impedância de entrada;

- São mais estáveis em relação à temperatura que os TBJs;- Menor tamanho;- São mais sensíveis ao manuseio.

6.2 O JFET.

O transistor de efeito de campo de junção pode ser do tipo canal p ou canal n.

6.2.1 Estrutura do JFET.

Figura 60 - Estrutura do JFET canal n.




6.2.2 Características e operação física do JFET.

Figura 61 - Símbolo do JFET (a) canal n e (b) canal p.

6.3 O MOSFET.

O transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor possuem duas formas defuncionamento, podendo ser: MOSFET de depleção ou MOSFET de intensificação.Semelhante ao JFET os MOSFETs podem ser do tipo canal p ou canal n.

6.3.1 Estrutura, características e operação física do MOSFET tipo depleção.

Figura 62 - Estrutura do MOSFET de depleção canal n.




Figura 63 - Símbolo do MOSFET de depleção.

6.3.2 Estrutura, características e operação física do MOSFET tipo intensificação.

Figura 64 - Estrutura do MOSFET de intensificação canal n.

Figura 65 - Símbolo do MOSFET de intensificação.

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