COMANDO DA AERONUTICA ESCOLA DE ESPECIALISTAS DE AERONUTICA

ENSINO INDIVIDUALIZADO

DISCIPLINA:

ELETRNICA APLICADA

MDULO 1

ELETRNICA ANALGICA

ELABORAO:

1S BCO LUS CARLOS RUFINO DE SOUZA 3S BCO FABIANO XAVIER FONTINATI CORRA

EEAR -2004-

DOCUMENTO DE PROPRIEDADE DA EEAR Todos os Direitos Reservados Nos termos da legislao sobre direitos autorais, proibida a reproduo total ou parcial deste documento, utilizando-se qualquer forma ou meio eletrnico ou mecnico, inclusive processos xerogrficos de fotocpias e de gravao - sem a permisso, expressa e por escrito, da Escola de Especialistas de Aeronutica - Guaratinguet, So Paulo.

Guaratinguet So Paulo 2004 2

SUMRIOTexto I Anlise de Circuitos ............................................................................................ 6 Exerccios do texto I .......................................................................................................... 15 Gabarito do texto I ............................................................................................................ 16 Texto II Decibel............................................................................................................... 17 Exerccios do Texto II........................................................................................................ 22 Gabarito do Texto II.......................................................................................................... 23 Texto III Dispositivos Semicondutores ......................................................................... 24 Exerccios do Texto III ...................................................................................................... 30 Gabarito do Texto III ........................................................................................................ 31 Texto IV Diodos .............................................................................................................. 32 Exerccios do Texto IV ...................................................................................................... 41 Gabarito do Texto IV ........................................................................................................ 42 Texto V Circuitos a Diodo.............................................................................................. 43 Exerccios do Texto V........................................................................................................ 56 Gabarito do Texto V.......................................................................................................... 57 Texto VI Transistores de Juno .................................................................................. 58 Exerccios Texto VI ........................................................................................................... 69 Gabarito do Texto VI ........................................................................................................ 70 Texto VII Amplificadores Lineares .............................................................................. 71 Exerccios do texto VII ...................................................................................................... 88 Gabarito do Texto VII....................................................................................................... 89 Texto VIII Osciladores e Multivibradores ................................................................... 90 Exerccios do Texto VIII ................................................................................................. 102 Gabarito do Texto VIII ................................................................................................... 103 Texto IX Noes de Circuitos Integrados................................................................... 104 Exerccios do texto IX...................................................................................................... 110 Gabarito do Texto IX ...................................................................................................... 111 Texto X Ampliadores Operacionais............................................................................ 112 Exerccios do texto X ....................................................................................................... 124 Gabarito do Texto X........................................................................................................ 125 Texto XI Dispositivos Especiais................................................................................... 126 Exerccios do Texto XI .................................................................................................... 148 Gabarito do Texto XI ...................................................................................................... 149 Auto-Avaliao................................................................................................................. 150 Gabarito da Auto-Avaliao........................................................................................... 153 Concluso ......................................................................................................................... 154 Bibliografia....................................................................................................................... 155

3

IntroduoA evoluo rpida da eletrnica, nas ltimas dcadas do sculo XX, em especial da eletrnica analgica, vem ampliando os horizontes dos meios de telecomunicao, de tal maneira que nossos pais e avs jamais poderiam imaginar em suas juventudes. Voc j imaginou, alguma vez, que um sinal de udio pudesse ser codificado em forma de "piscadas" de um diodo LED e captado, um pouco alm, por um simples fototransistor, amplificado e levado at um fone de ouvido? Esse tipo de comunicao, j utilizado em sistemas profissionais, onde so empregados LEDs de infravermelho, fibras ticas, etc. Bem, tudo isso pode parecer estranho para quem nunca ouviu falar de LED, fototransistor, fibra tica, etc. No se preocupe, pois este mdulo trar todo o conhecimento necessrio para que voc assimile esses conceitos. Aqui, voc ter a oportunidade de conhecer os conceitos bsicos da eletrnica analgica, assunto este absolutamente necessrio para o especialista em comunicaes. Lembre-se que a finalidade da presente disciplina no torn-lo apto a realizar manutenes em equipamentos, e sim, introduzi-lo no fantstico mundo da eletrnica, a fim de que voc possa aplicar tais conhecimentos em assuntos que envolvam noes de rdio-transrecepo, deteco, etc. Tenha absoluta certeza de que os conceitos aqui abordados sero de suma importncia no desempenho de suas atividades profissionais. Comearemos abordando a Anlise de Circuitos, em seguida passaremos para os Dispositivos Semicondutores e finalizaremos, o presente mdulo, abrangendo os Dispositivos Especiais. Elabore uma metodologia de estudo, para voc seguir de maneira lgica e seqencial os assuntos propostos e possa obter um estudo mais proveitoso e satisfatrio. Respire fundo e vamos iniciar o nosso estudo! BOA SORTE !

4

Roteiro

I TEMA :

ELETRNICA ANALGICA

II Tudo o que se faz tem um objetivo. Portanto, aps realizar as atividades propostas por este Mdulo, voc estar apto a:

1 identificar os princpios bsicos da eletrnica em estado slido (Cp); 2 -identificar os princpios bsicos de funcionamento dos circuitos eletrnicos analgicos (Cp); 3 identificar os princpios bsicos dos dispositivos semicondutores na eletrnica analgica (Cp);e 4 descrever o funcionamento eletrnicos. (Cn). dos semicondutores nos circuitos

As letras Cp e Cn que aparecem no final de cada objetivo da disciplina significam que os mesmos devero ser atingidos a nvel de compreenso e conhecimento, respectivamente. I I I ATIVIDADE DE ENSINO: Para que voc tenha um bom desempenho durante o curso e alcance os resultados desejados, aps a leitura de cada texto, voc dever realizar os exerccio propostos. Sempre leia o texto e refaa os exerccios propostos para fixar bem a matria estudada. IV AUTO-AVALIAO: Aps realiz-la, voc ter uma noo do grau de conhecimento adquirido. Para isso, d o mximo de ateno matria e procure acertar todos os exerccios de avaliao. Caso isso no acontea, reestude os textos.

5

Texto I Anlise de CircuitosNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Empregar a 1 e 2 leis de Kirchhoff (Ap) e; Empregar circuito de Thevenin, Norton e Superposio (Ap).

LEIS DE KIRCHHOFF Um circuito como o da figura 1, possui mais do que um caminho fechado e uma rede eltrica. A e B so os pontos de encontro de trs fios condutores e so chamados ns de rede. Um ramo o trecho de circuito entre dois ns consecutivos.

Fig. 1 - Esquema de uma rede eltrica com dois ns e trs ramos.

A figura 2 apresenta os trs ramos da rede indicada anteriormente, com as respectivas correntes.

Fig. 2 - Os trs ramos da rede.

Malha de uma rede qualquer caminho fechado. A figura 3 indica as trs malhas da rede da figura 1.

Fig. 3 As trs malhas da rede.

6

As redes eltricas so resolvidas mediante duas leis, chamadas Leis de Kirchhoff. 1 LEI DE KIRCHHOFF: LEI DOS NS A soma das correntes que chegam num n igual a soma das correntes que saem do mesmo n. Exemplos: Determine a intensidade e o sentido da corrente eltrica no fio condutor OZ, para as seguintes figuras:

Soluo Ser aplicada a lei dos ns em cada caso: a) Corrente que chega em O:5A, e a que sai : 7A . Ento, no fio OZ, a corrente ser: I1= 7-5 = 2A e no sentido de Z para O, ou seja chegando ao n O. b) Saindo: 12A chegando: 8A :. I2= 12 8 = 4A, chegando ao n O. c) Saindo: 3 + 4 = 7A Chegando: zero :. 7A chegando em O, pelo fio OZ:. I3 = 7A. d) Chegando: 4 + 2 = 6A no ponto O, logo 6A saem de O pelo fio OZ, ou seja: I4 = 6A .

2 LEI DE KIRCHHOFF: LEI DAS MALHAS (Lei de Kirchhoff para Tenso - LKT) Quando se percorre uma malha completa, a soma algbrica de todas as foras eletromotrizes, contra-eletromotrizes e produtos R x i encontrados na malha zero.

E + (R . i) = 0

7

Nessa soma, cada parcela tem seu sinal determinado da seguinte maneira: 1.) Adote arbitrariamente um sentido de percurso para percorrer a malha

2.) O sinal de cada "E" dado conforme atravesse, no sentido positivo para o negativo ou do negativo para o positivo, o gerador ou receptor ideal: Se entra em E pelo plo escreve-se "+" E. Se entra em E pelo plo escreve-se "-" E. + , - ,

3.) O sinal de cada R.i dado comparando os sentidos de com i: Se

e i so concordantes, escreve-se + R.i .

Se

e i so discordantes, escreve-se R.i.

Exemplo:

Para a malha indicada, determine E

8

Soluo: A 2. lei de Kirchhoff : E + (R . i) = 0 Ser adotado arbitrariamente o sentido horrio para percorrer a malha:

Sinal de E: positivo

Sinal do produto 3.5:positivo

Sinal do produto 2.10: negativo

Lei das malhas: E + 3x5 2x10 = 0 :. E = 5V Resposta: 5V

O TEOREMA DE THEVENIN O teorema de Thevenin consiste num mtodo usado para transformar um circuito complexo num circuito simples equivalente. O teorema de Thevenin afirma que qualquer rede linear de fontes de tenso e resistncias, se considerarmos dois pontos quaisquer da rede, pode ser substituda por uma resistncia equivalente RTh em srie com uma fonte equivalente VTh. Exemplo: Calcule o equivalente Thevenin ao circuito nos terminais a e b .

9

Figura 4 1 Passo Calcule RTh. Faa um curto-circuito na fonte de tenso V = 10 V. R1 e R2 esto em paralelo. RTh = R 1R 2 4(6) 20 = = = 2,4 R 1 + R 2 4 + 6 10

Curto-circuito

2 Passo Calcule VTh. VTh atenso atravs dos terminais a e b, que tem o mesmo valor da queda de tenso atravs da resistncia R2. I= V 10 10 = = = 1A R 1 + R 2 4 + 6 10 VTh = IR2 VTh = 1(6) = 6 V

O equivalente Thevenin (Fonte de Tenso) est representado na figura abaixo.

10

O TEOREMA DE NORTON O teorema de Norton est estreitamente relacionado com o teorema de Thevenin. Dado um circuito de Thevenin, o teorema de Norton diz que voc pode substitu-lo pelo circuito equivalente da figura 5b . O circuito de Norton tem uma fonte de corrente ideal em paralelo com a resistncia da fonte. Observe que a fonte de corrente produz um valor fixo de corrente igual a

iN

=

V TH R TH

Observe tambm que a resistncia de Norton tem o mesmo valor da resistncia de Thevenin:

RN = RTHA corrente de Norton s vezes chamada corrente de carga em curto-circuito, porque ela igual corrente que circularia se a resistncia de carga fosse zero. Podemos nos lembrar facilmente da resistncia de Norton porque ela igual a resistncia de Thevenin. Por exemplo, se a resistncia de Thevenin for de 2 K, a resistncia de Norton ser de 2 K. A nica diferena que a resistncia de Norton aparece em paralelo com a fonte de corrente, enquanto a resistncia de Thevenin aparece em srie com a fonte da tenso.

Figura 5 - (a) Circuito de Thevenin; (b) Circuito de Norton.

Exemplo: A figura 6a (abaixo) mostra um circuito de Thevenin. Converta-o para um circuito de Norton.

Figura 6 Derivao do circuito de Norton a partir do circuito de Thevenin.

11

Soluo Primeiro, curte-circuite os terminais de carga, conforme mostrado na figura 6b , e calcule a corrente de carga, que : 10V = 5mA 2K

iN =

Essa corrente de carga curto-circuitada igual corrente de Norton. A resistncia de Norton igual a resistncia de Thevenin:

RN = 2 K Segundo, desenhe o circuito de Norton da figura 6c. A corrente de Norton igual corrente de carga curto-circuitada ( 5mA ) e a resistncia de Norton igual a resistncia de Thevenin (2 K).

TEOREMA DE SUPERPOSIO 1 Enunciado O teorema da superposio estabelece que em qualquer rede contendo uma ou mais fontes de tenso (e/ou corrente), a corrente em qualquer elemento do circuito a soma algbrica das correntes que seriam causadas por cada fonte individualmente, estando as demais substitudas por suas respectivas resistncias internas . 2 - Aplicao Para ilustrar a aplicao do teorema vamos analisar o circuito da figura abaixo, onde desejamos encontrar o valor e o sentido das correntes em R1, R2 e R3.

12

a) Primeiramente usaremos (consideraremos E2 com R.i = 0) :

E1 e substituiremos E2 por um curto

RT = 6 + 3 = 9 ET = E1 = 4V

IT = I1 = 0,444 A

b) - Agora usaremos E2 (consideraremos E1 com R.i = 0) :

e

substituiremos

E1 por um curto

RT = 6 + 3 = 9 ET = E2 = 6V

IT = I2 = 0,666 A

13

As correntes no circuito ficam assim distribudas :

Em R1 obteremos 0,444A e 0,333 A, ambos no mesmo sentido, ou seja de F para A, logo o resultado final de 0,777A de F para A; Em R2 obtemos 0,333A de E para B e 0,222A de B para E, logo o resultado final de 0,111A no sentido de E para B; Em R3 obtemos 0,222A e 0,666A no mesmo sentido, ou seja de C para D, logo a resultante ser de 0,888A. O resultado final ser mostrado na figura abaixo.

Verificao:

IR3 = IR1 + IR20,888A = 0,777A + 0,111A. Com isso encerramos o primeiro texto deste mdulo. Espero que voc tenha entendido a matria. Confirme isso resolvendo os exerccios propostos.

14

Exerccios do texto I1 A soma das correntes que chegam num n igual a soma das correntes que saem do mesmo n. Esta lei se refere a: a) 2 lei de Kirchhoff b) Teorema de Thevenin c) 1 lei de Kirchhoff d) Teorema de Norton

2 Determine a intensidade e o sentido da corrente eltrica no fio condutor OZ, para a figura abaixo: O 8A 2A X Y I3 Z

3 Determine E na figura abaixo:

7A

4 3 12A

4 - O teorema ______________ estabelece que em qualquer rede contendo uma ou mais fontes de tenso (e ou corrente), a corrente em qualquer elemento do circuito a soma algbrica das correntes que seriam causadas por cada fonte individualmente, estando as demais substitudas por suas respectivas resistncias internas. a)de Norton b)da Superposio c) deThevenin d)de Kirchhoff

15

Gabarito do texto I1- C 2 I3 = 10 A 3 8V 4-B

16

Texto II DecibelNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Identificar o conceito de Decibel (Cn); Calcular ganho ou perda de um amplificador em db (Ap) Identificar os nveis de referncia para esboar as relaes entre dbm, db e dbw (Cn); Identificar as relaes de tenso e corrente (Cn) e Identificar a medida de potncia em dbm (Cn)

DECIBEL Muitos fabricantes de equipamentos eletrnicos utilizam um sistema conhecido como notao em decibel para descrever algumas especificaes e capacidades de seus equipamentos. A noo de decibis imprescindvel queles que trabalham no campo das telecomunicaes e eletrnica. O conceito de decibel (dB), uma unidade usada principalmente no tratamento de equipamento de som, resultado do fato de que a potncia e nveis de udio so relacionados em base logartmica. Isto , um aumento no nvel de potncia, digamos de 4 para 16 W, no resulta em um aumento no nvel de udio por fator de 16/4 = 4. O aumento ser por um fator de 2, resultado da potncia associada ao nmero 4; 42 = 16. Em termos logartmicos, a relao pode ser escrita por log4 16 = 2. A resposta do ouvido humano aos estmulos sonoros logartmica, isto , um aumento na intensidade de 10 para 100 no produz o mesmo aumento aparente de 1 para 10. Se, por exemplo, dobramos a potncia de um amplificador, nosso ouvido no sentir que a intensidade sonora foi dobrada. Bel o logartmico na base 10 da relao entre a potncia de sada e a potncia de entrada de um dispositivo.

17

1 Bel= log (P2/P1), onde:

P2= potncia de sada P1= potncia de entrada

Como bel uma unidade grande, utilizamos o submltiplo decibel. A equivalncia entre Bel e decibel dada pela frmula abaixo:

1 Bel = log (P2/P1) = 10 log (P2/P1) dB

Veremos alguns exemplos aplicativos do uso do decibel. 1 - Um amplificador de udio requer 15mW de potncia para excit-lo na entrada. A sada do amplificador de 180mW. Qual o ganho em dB? Soluo: P1= 15mW - P2= 180mW G(dB) = ?

G (dB) = 10 log (P2/P1) = 10 log 180/15 logo; G (dB) = 10 log 12 = 10 . 1,0792 = G (dB) = 10,79 2 Um dispositivo excitado com 10 mW na entrada e a sada apresenta 1 mW. Qual o ganho, em dB, desse dispositivo? 10,79

Soluo : P1 = 10 mW P2 = 1mW G (dB) = ? G (dB) = 10 log (P2/P1) = 10 log (1/10) G (dB) = 10 log 10-1 = -10 log 10 = -10 . 1 = - 10 G (dB) = - 10 (perda) 18

Observe que neste caso o dispositivo apresenta um ganho de -10 dB ou uma perda de 10 dB. Logo, podemos concluir que o dispositivo um atenuador.

Voc poder determinar a relao entre as potncias de sada e de entrada de um dispositivo, conhecendo apenas o seu ganho em dB. Veja o exemplo: Um dispositivo tem um ganho de 30 dB. Qual a relao entre as potncias de sada e de entrada? Soluo : G (dB) = 10 log (P2/P1) 30 dB = 10 log (P2/P1) 3 dB = log (P2/P1) P2/P1 = 103 = 1000 P2/P1 = 1000

Por ltimo , voc conhecendo os ganhos ou perdas de vrios estgios de um dispositivo, poder calcular o ganho ou perda total desse dispositivo, em dB, somando algebricamente os ganhos e perdas parciais de cada estgio. Veja o exemplo: Um microfone conectado a um pr-amplificador, cujo o ganho de 45 dB. Aps o pr-amplificador, conectado um atenuador de 10 dB e este ligado a um amplificador final cujo ganho de 50 dB. Qual o ganho ou perda total?

Soluo: G (dB) = 45 - 10 + 50 = 85 dB 19

As especificaes de equipamentos eletrnicos de comunicaes (amplificadores, microfones etc.) so normalmente dadas em decibis. Para uma potncia especificada de sada P2 , deve haver um nvel de potncia de referncia Pref . O nvel de referncia normalmente considerado de 1mW, embora se aplique 6 mW como padro. A resistncia associada com o nvel 1 mW 600, que o valor da impedncia caracterstica das linhas de transmisso de udio. Quando o nvel 1 mW empregado como nvel de referncia, o smbolo de decibel dBm. A frmula geral : N (dB) = 10 log (P/Pref) onde: N (dB) = nvel em dB. P = potncia conhecida. Pref = potncia de referncia Valores de potncia de referncia: OBSERVAO: Conforme o valor da potncia de referncia, N pode ser expresso em dBm, dB ou dBW.

Pref = 1 mW, o nvel de P ser dado em dBm. Pref = 6 mW, o nvel de P ser dado em dB. Pref = 1 W , o nvel de P ser dado em dBW Veremos alguns aplicativos utilizando os nveis de referncia. 1 - Quanto vale 2 mW em dBm? Soluo: N (dBm = 10 log (P/Pref) como para dBm a Pref de 1 mW N (dBm) = 10 log (2mW/1mW) = 10 log 2 = 3 dBm

2 Expresse a potncia de 1mw em dBm. Soluo: N (dBm) = 10 log (P/Pref) como para dBm a Pref de 1 mW N (dBm) = 10 log (1mW/1mW) = 10 log 1 = 0 dBm

20

3 D o valor de 6mW em dB. Soluo: N (dB) = 10 log (P/Pref) como para dB a Pref de 6 mW N (dB) = 10 log (6mW/6mW) = 10 log 1 = 0 dB

4 Expresse 2W em dBW

5 Expresse 1W em dBW. Soluo: N (dBW) = 10 log (P/Pref) como para dBW a Pref de 1W N (dBW) = 10 log (1W/1W) = 10 log 1 = 0 dBW. Podemos tambm calcular o ganho em decibel em funo da tenso ou da corrente. facil! Lembre-se: P = R . I2 = E2 / R Para haver a mxima transferncia de potncia em um determinado dispositivo, necessrio que as resistncias de sada (R2) e de entrada (R1) sejam iguais. Portanto, para determinar o ganho em decibel, em funo da tenso ou da corrente, voc usar uma das seguintes equaes: G(dB)= 10 log P2/P1 = 10 log R2.I22 / R1.I12 = 10 log I22 / I12 = 20 log (I2 / I1) ou G(dB)= 10 log P2/P1 = 10 log (E2)2/R2 : (E1)2/R1= 10 log E22/R2 : R1/E12 = 10 log (E2/E1)2 = 20 log (E2/E1)

Caro amigo(a), terminamos o texto com a certeza de que voc tenha percebido a importncia dos decibis para as telecomunicaes, entretanto vale a pena assimilar os conceitos relacionados a decibis para ento fazer os exerccios do texto II. Vamos a luta!

21

Exerccios do Texto II1 o logaritmo na base 10 da relao _______________ entre a _____________ de um dispositivo. (a) (b) (c) (d) Potncia de sada, potncia de entrada. Potncia de entrada, potncia de sada. Resistncia de entrada, resistncia de sada. Resistncia de sada, resistncia de entrada.

2 O valor de 6mW em dB ? (a) (b) (c) (d) 3dB 0dB 2dB 1dB

3 - dBm o decibel relativo a : (a) (b) (c) (d) 1W 6W 1 mW 6 mW

4 - O valor de 2 W em dBW : (a) (b) (c) (d) 0 1 2 3

5 - O valor de 1 W em dBW : (a) (b) (c) (d) 0 1 2 3

22

Gabarito do Texto II

1A

2B

3C

4D

5A

23

Texto III Dispositivos SemicondutoresNesta atividade de ensino, voc ler textos e resolver os exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

- Identificar a estrutura atmica dos semicondutores (Cn) ; - Identificar eltrons de valncia e banda de energia do tomo (Cn); - Identificar cristais semicondutores intrnsecos e extrnsecos (Cn); - Diferenciar as caractersticas dos semicondutores tipo P e N (Cp); - Identificar portadores de cargas majoritrios e minoritrios (Cn). Para entender como os diodos, transistores e circuitos integrados funcionam, voc precisar estudar os semicondutores: materiais que no so condutores nem isolantes. So elementos bsicos de qualquer equipamento eletrnico, destinados principalmente produo de sinais de radiofreqncia e de telecomunicaes digitais. Neste texto, mostraremos a estrutura atmica e principais caractersticas de um semicondutor. Fique atento as explicaes! SEMICONDUTORES Um semicondutor um elemento de valncia quatro. Isso significa que um tomo isolado desse material possui quatro eltrons na sua rbita mais externa ou rbita de valncia. O nmero de eltrons na rbita de valncia a chave para a condutibilidade. Os melhores condutores possuem apenas um eltron de valncia, semicondutores possuem quatro eltrons de valncia e isolantes, oito eltrons de valncia. O que seria rbita de valncia? a rbita que controla as propriedades eltricas do tomo. Para enfatizar a importncia da rbita externa(valncia), veremos a estrutura atmica dos tomos de Cobre(condutor) e Germnio(semicondutor).

COBRE 29+ 29-

GERMNIO +32 -32

24

A parte central de um tomo (ncleo + rbitas internas) de Cobre tem uma carga lquida igual a + 1, ele contm 29 prtons e 28 eltrons internos. Como o eltron de valncia est numa rbita muito grande em torno da parte central e com uma carga lquida de apenas +1, a atrao pelo eltron externo muito pequena. Em razo dessa pequena atrao, o eltron externo as vezes chamado eltron livre. A idia que voc deve ter sempre em mente sobre um tomo de Cobre : como o eltron de valncia levemente atrado pela parte central (ncleo). Uma fora externa pode facilmente deslocar esse eltron livre do tomo. Por isso, o tomo de Cobre um bom condutor. A menor tenso pode fazer com que o eltron livre num fio de cobre circule de um tomo para outro. Os melhores condutores(prata , cobre e ouro) possuem um simples eltron de valncia. O tomo de Germnio um exemplo de um semicondutor. Como observamos ,o tomo de Germnio possui quatro eltrons na rbita externa (valncia), caracterstica de um semicondutor. O tomo de Germnio possui carga lquida + 4. Sua atrao com a parte central (ncleo) maior e, por isso, chamado semicondutor. Outro material semicondutor o Silcio. o mais usado como semicondutor. Seu tomo isolado possui 14 prtons e 14 eltrons e possui carga lquida +4 conforme figura abaixo.

SILCIO +14 -14

CRISTAIS Sabemos que os tomos, ao se combinarem, formam redes estruturais, cujos formatos podem ser amorfos ou cristalinos. - Amorfos : Quando a estrutura no tem forma definida. Ex : borracha , plsticos, gases, lquidos ,etc. - Cristalinos : Quando a estrutura bem definida(sempre em forma de cristais, dos mais variados tamanhos). Ex: diamante , germnio, silcio, cobre, etc. Quando tomos de Silcio se combinam para formar um slido, eles so arranjados segundo um padro ordenado chamado cristal. Cada tomo de silcio compartilha seu eltron aos outros tomos de Silcio, assim a rbita de valncia fica com oito eltrons formando o cristal e tornando-o quimicamente estvel.

CRISTAL DE SILCIO

25

Cada tomo vizinho compartilha um eltron com o tomo central. Desse modo, todos os tomos centrais contribuem para que haja quatro eltrons adicionais dando um total de oito eltrons na sua rbita de valncia. Na verdade, os eltrons no pertencem mais um tomo isolado; eles so agora compartilhados pelo tomos adjacentes. Cada eltron compartilhado est sendo puxado em sentidos opostos, o eltron uma ligao entre as partes centrais opostas. Esse tipo de ligao qumica conhecido como ligao covalente. Num cristal de silcio, existem bilhes de tomos de silcio, cada um com oito eltrons de valncia. Esses eltrons de valncia so as ligaes covalentes que mantm os tomos de cristal unidos, formando slido. Cada tomo de um cristal de Silcio tem oito eltrons em sua rbita de valncia. Esses oito eltrons produzem uma estabilidade qumica que resulta num pedao de material slido. Existem equaes matemticas avanadas que explicam parcialmente por que oito eltrons produzem estabilidade qumica em diferentes materiais, mas nenhuma sabe na verdade por que o nmero oito to especial. A rbita de valncia no pode sustentar mais de oito eltrons. Alm disso , os oito eltrons de valncia so chamados eltrons de ligao, porque esto fixos pelos tomos. Por causa desses eltrons de ligao , um cristal de Silcio um isolante quase perfeito na temperatura ambiente (aproximadamente 25C). A energia trmica do ar ( de -273 C a aproximadamente 25 C) faz os tomos do cristal de silcio vibrarem num vaivm, dentro do cristal. Quanto mais alta a temperatura, dentro da faixa especificada acima, mais fortes so as vibraes desses tomos. As vibraes dos tomos de silcio podem, ocasionalmente , deslocar um eltron da rbita de valncia. Quando isso ocorre, o eltron liberado ganha energia suficiente para deslocar para outra rbita maior, conforme mostra a figura abaixo;

CRISTAL DE SILCIO

Nessa rbita maior, ele se torna um eltron livre. Alm disso , a sada do eltron deixa um vazio na rbita de valncia que chamado lacuna. Essa lacuna se comporta como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado qualquer eltron nas proximidades. Num cristal de Silcio puro, so criados iguais nmeros de lacunas e de eltrons livres pela energia trmica. Os eltrons livres se movem randomicamente atravs do cristal. Ocasionalmente, um eltron livre se aproxima de uma lacuna, atrado e capturado. Essa unio de um eltron livre com uma lacuna chamada recombinao. O tempo entre a gerao de um eltron livre e seu desaparecimento chamado tempo de vida. Ele varia de alguns nanossegundos at vrios microssegundos, dependendo da perfeio do cristal e de outros fatores.

26

SEMICONDUTORES INTRNSECOS Um semicondutor intrnseco um semicondutor puro. Um cristal de silcio ser um semicondutor intrnseco se todos os tomos do cristal forem de silcio. Na temperatura ambiente, um cristal de silcio se comporta como um isolante aproximadamente, porque ele tem apenas alguns eltrons e lacunas produzidos pela energia trmica. A figura abaixo mostra um cristal de Silcio entre placas metlicas carregadas, positivas e negativas. Suponha que uma energia trmica tenha gerado um eltron livre e uma lacuna. O eltron livre est numa rbita maior direita do cristal. Devido a carga negativa da placa, o eltron livre ser repelido para a esquerda. Esse eltron livre pode mover-se de uma rbita para a prxima at alcanar a placa positiva. Eltron Livre

NOTA: O movimento do eltron livre tem o sentido oposto ao da lacuna; Todo movimento de eltron produz uma lacuna.

SEMICONDUTORES EXTRNSECOS O semicondutor extrnseco um semicondutor impuro. Um semicondutor impuro adicionando impurezas aos tomos de um cristal intrnseco para alterar sua condutibilidade eltrica. O processo de formar um cristal extrnseco se chama dopagem. Um semicondutor dopado chamado semicondutor extrnseco. Atravs da dopagem podemos aumentar o nmero de eltrons ou o nmero de lacunas de um semicondutor. A dopagem pode ser feita adicionando tomos pentavalentes (cinco eltrons na rbita de valncia) ou tomos trivalentes(trs eltrons na rbita de valncia) ao cristal de silcio. 27

(a) tomos Pentavalentes (doador): Antimnio e Fsforo. (b) tomos Trivalentes: (receptor): Alumnio, Boro e Glio.

TIPOS DE SEMICONDUTORES EXTRINSECOS Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de eltrons livres ou um excesso de lacunas. Por isso , existem dois tipos de semicondutores . a) Semicondutor Tipo n: Nmero de eltrons livres maior que o nmero de lacuna. Os eltrons livres so chamados de portadores majoritrios e as lacunas portadores minoritrios. Usa dopagem com tomos pentavalentes.

Cada crculo com sinal positivo representa um tomo pentavalente e cada sinal negativo representa um eltron que esse tomo produziu. b) Semicondutor Tipo p: nmero de lacunas maior que o nmero de eltrons livres. As lacunas so chamadas de portadores majoritrios e os eltrons livres so chamados de portadores minoritrios. Usa dopagem com tomos trivalentes.

Cada crculo com sinal negativo representa um tomo trivalente e cada sinal positivo representa uma lacuna. 28

NVEIS DE ENERGIA Podemos identificar a energia total de um eltron pelas dimenses de sua rbita. Eltrons em rbitas menores esto nos primeiros nveis de energia e nas maiores esto em segundos nveis de energia e assim sucessivamente. Como o eltron atrado pelo ncleo , necessria uma energia extra para o eltron ser levado para uma rbita maior. Quando um eltron sai da sua primeira ou segunda rbita, ele ganha energia potencial em relao ao ncleo. Aps um eltron ser levado para uma rbita maior, ele pode voltar para seu nvel de energia original. Quando isso ocorre o , o eltron devolve sua energia extra em forma de calor, luz ou outro tipo de radiao. Um exemplo prtico de nveis de energia o diodo emissor de luz (LED). A tenso aplicada leva os eltrons aos nveis mais altos de energia. Quando eles voltam para seus nveis originais , devolvem a energia em forma de luz. Dependendo do material utilizado, a luz pode ser vermelha, verde, laranja, azul etc. As formas de energia externas capazes de levar eltrons para uma rbita maior so calor, luz e tenso.

BANDAS DE ENERGIA A figura abaixo representa os nveis de energia de um semicondutor intrnseco(feito de um s material). Dois eltrons num cristal no podem ter exatamente os mesmos nveis de energia. Por isso , todos os eltrons da primeira rbita tm nveis de energia ligeiramente diferentes. por isso que o primeiro nvel de energia da figura mostrado como uma banda de nveis de energia em vez de uma reta horizontal. De modo similar , os eltrons da Segunda rbita ficam dentro da segunda banda e os eltrons de valncia, na banda de valncia. Na temperatura -273C (temperatura zero absoluto), todos os eltrons de valncia esto firmemente presos banda de energia de valncia. Mas na temperatura ambiente, a energia trmica pode ocasionalmente levar um eltron de valncia para banda de conduo, conforme mostrado na figura;BANDA DE CONDUO

25C - 273C

BANDA DE VALNCIA 2 BANDA 1 BANDA

Observao: A figura acima mostra as bandas de energia para um semicondutor tipo n. Repare que a banda de conduo tem muitos eltrons livres, enquanto a banda de valncia tem apenas algumas colunas. No semicondutor tipo p, observa-se a situao contrria, isto , a banda de conduo possui poucos eltrons livres enquanto a banda de valncia tem muitas lacunas. 29

Exerccios do Texto III

-RESPONDA AS QUESTES:

01 Um semicondutor elemento de valncia ? ............................................................................................................................................. 02 Qual a carga lquida de um semicondutor ? ............................................................................................................................................. 03 Qual a rbita que controla as propriedades eltricas do tomo ? ............................................................................................................................................. 04 O material mais utilizado como semicondutor o ? ............................................................................................................................................. 05 O vazio deixado por um eltron na rbita de valncia chamado de ? ............................................................................................................................................ 06 O movimento do eltron livre tem sentido ......................da lacuna.

30

Gabarito do Texto III01 - Quatro

02 - + 4

03 rbita de valncia

04 Silcio

05 Lacuna

06 Oposto

31

Texto IV DiodosNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Identificar as caractersticas de um diodo de juno(Cp); Explicar os efeitos das polarizaes direta e inversa na juno PN de um diodo(Cp); Identificar o smbolo e forma fsica do diodo de juno(Cp); Distinguir a ruptura por avalanche e por efeito trmico numa polarizao inversa(Cp); Conhecer a curva caracterstica do diodo de juno(Cp); e Identificar o circuito equivalentes dos diodos(Cp).

Por si s , um pedao de semicondutor tipo n tem a mesma utilidade de um resistor de carbono ; o mesmo pode ser dito do semicondutor tipo p . Mas quando um fabricante dopa um cristal , de modo que metade dele seja do tipo p e a outra metade seja do tipo n , acontece um fato novo. A borda entre o tipo p e o tipo n chamada de juno pn . A juno pn deu origem a todos os tipos de invenes, incluindo diodos, transistores e circuitos integrados. A compreenso da juno pn permite que voc entenda todos os dispositivos semicondutores. Um fabricante poder fabricar um cristal simples com um material tipo p de um lado e um material tipo n do outro, conforme mostrado na figura. A juno a borda onde as regies do tipo p e do tipo n se encontram , e diodo de juno outro nome para um cristal pn. A palavra diodo a contrao de dois eletrodos, onde di representa dois.

P

N

JUNO PN

32

Cada tomo pentavalente num cristal de silcio produz um eltron livre. Por essa razo, podemos visualizar um pedao de semicondutor tipo n , conforme mostrado no lado direito da figura. Cada crculo com sinal de mais representa um tomo pentavalente e cada sinal de menos um eltron livre que ele forneceu para semicondutor. De modo similar, podemos visualizar os tomos trivalentes e as lacunas de um semicondutor tipo p , conforme mostrado no lado esquerdo da figura. Cada sinal de menos, dentro do crculo, representa um tomo trivalente e cada sinal de mais, uma lacuna na sua rbita de valncia. Por causa da repulso entre os eltrons livres no lado n, tendem a difundir em todas as direes. Alguns eltrons livres se difundem atravs da juno. Quando um eltron livre penetra na regio p, ele se torna um portador minoritrio. Com tantas lacunas a sua volta, esse portador minoritrio tem pouco tempo de vida. Logo que ele entra na regio p, o eltron livre cai numa lacuna. Quando isso ocorre, a lacuna desaparece e o eltron livre passa a ser um eltron de valncia. Cada vez que um eltron se difunde atravs da juno , ele gera um par de ons. Quando um eltron sai do lado n, ele deixa para trs um tomo pentavalente que brevemente uma carga negativa; esse tomo pentavalente passa a ser um on positivo . Aps a imigrao , o eltron cai numa lacuna do lado p e faz com que tomo trivalente que o capturou se torne um on negativo. Veja figura;

P

N

Os ons so presos na estrutura do cristal por causa das ligaes covalentes e no podem se mover como os eltrons livres e as lacunas. Cada par de ons positivo e negativo na juno chamado de dipolo. A gerao de um dipolo significa que um eltron livre e uma lacuna saram de circulao. Como o nmero de dipolos aumenta, a regio prxima da juno fica vazia de portadores. Chamamos essa regio vazia de camada de depleo. Cada dipolo possui um campo eltrico entre o on positivo e o on negativo. Portanto , quando eltrons livres adicionais penetram na regio da camada de depleo, o campo eltrico tenta empurr-los de volta para a regio n. A intensidade do campo eltrico aumenta medida que os eltrons cruzam a juno at que o equilbrio seja atingido. Para uma primeira aproximao, isso significa que o campo eltrico eventualmente interrompe a difuso de eltrons por meio da juno. 33

O campo eltrico entre os ons equivalente a uma diferena de potencial chamada de barreira de potencial. temperatura de 25C, a barreira de potencial aproximadamente igual a 0,3V para os diodos de germnio e 0,7V para os diodos de silcio.

POLARIZAO DOS DIODOS: DIRETA E REVERSA(INVERSA) POLARIZAO DIRETA Observe a figura:

P

N

Quando os eltrons livres se movem para juno , ons positivos so gerados na extrema direita do cristal. Esses ons positivos puxam os eltrons do circuito externo para o cristal. Desse modo , eltrons livres podem sair do terminal negativo da fonte cc e circular para a extrema direita do cristal. Eltrons entram pela extrema direita do cristal , enquanto a massa de eltrons na regio n se move na direo da juno. A borda esquerda desse grupo em movimento desaparece quando ela atinge a juno (os eltrons se recombinam com as lacunas). Desse modo , h uma contnua enxurrada de eltrons. Os eltrons que desaparecem na juno se tornam eltrons de valncia. Como eltrons de valncia , eles se movem atravs das lacunas na regio p. Quando os eltrons de valncia alcanam a extrema esquerda do cristal, deixam o cristal, passam para o circuito externo e circulam at o terminal positivo da fonte. Aps ter deixado o terminal negativo da fonte, ele entra pela extrema direita do cristal, viaja atravs da regio n como um eltrons livre. Na juno ele se recombina com uma lacuna e se torna um eltron de valncia, viaja atravs da regio p como um eltron de valncia , deixa a extrema esquerda do cristal circulando para o terminal positiva da fonte.

34

POLARIZAO REVERSA OU INVERSA

P

N

O terminal negativo da bateria atrai as lacunas e o terminal positivo da bateria atrai os eltrons livres. Por isso lacunas e eltrons livres circulam afastando da juno. Quando isso ocorre aumenta a rea na juno e chamamos de camada de depleo. Quanto mais larga for a camada de depleo, maior ser sua diferena de potencial. A camada de potencial pra de aumentar quando sua diferena de potencial se iguala tenso reversa aplicada. Em outras palavras a camada de depleo diretamente proporcional a tenso reversa aplicada. Quanto maior a tenso maior ser a largura da camada de depleo.P n

CAMADA DE DEPLEO

Aps a estabilizao da camada de depleo h uma pequena corrente com a polarizao reversa ou inversa. A energia trmica gera pares de eltrons e lacunas incessantemente. Significa que existem poucos portadores majoritrios e minoritrios nos dois lados da juno. A camada de depleo empurra o eltron livre para a direita, forando um eltron a deixar a extrema direita do cristal. Da mesma forma a camada de depleo empurra a lacuna para a esquerda. A lacuna na extremidade esquerda de p admite a entrada de um eltron do circuito externo, que cai na lacuna. Como a energia trmica est incessantemente gerando pares de eltrons e lacunas dentro da camada de depleo, teremos uma pequena corrente continua pelo circuito externo. A corrente reversa provocada pela variao trmica chamada de corrente de saturao. 35

Quanto maior a temperatura na juno , maior a corrente de saturao. Alm da corrente devida aos portadores minoritrios gerados termicamente, existe uma pequena corrente circulando pela superfcie do diodo polarizado reversamente. Conhecida como corrente de fuga da superfcie, causada pelas impurezas na superfcie e pelas imperfeies na estrutura do cristal. RESUMO: A corrente reversa total de num diodo consiste de uma corrente de portadores minoritrios(muito pequena e que depende da temperatura) e uma corrente de fuga de superfcie(muito pequena e diretamente proporcional tenso). Em muitas aplicaes a corrente reversa num diodo de silcio to pequena que no a notamos. A idia principal a ser lembrada que : a corrente aproximadamente zero num diodo de silcio reversamente polarizado.

RUPTURA: Os diodos tm tenses nominais mximas. Existe um limite do valor de tenso reversa que um diodo pode suportar antes de ser destrudo. EFEITO AVALANCHE: Como sabemos, existe uma pequena corrente reversa de portadores minoritrios. Quando a tenso reversa aumenta, ela acelera os portadores minoritrios. Esses portadores minoritrios colidem com os tomos do cristal. Quando esses portadores minoritrios adquirem energia suficiente , podem chocar-se e liberar eltrons de valncia, isto , produzir eltrons livres. O processo geomtrico porque um eltron livre libera um eltron de valncia obtendo , portanto, dois eltrons livres. Esses dois eltron livres, por sua vez, libertam mais dois eltrons, obtendo quatro eltrons livres. Esse processo continua at que a corrente reversa se torne alta.

A tenso de ruptura de um diodo depende do nvel de dopagem. A tenso de ruptura em um diodo retificador geralmente maior que 50v.

36

RUPTURA PELO EFEITO TRMICO: A ruptura de uma juno pelo efeito trmico, d-se quando o nmero de portadores minoritrios gerados pela temperatura, provocar no diodo, uma corrente inversa que resulte numa potncia maior do que a capacidade de dissipao da juno. A ruptura pelo efeito trmico causada por uma condio anormal do funcionamento do diodo. Esta situao contornada atravs de sistemas de refrigerao adequados que evitam que a juno se danifique por excesso de temperaturas .

Em geral os diodos de germnio suportam temperaturas at 75C e os de silcio at 150C

SMBOLO ESQUEMTICO O Smbolo do diodo parecido com uma seta que aponta do lado p (anodo) para o lado n (catodo). Por isso, a seta do diodo lembra que a corrente convencional circula facilmente do lado p para o lado n. Se voc usa o sentido real da corrente, os eltrons circulam facilmente contra a seta do diodo.

p n

=

Smbolo esquemtico de um diodo retificador

37

CURVA DO DIODO Alguns dispositivos eletrnicos so lineares, por exemplo um resistor. Eles so chamados de lineares porque o grfico da corrente versus tenso uma linha reta, o que quer dizer que a corrente diretamente proporcional a tenso. Um diodo diferente. Por causa da barreira de potencial , um diodo no age como um resistor. H uma curva de corrente versus tenso o que difere do resistor, portanto o diodo produz um grfico no linear.

i +p n mA Circuito com polarizao direta V 0,7V

V

Diodo de silcio

A figura acima representa um circuito com polarizao direta e seu grfico de corrente versus tenso. Com auxlio de um potencimetro podemos variar a tenso aplicada ao diodo. medida que aumentarmos a tenso sobre o diodo, podemos observar que o miliampermetro indicar uma corrente cada vez maior. No diodo de silcio a corrente cresce bruscamente quando a tenso chega a 0,7V e no diodo de germnio 0,3V. Esses valores de tenso no qual a corrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho.

38

iTenso de ruptura p n V

V

+

mA Circuito com polarizao inversa

Diodo de silcio

Na figura acima temos um circuito para anlise das caractersticas inversas de um diodo. Atuando no potencimetro , faamos com que a tenso negativa sobre o elemento P aumente lentamente. Nesta situao poderemos observar que a corrente quase desprezvel. Se continuarmos a aumentar a tenso sobre o diodo, chegaremos a um determinado valor de tenso em que h um aumento brusco de corrente inversa, podendo danificar a juno. A regio de tenso que provoca este rpido acrscimo na corrente inversa e chamado de regio de ruptura. O ponto de ruptura de suma importncia e depende de suas caractersticas de fabricao. Os diodos construdos com cristais de silcio suportam maiores tenses inversas do que os diodos de germnio. O grfico abaixo representa as curvas dos diodos de silcio e germnio polarizado diretamente e inversamente.

Ge

Si

0,3V Si Ge

0,7V

39

O funcionamento de um diodo pode ser comparado com o de uma chave. Quando polarizado diretamente , a corrente sobre ele limitada pelo circuito externo, pois praticamente entra em curto agindo como uma chave fechada. Nos diodos de silcio entra em curto com 0,7V e nos diodos de germnio com 0,3V. Quando est polarizado inversamente, a corrente no circuito limitada por ele mesmo , que no a deixa fluir, correspondendo ento como um circuito aberto (chave aberta).

DIODO

DIRETAMENTE POLARIZADO

INVERSAMENTE POLARIZADO

A seguir sero propostas alguns exerccios para que voc possa avaliar o seu progresso.

40

Exerccios do Texto IV1 Como chamada a corrente reversa de um diodo provocada pela variao trmica? 2 Numa juno PN como chamado cada par de ons? 3 Qual o valor da barreira de potencial de um diodo de germnio? 4 Qual o valor da barreira de potencial de um diodo de silcio? 5 A corrente de fuga de superfcie de um diodo proporcional a: 6 Quanto vale a tenso de joelho de um diodo de silcio? 7 Quanto vale a tenso de joelho de um diodo de germnio? 8 Como se comporta um diodo diretamente polarizado? 9 Como se comporta um diodo reversamente polarizado? 10 Desenhe o smbolo de um diodo:

41

Gabarito do Texto IV1 Corrente de Saturao 2 - Dipolo 3 0,3V 4 0,7V 5 - Tenso 6 0,7V 7 0,3V 8 Chave fechada 9 Chave aberta 10 -

42

Texto V Circuitos a DiodoNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Identificar o conceito e a finalidade de um retificador (Cn); Identificar o funcionamento de um circuito retificador de meia onda (Cp); Identificar o funcionamento de um circuito retificador de onda completa com transformador de tomada central e com circuito de ponte (Cp); Conhecer a finalidade de um circuito filtro (Cn); Identificar a finalidade do circuito regulador (Cp); Identificar uma fonte de alimentao (Cn); e Identificar os circuitos: limitador, dobradores de tenso, grampeadores (Cp).

FONTES DE ALIMENTAO Equipamentos de Telecomunicaes como: Transcepo de HF e VHF, microcomputadores, etc, necessitam de alimentaes com tenses contnuas para seus circuitos semicondutores. A rede eltrica no nos proporciona tenses contnuas como as pilhas e baterias fornecem. Pela rede eltrica so fornecidas tenses alternadas no compatveis com nossos equipamentos. E para o funcionamento dos circuitos eletrnicos, h necessidade de uma fonte de fora com sada DC para operao correta de seus elementos. O quadro abaixo representa as quatro formas de converso de uma forma de energia em outra, veja os exemplos possveis para entradas e sadas de energias eltricas. ENTRADA SADA AC AC DC DC DC AC AC DC DENOMINAO Regulador AC ou transformador Regulador DC/ou conversor DC Inversor Fonte Retificadora

43

Todas tm aplicao em eletrnica, mas a fonte retificadora (AC em DC) a mais importante para o nosso estudo. A energia primria para a maioria das fontes de alimentao retificadora a tenso AC de 60Hz existente na rede eltrica. Antes que esta tenso senoidal possa ser aplicada aos circuitos eletrnicos, ela deve ser transformada em uma tenso DC. Essa transformao s obtida atravs de dispositivos que constituem a fonte de alimentao retificadora. Essa fonte possui quatro funes bsicas. So elas:

ajuste da amplitude da tenso AC(transformao); retificao; filtragem; regulagem;

FONTES RETIFICADORAS As companhias eltricas fornecem para nossos lares uma tenso senoidal (corrente alternada) monofsica que varia de regio para regio. Existem regies onde a tenso de 127V rms e outras regies 220V rms. H uma relao entre o valor rms e o valor mximo (valor de pico) da senide que dada por : Vrms = 0,707 Vp Ex :Suponha que a tenso numa tomada de alimentao seja de 120V rms. Qual deve ser a tenso de pico? Vp= Vrms 0,707 Vp = 120 V 0,707 = 170V

Essa equao diz que a tenso rms igual a 70,7% do valor de pico. Porm essas tenses de linha so muito altas para serem utilizadas diretamente em dispositivos eletrnicos.

44

O que faremos ento para tornar a tenso da linha compatvel com os dispositivos eletrnicos? Existe um dispositivo chamado transformador que tem a capacidade de abaixar a tenso de linha em nveis mais apropriados para circuitos eletrnicos. Veja a figura 1:

Figura.-1

A tenso induzida no secundrio dada pela equao: N2 V1 N1

V2 =

Exemplo: um transformador abaixador tem uma relao de 5:1. Se a tenso no primrio for de 120 V rms, qual ser a tenso no secundrio? V2 = 120 V = 24 V 5 RETIFICADOR DE MEIA ONDA O circuito retificador de meia onda o mais simples e capaz de converter uma corrente alternada em corrente contnua .

Retificador de meia onda Fig.2

45

Conforme a figura 2, a tenso da rede aplicada na tomada no enrolamento do transformador primrio. No semiciclo positivo da tenso no primrio, o enrolamento secundrio tem um semiciclo positivo da senide nos seus terminais. Isso significa que o diodo est diretamente polarizado. Porm, no semiciclo negativo da tenso no primrio, o enrolamento secundrio tem um semiciclo negativo da senide. Logo, o diodo fica reversamente polarizado. Perceberemos ento que no semiciclo positivo aparecer no resistor de carga , o que no acontece com semiciclo negativo. A figura 3 mostra a tenso na carga. Esse tipo de forma de onda chamado sinal de meia onda, porque o semiciclo negativo foi ceifado ou retirado. Como a tenso na carga tem apenas os semiciclos positivos , a corrente na carga unidirecional, o que significa que ela circula apenas num sentido. Portanto, a corrente na carga contnua e pulsante. Ela comea no zero do semiciclo, depois aumenta at o valor mximo no pico positivo, em seguida diminui at zero fica com esse valor durante o semiciclo negativo total.

Fig.3

VALOR DE TENSO Vdc OU VALOR MDIO DE UM RETIFICADOR DE MEIA ONDA: Se voc ligasse um voltmetro cc no resistor de carga da fig. ele indicar uma tenso cc de Vp/,que poder ser escrito como; Vdc= 0,318Vp Onde Vp o valor de pico do sinal de meia onda no resistor de carga. Ex: Na Europa, um retificador de meia onda tem uma tenso de entrada de 240 V rms, se o transformador abaixador tiver uma relao de espiras de 8:1, qual ser a tenso de pico na carga? Qual o Vdc na carga? Vp = 240 = 340 0,707 Vp2=340 : 8 =42,5

Vdc = 0,318 Vp2 = 0,318 . 42,5=13,5Vdc 46

Obs: 0,7 a tenso de joelho de um diodo de silcio. Resposta : 42,5 Vac e 13,5 Vdc Essa tenso cc algumas vezes chamada valor mdio do sinal de meia onda, porque o voltmetro l a tenso mdia de um ciclo completo. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TOMADA CENTRAL

Fig.4

A figura 4 mostra um retificador de onda completa. O circuito usa um transformador com centertrap (center tape), dois diodos retificadores (D1 e D2) e um resistor de carga RL. As formas de onda tenso para este circuito so mostradas na figura 5. A tenso que aparece entre os pontos A e C do secundrio do transformador mostrada em (A), enquanto que a tenso entre os pontos B e C mostrada em (B). A tenso atravs da resistncia de carga mostrada em (C).

t1

t2

t3

t4Fig. 5

t5

t6

t7

47

Durante o funcionamento , quando o ponto A no secundrio do transformador positivo em relao ao ponto C, o ponto B negativo com relao ao mesmo. Esta condio ocorre de t1 a t2 conforme mostrado na figura 4-5 . Durante este tempo , o diodo D1 conduzir e o diodo D2 no. O sentido da corrente na carga de baixo para cima e que a corrente flui somente na metade do enrolamento do secundrio, entre os pontos A e C. Durante o perodo de t2 a t3, o diodo D2 conduz e D1 no. A tenso DC atravs do resistor carga uma srie de pulsos unidirecionais, mas h o dobro de pulsos que havia no retificador de meia onda. Dois pulsos de sada ocorrem para cada ciclo de entrada. Portanto , os pulsos de sadas ocorrem em uma freqncia que o dobro da entrada. Se a freqncia de entrada de 60 Hz a de sada ser de 120 Hz. VALOR CC OU VALOR MDIO DE UM RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA: Se um voltmetro cc fosse conectado resistncia de carga da figura 4-4, ele indicaria uma tenso cc de 2vp/, que equivalente a

Vdc= 0,636Vp

Onde Vp o valor de pico do sinal de meia onda na resistncia de carga. Por exemplo se a tenso pico fosse 17V, o voltmetro cc indicaria Vdc = 0,636 Vp2 = 0,636 . 17 = 10,8 Vdc Essa tenso cc o valor mdio do sinal de onda completa porque o voltmetro l a tenso mdia de um ciclo completo. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Retificador Completo em ponte Fig. 6

48

A figura 6, mostra um retificador de onda completa em ponte. Se usarmos quatro diodos em vez de dois , poderemos eliminar a necessidade de uma tomada central aterrada. A vantagem de no usarmos uma tomada central que a tenso retificada na carga o dobro daquela que teria o retificador de onda completa com tomada central. Durante o semiciclo positivo da tenso da linha, os diodos D2 e D3 conduzem, o que produz um semiciclo positivo no resistor da carga. Durante o semiciclo negativo da tenso de linha, os diodos D1 e D4 conduzem, produzindo outro semiciclo positivo no resistor de carga. O resultado um sinal de onda completa no resistor de carga. Como a tenso total do secundrio est aplicada aos diodos em conduo que esto em srie com o resistor carga, a tenso na carga tem um valor ideal de pico que o dobro da tenso do retificador de onda completa discutido anteriormente.

Sinal de onda completa

As vantagens do retificador em ponte so sada em onda completa, tenso ideal de pico igual a tenso de pico do secundrio e a no necessidade do enrolamento secundrio com tomada central (CENTERTRAP). Essas vantagens fizeram do retificador em ponte o projeto mais popular de retificador. Muitos equipamentos usam o retificador em ponte para converter a tenso ca da linha em uma tenso cc adequada ao uso dos dispositivos semicondutores. FILTRO A tenso de sada de um retificador aplicada numa carga pulsante em vez de ser estvel. Durante um ciclo completo na sada, a tenso na carga aumenta a partir de zero at um valor de pico e depois diminui de volta a zero. Esse no o tipo de tenso cc de que a maioria dos circuitos eletrnicos precisa. necessria uma tenso estvel ou constante similar produzida por uma bateria. Para obter esse tipo de tenso retificada na carga, precisamos de um dispositivo chamado filtro.

Fig.7

49

O tipo mais comum o filtro com capacitor mostrado na figura 7. Para simplificarmos a explicao inicial sobre filtros, consideramos o diodo (D1) da figura, sendo como um diodo ideal. Como sabemos um diodo ideal se comporta como uma chave. Como voc pode ver, um capacitor foi ligado em paralelo ao resistor de carga. Antes de ligarmos a alimentao, o capacitor est descarregado, logo, a tenso de carga zero. Durante o primeiro quarto de ciclo da tenso no secundrio, o diodo est diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundrio diretamente ao capacitor, ele carrega at o valor de tenso de pico Vp. Logo aps pico positivo, o diodo pra de conduzir, o que significa uma chave aberta. Com o diodo agora aberto, o capacitor descarrega por meio da resistncia de carga. A idia principal sobre o filtro com capacitor esta: por um projeto deliberado, a constante de tempo de descarga (que o produto RL e C) muito maior que o perodo T do sinal de entrada. Portanto o capacitor apenas perder uma parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver polarizado inversamente. Quando a tenso da fonte atingir novamente seu valor de pico, o diodo conduzir brevemente e recarregar o capacitor at o valor da tenso de pico, que aproximadamente a tenso de pico do secundrio. A tenso na carga agora uma tenso cc mais estvel ou quase constante. A nica diferena para uma tenso cc pura a pequena ondulao (ripple) causada pela carga e descarga do capacitor. Uma forma de reduzir essa ondulao pelo aumento da constante de tempo de descarga que igual a RLC.

Um outro modo de reduzir a ondulao pelo uso de um retificador de onda completa com tomada central ou em ponte; portanto, a freqncia de ondulao de 120 Hz em vez de 60 Hz. Nesse caso, o capacitor carregado duas vezes e descarrega-se apenas metade do tempo. Como resultado, a ondulao menor e a tenso cc na sada mais prxima da tenso de pico.

50

CIRCUITOS REGULADORES So circuitos capazes de manter a tenso na carga quase constante, independente da alta variao na tenso de linha e na resistncia de carga. O principal componente de um circuito regulador de tenso o diodo Zener. O diodo zener, tambm chamado de diodo regulador de tenso, um diodo que funciona de maneira similar a um diodo de juno comum PN, quando polarizado diretamente. Se polarizado inversamente, alm de no deixar passar a corrente eltrica, ele apresenta uma caracterstica muito especial: consegue manter a tenso entre seus terminais a um valor preestabelecido, mesmo sendo o valor aplicado maior que o valor nominal (especificao de cada diodo) do diodo.

Exemplo de funcionamento do Diodo Zener Usando um diodo Zener de 4,7 V conseguimos transformar qualquer tenso acima de 4,7 V em 4,7 V. Neste caso, a aplicao de uma tenso de 9 V em cima desse diodo far com que este seja reduzida para 4,7 V. Essa transformao tambm chamada regulao de tenso. Da que a aplicao mais usual do diodo Zener como um regulador de tenso.

Fig.8

A figura 8 mostra a sada de um sinal j retificado e filtrado. Observao: No texto X deste mdulo Dispositivos Especiais , estudaremos com maiores detalhes o funcionamento do diodo Zener.

51

OUTRAS APLICAES PARA DIODOS DE JUNO PN DOBRADORES DE TENSO So circuitos com dois ou mais diodos retificadores que tem a finalidade de produzir uma tenso mdia igual a um mltiplo do valor da tenso de pico. Essas fontes de alimentao so utilizadas com dispositivos de alta e baixa corrente, como os tubos de raios catdicos. Veremos ento dois tipos de dobradores de tenso; 1 - Dobrador de Tenso de Meia Onda:

Fig 9

Funcionamento: no pico do semiciclo negativo, D1 fica diretamente polarizado e D2, reversamente polarizado. Idealmente , isso carrega o capacitor C1 com tenso de pico Vp. No pico do semiciclo positivo, D1 fica reversamente polarizado e D2, diretamente polarizado. Como a fonte ca e C1 esto em srie, C2 tentar carregar at uma tenso de 2Vp. Depois de vrios ciclos , a tenso em C2 ser igual a 2Vp.

Fig.10

Conectando ao circuito uma resistncia, conforme mostra a figura 10, est claro que o capacitor descarrega pelo resistor de carga. Para isso a carga dever ser de baixo valor, ou alta resistncia (uma constante de tempo). Com isso a tenso de sada ser o dobro da tenso de entrada. Essa tenso de entrada se origina de um transformador. A principal finalidade dos circuitos dobradores de tenso elevar a tenso a valores altos. Sabemos que podemos elevar a tenso atravs de transformadores, porm os transformadores so de grandes propores, o que leva o projetista a optar por circuitos dobradores.

52

2 Dobrador de Tenso de Onda Completa

Fig.11

A figura 11 mostra um dobrador de tenso de onda completa. Durante o semiciclo positivo da fonte Ca, o capacitor de cima carrega at o valor de pico com a polaridade mostrada. No semiciclo negativo, o capacitor de baixo carrega at o valor de pico com a polaridade mostrada. Para cargas leves, a tenso final de aproximadamente 2Vp. O LIMITADOR (CEIFADOR) A principal finalidade de um circuito limitador de retirar uma parte do sinal de tenso acima ou abaixo de um nvel especificado. No apenas til para a formao de sinais, mas tambm para proteo de circuitos que recebem sinais. Esses diodos so de pequenos sinais, isto , tm baixa potncia, abaixo de 0,5 W e freqncias acima de 60 Hz, ao contrrio dos diodos retificadores que possuem potncia acima de 0,5 W e freqncia de 60 Hz.-

Fig.12

Funcionamento: Durante o semiciclo negativo, o diodo est reversamente polarizado e aparece como uma chave aberta. O semiciclo positivo foi ceifado. Se houver a inverso da polaridade do diodo, obtm-se um limitador negativo que corta os semiciclos negativos. Veja figura 12;

53

APLICAO DE UM CIRCUITO LIMITADOR POLARIZADO Com o limitador polarizado, figura 12-1, voc pode mover o nvel de ceifamento para um valor V + 0,7 para tenses de entrada maior que esse valor, o diodo conduz e a sada mantida em V + 0,7. Se a tenso de entrada for V + 0,7, o diodo abre e o circuito passa a ser um divisor de tenso. Combinando os limitadores, pode-se criar limitadores como o da figura 12-2.

Fig.12-1

Fig.12-2

O Limitador pode ser usado como protetor de cargas contra valores excessivos de tenso. A figura 12-3 mostra um diodo PN cuja funo a de proteger a carga. Se um valor de tenso for excessivo na entrada do circuito da figura 12-3 (Vent), o diodo conduz (entrada ser superior a + 5,7V) e far o diodo conduzir. A tenso destrutivamente alta, por exemplo + 100 V, ela nunca atingir a carga porque o diodo grampeia a tenso em + 5,7 V.

Figura 12-3 O GRAMPEADOR CC O grampo do diodo uma variao do limitador. Um grampeador cc diferente. Ele acrescenta uma tenso cc ao sinal. Se um sinal de entrada varia de 10V a + 10V, um grampeador cc positivo produzir uma tenso de sada que aproximar de 0 a 20V. Um grampeador cc negativo produzir uma sada de 0 20V.

Grampeador CC positivo Figura 13

54

A figura 13 mostra um grampeador positivo. No primeiro semiciclo negativo da tenso de entrada, o diodo conduz. No pico negativo, o capacitor deve-se carregar com Vp. Aps o pico negativo, o diodo corta funcionando como uma chave aberta. A constante de tempo RLC feita deliberadamente muito maior que o perodo T do sinal de entrada. Por essa razo, o capacitor permanece quase totalmente carregado durante o tempo em que o diodo est em corte. Para uma aproximao, o capacitor age como uma bateria de Vp volts. Sendo assim a tenso na sada um grampeador de sinal positivo. Para obtermos um grampeador de sinal negativo, devemos mudar a polaridade do diodo. A polaridade do capacitor invertida e o circuito age como um grampeador negativo. Tanto os grampeadores positivos quanto os grampeadores negativos so muito usados em receptores de televiso para grampear cc e acrescentar uma tenso cc ao sinal de vdeo. Um outro dispositivo que grampeia um sinal de entrada o DETECTOR DE PICO A PICO, cuja funo a de deixar a sua sada preparada para aplicao de um voltmetro cc. A combinao funciona como um voltmetro ca de pico a pico. Se por exemplo um sinal de 10 a + 40 V for aplicada na entrada deste detector, ento teremos na sada do mesmo e entrada do voltmetro cc um valor de 50 V de leitura, veja a figura 14.

DETECTOR DE PICO A PICO Figura 14 Bem amigos, aqui terminamos este texto, cujo estudo veio de encontro com as expectativas propostas pelos objetivos. Espero que voc tenha observado como importante o estudo dos semicondutores, entre eles o diodo, e verificar que muitos dispositivos eletrnicos utilizam diodos para retificao, estabilizao e adequao dos sinais senoidais. A seguir sero propostas alguns exerccios para que voc verifique seu nvel de aprendizagem ! Boa Sorte!

55

Exerccios do Texto V1 Quanto vale 110 Vrms no valor de pico? 2 Um transformador tem relao de espiras de 3:1. A tenso do primrio de 127Vrms. Qual ser a tenso de sada em rms desse mesmo transformador? 3 Qual a funo do centertrap em um retificador de onda completa? 4 O que so circuitos reguladores? 5 Em que situao opera o diodo Zener? 6 Qual a finalidade do circuito filtro 7 Qual tipo de retificador representa a figura abaixo?

8 O que so circuitos limitadores? 9 Qual a finalidade dos dobradores de tenso? 10 O que so circuitos grampeadores?

56

Gabarito do Texto V1- 155Vp 2 42V 3- O centertrap age como um divisor de tenso 4 So circuitos capazes de manter a tenso na carga quase constante, independente da alta variao na tenso de linha e na resistncia de carga. 5 Opera na regio de ruptura do diodo. 6 - Tornar a tenso, aps retificada, em uma tenso CC mais pura semelhante a tenso de uma bateria. 7 Onda completa em ponte. 8 So circuitos que tem a finalidade de retirar uma parte do sinal de tenso acima ou abaixo de um nvel especificado 9 Produzir uma tenso mdia igual ao mltiplo do valor da tenso de pico. 10 So circuitos que acrescentam uma tenso CC ao sinal.

57

Texto VI Transistores de JunoNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Identificar a teoria do transistor (Cp); Diferenciar os transistores atravs de sua simbologia (Cp); Identificar as correntes e as tenses do transistor, bem como suas relaes (Cp); Identificar as caractersticas das configuraes base comum, emissor comum e coletor comum (Cn); Esboar as curvas caractersticas das configuraes atravs dos grficos (Cp); Definir ganhos de corrente, de tenso e de potncia em um transistor (Cn); Identificar polarizao de transistor e seus circuitos bsicos (Cn); e Identificar saturao e ponto de corte de um transistor (Cn);

Antes de falar sobre a formao do transistor veremos um pouco de sua histria. O sinal de TV ou de rdio recebido por uma antena to fraco que ele no pode, fazer funcionar um alto-falante ou um tubo de imagem de TV. Por isso necessrio amplificar um sinal fraco at que ele tenha potncia suficiente para aplicaes prticas. Antes de 1951, as vlvulas eram os principais dispositivos usados para amplificao de sinais. Eram excelentes amplificadoras, porm apresentavam uma srie de desvantagens. Dentre elas: Precisavam de potncia maior , 1 W ou mais; a vida til de seu filamento era pequena.; ocupam maior espao e aumenta a temperatura interna dos equipamentos. Em 1948, os pesquisadores Bardeen, Brattain e Shockley anunciaram o primeiro transistor de juno, um dispositivo semicondutor capaz de amplificar sinais de rdio e de TV. A origem da palavra transistor vem de transference resistor ou resistor de transferncia. As vantagens do transistor ultrapassam de longe as desvantagens de uma vlvula. Dentre essas vantagens podemos citar: potncia menor (rdios portteis, por exemplo, necessitam de pouca potncia, quando comparado com a potncia da vlvula, para funcionamento dos dispositivos eletrnicos); tamanho reduzido ocupando menor espao, e como gera pouco calor pode funcionar em temperaturas baixas. 58

O transistor possibilitou a inveno de vrios outros dispositivos, inclusive a do circuito integrado (CI.), um dispositivo pequeno que contm milhares de transistores. Veremos neste texto o transistores bipolares, que funciona por eltrons e lacunas. (A palavra bipolar vem do termo dois plos). FORMAO DE TRANSISTOR O transistor constitudo de uma pequena estrutura cristalina. Um transistor tem trs regies dopadas. A regio inferior chamada de emissor, a regio do meio a base e a regio superior o coletor. Em particular o transistor da figura 1 um transistor npn, mas tambm podem ser produzidos como transistores pnp

Fig. 1

Existe no transistor duas junes: uma entre a base e o emissor e outra entre a base e o coletor. Por isso o transistor similar a dois diodos. Ento podemos nos referir a essas duas partes como diodo emissor (o da esquerda) e o diodo coletor (o da direita).

Fig. 2

NOTA: A camada da depleo no emissor bem estreita devido a sua alta dopagem; e a depleo no coletor mais larga devido a sua menor dopagem.

A figura 1 mostra as regies antes de acontecer a difuso. Os eltrons livres em cada regio n se difundem atravs da juno e se recombinam com as lacunas na regio p. os tomos que perderam eltrons no elemento N se tornam ons positivos e no elemento P os tomos receberam eltrons se tornando ons negativos. O resultado so as duas camadas de depleo. Veja figura 2. Para cada camada de depleo, a barreira de potencial de 0,7V (tratando-se de dispositivos de silcio) e 0,3V(tratando de dispositivos de germnio) na temperatura de 25C. 59

Na maioria dos transistores , mais de 95% dos eltrons vo do emissor para o coletor, menos de 5% circulam pelo terminal externo da base. O nvel de dopagem do coletor est entre a dopagem do emissor e o da base. SMBOLOS ESQUEMTICOS DOS TRANSISTORES A figura 3 representa os smbolos esquemticos de transistores NPN e PNP.

Fig. 3

AS CORRENTES E AS TENSES NO TRANSISTOR: A figura 4 mostra os smbolos esquemticos dos transistores NPN e PNP com suas respectivas correntes e sentidos eletrnicos (para o sentido convencional, a corrente inverter de posio para ambos transistores). O sentido da corrente oposto ao da seta do smbolo do transistor.

Fig. 4

No smbolo do transistor a seta est situada no emissor e sempre aponta para o elemento N

Como podemos observar existem trs correntes diferentes num transistor: a corrente no emissor IE, a corrente na base IB e a corrente no coletor IC. Como o emissor uma fonte direta, sua corrente a maior das trs. Quase todos os eltrons do emissor circulam pelo coletor, logo, 60

a corrente no coletor aproximadamente igual corrente no emissor. A corrente de base muito pequena comparada com as demais. A lei das correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes que entram num n ou juno igual soma das correntes que saem desse n ou juno. Quando aplicada num transistor, a lei das correntes de Kirchhoff fornecem importante relao sobre as correntes do transistor. IE = IC + IB Essa equao diz que a corrente do emissor igual soma das correntes do coletor e da base. Numa aproximao, a corrente do coletor pode ser considerada igual ao do emissor. Os portadores majoritrios dos transistores NPN so os eltrons e dos PNP so as lacunas. Assim, nos transistores NPN, a corrente flui de emissor para coletor, no mesmo sentido que os portadores majoritrios. J nos transistores PNP, a corrente flui de coletor para emissor, em sentido contrrio ao dos portadores majoritrios. Em um transistor NPN, a corrente IB a parte de IE que no atinge o coletor. Logo, esta sai da base. No transistor PNP, a IB deve se somar IC para formarem a IE.

Cada uma das junes de um transistor apresenta uma queda de tenso , que denominada conforme a juno. Vejamos essas denominaes: VBE ou VEB Tenso entre a base e o emissor; VBC ou VCB Tenso entre a base e o coletor; VCE ou VEC Tenso entre o coletor e o emissor.

seja:

Das trs, a maior VCE. Podemos ento dizer que VCE a soma das outras duas, ou VCE = VBE + VBC.

Podemos tambm medir a tenso de um elemento qualquer do transistor em referncia terra. Nesse caso os termos empregados sero: VB Tenso entre a base e terra; VE Tenso entre o emissor e terra; VC Tenso entre o coletor e terra.

61

Esses termos so vlidos para qualquer transistor em qualquer configurao.

Resumindo: VCE = VBE + VCB; IE = IB + IC: A Ic controlada pela barreira de potencial da juno base-emissor e O sentido da corrente sempre contrrio ao da seta do smbolo.

POLARIZAO DE UM TRANSISTOR ? Um transistor no capaz de amplificar um sinal ca, sem antes estar polarizado com energia DC. A alimentao cc do transistor, tambm chamada de polarizao, o que faz a mgica da amplificao. Obviamente, se o transistor no fosse alimentado por uma fonte de alimentao, ele no teria como funcionar. Na realidade, o transistor usa a tenso da fonte para aumentar a tenso dada para ele amplificar. Os ganhos de tenso obtidos com um amplificador podem ser assustadoramente grandes, mas so limitados polarizao do transistor.

A figura 5 mostra os smbolos dos transistores PNP e NPN, polarizados com duas baterias. Para entendermos melhor cada configurao devemos saber como feita a polarizao de um transistor. Polarizar significa aplicar tenses e correntes DC aos seus elementos de modo que a juno base-emissor seja polarizada diretamente e a juno base-coletor inversamente. A polarizao determina o ponto de operao esttica do transistor em sua curva caracterstica. Observao: todo transistor possui um grfico chamado curva caracterstica. atravs dessa curva que um circuito amplificador calculado e criado. Existem basicamente duas curvas caractersticas, uma para a entrada do transistor e outra para a sada. A curva caracterstica de sada a mais importante, pois atravs dela que iremos definir o ponto de operao esttica (ponto Q - quiescente) de funcionamento do transistor. Esse ponto justamente onde o transistor trabalhar em situao esttica (polarizao DC), aguardando o sinal de entrada AC para amplificao, situao dinmica.

62

TIPOS DE CONFIGURAO Independentemente de sua aplicao, o transistor s pode ser ligado de trs maneiras possveis. Essas maneiras so baseadas em qual dos terminais do transistor ser ligado ao terra (plo negativo) do circuito. Assim, essas trs configuraes so chamadas emissor comum, coletor comum e base comum, dependendo do terminal que ligado ao terra, e so apresentadas na figura 6 com os transistores NPN e PNP.

Fig. 6

Para verificarmos os tipos de configurao levaremos em conta o seguinte:

a) Sempre que a base, o emissor ou o coletor estiver aterrado, este ser comum; b) Na configurao base comum a entrada do sinal ser no emissor; c) Na configurao emissor comum a entrada do sinal ser na base; d) Na configurao coletor comum a entrada ser na base. CONFIGURAO BASE COMUM

A

Fig. 7

B

63

Na configurao base comum temos as seguintes caractersticas: a base aterrada, comum ao emissor e ao coletor; a entrada do sinal no emissor; a sada do sinal no coletor; impedncia de entrada baixa; impedncia de sada Alta; na sada , pelo coletor, o sinal AC est em fase com o sinal AC de entrada (pela base); g) ganho de tenso alto; h) ganho de corrente baixo () e i) ganho de potncia baixo. Nota-se que a juno emissor-base est polarizada diretamente e a juno coletor-base inversamente. Com estas polarizaes, entrada e sada do circuito apresentam, respectivamente, baixa e alta resistncia. Devido a baixa resistncia de entrada, um amplificador em base comum no to usado quanto um amplificador em emissor-comum, pois a impedncia de entrada de um amplificador base-comum to baixa que ela sobrecarrega quase todas as fontes de sinais (AC). As fontes so foradas a trabalharem com freqncias maiores do que realmente elas podem realmente fornecer, ocasionando assim uma perda do sinal de entrada. Um amplificador base-comum discreto no muito usado em baixas freqncias, sua utilidade est para freqncias acima de 10 Mhz, onde as fontes de baixas impedncias so comuns. Como as impedncias de sada e entrada so respectivamente, alta e baixa, neste tipo de configurao haver um alto ganho de resistncia e consequentemente um elevado ganho de tenso, da o nome transistor que significa transfere resistor , isto , com uma resistncia baixa na entrada, haver uma transferncia de resistncia alta para sada. O ganho de corrente outro fator importante. Percebe-se que o ganho de corrente menor do que um e que as impedncias de entrada e sada so respectivamente, baixas e altas, ocasionando assim uma baixa corrente de sada dividida pela alta corrente de entrada, conforme mostrado na frmula de ganho de corrente () em base-comum. = Ic Ie a) b) c) d) e) f)

A conseqncia direta desse baixo ganho de corrente a presena de uma baixa potncia na sada do amplificador.

64

AMPLIFICADOR EM CONFIGURAO COLETOR COMUM

Figura 8

Na configurao coletor comum temos as seguintes caractersticas: a) b) c) d) e) f) g) h) i) o coletor aterrado, comum ao emissor e a base; a entrada do sinal na base; a sada do sinal no emissor ; impedncia de entrada alta; impedncia de sada baixa; na sada , pelo emissor, o sinal Ac est em fase com o sinal Ac de entrada (pela base); ganho de tenso baixo ; ganho de corrente alto () e ganho de potncia mdio.

O amplificador em coletor-comum tambm chamado de seguidor de emissor. Sua funo a de evitar a sobrecarga em amplificadores de configurao emissor-comum. Quando se conecta a sada de um coletor em emissor-comum a uma carga cuja resistncia baixa, o ganho de tenso cai a um valor muito baixo, ocasionando sobrecarga. O que se faz conectar um seguidor de emissor entre o amplificador emissor-comum (EC) e a pequena resistncia de carga. O seguidor de emissor aciona a pequena resistncia de carga com praticamente nenhum ganho de tenso, alm disso, ele tem uma impedncia de entrada to alta que no sobrecarrega o amplificador EC. O ganho de tenso baixo, pois as resistncias de sada e entrada, respectivamente, so baixa e alta, portanto a amplificao menor do que a unidade. E por causa da realimentao negativa muito forte, o ganho de tenso bastante estvel, quase no existe distoro (a impedncia de entrada da base muito alta).

Observao: O que Realimentao negativa? A corrente na base uma entrada para o transistor, enquanto as correntes do coletor e do emissor so as sadas. Quando o ganho de corrente aumenta, isso aumenta a sada (corrente no emissor) em um determinado valor. Essa corrente de sada circula pelo resistor do emissor Re, que diminui a entrada (corrente no emissor) em determinado valor. Isso muito importante: a sada muda a entrada (refere-se a uma sada controlando a entrada). 65

AMPLIFICADOR EM CONFIGURAO EMISSOR COMUM

Figura 9

Na configurao emissor comum temos as seguintes caractersticas: a) b) c) d) e) f) o emissor aterrado, comum a base e ao coletor; a entrada do sinal na base; a sada do sinal no coletor ; impedncia de entrada mdia; impedncia de sada mdia; na sada , pelo emissor, o sinal AC est defasado 180 com o sinal AC de entrada (pela base); g) ganho de tenso mdio ; h) ganho de corrente mdio () e i) ganho de potncia mdio. Note que a configurao de emissor-comum apresenta uma inverso de fase de 180 no sinal. Em amplificadores de udio comerciais, comum o uso de amplificadores de mais de um estgio, isto , a sada do amplificador conectada entrada de um segundo circuito amplificador, de forma amplificar ainda mais o som. Como o segundo estgio ir inverter novamente o sinal, na sada do amplificador ele ser apresentado de forma correta. A configurao emissor- comum a mais usada. Apresenta ganhos mdio de tenso e potncia e conseqentemente impedncias de entrada e sada mdias. O ganho de corrente mdio e calculado por = Ic Ib

Os capacitores usados na entrada e sada so capacitores de desacoplamento. Eles so colocados de forma que s entre ou saia do circuito tenso alternada. A tenso contnua do circuito (tenso da fonte) ser bloqueada pelos capacitores. Com isso, a tenso da fonte no sai para o circuito que esteja na entrada do amplificador (um CD por exemplo), no danificando esses circuitos. O capacitor colocado no emissor do transistor chamado de capacitor de desvio (by-pass) e serve para aumentar o ganho do circuito.

66

CARACTERSTICAS ESTTICAS E DINMICAS DE UM AMPLIFICADOR EM EMISSOR COMUM Todo transistor possui um grfico dado em seu data sheet (livro de dados tcnicos) chamado curva caracterstica. atravs dessa curva que um circuito amplificador calculado e criado. Existem duas curvas, uma para a entrada e outra para a sada. A curva caracterstica de sada a mais importante. Quando se projeta um amplificador, temos uma noo de qual ser o seu uso. Assim, sabe-se que o transistor dever ser escolhido para essas aplicaes, baseado em sua curva caracterstica.

Figura 10

Curva caracterstica de sada com a reta de carga e ponto quiescente Q. Funcionamento esttico e dinmico de um transistor em configurao emissor comum Em cima da curva caracterstica de sada, traamos uma reta (chamada de reta de carga) e descobrimos o ponto de operao do transistor, chamado de ponto quiescente Q. Esse ponto justamente onde o transistor trabalhar (FUNCIONAMENTO ESTTICO DO TRANSISTOR polarizao DC ao circuito com transistor). Definindo esse ponto, automaticamente definiremos valores de operao do transistor no circuito, tornando o clculo do amplificador extremamente simples, isto , o clculo dos resistores para a correta polarizao do transistor. De imediato, o ponto Q indicar qual ser a corrente de coletor Ic no eixo y e a tenso entre coletor e emissor Vce no eixo x que devero ser usados pelo transistor. O ponto Q deve ficar centralizado na reta de carga com a finalidade de manter o ponto esttico atravs de uma corrente Ib estvel, no grfico temos Ib = 20 A. Ao traar a reta de carga, uma certa corrente de coletor Ic tambm estar definida, essa mxima Ic chamada de corrente de saturao, pelo grfico vale 3 mA. E ao definir o ponto Q, o ponto indicar imediatamente a tenso entre coletor e emissor Vce que dever ser usada no eixo x. A mxima Vce coincide com o valor da bateria de polarizao Vcc, pelo grfico a Vce = Vcc (Tenso de corte). Se a corrente de base aplicada no transistor for muito baixa, ele entrar em uma regio chamada de regio de corte, onde sua corrente de coletor ser tambm muito baixa. Podemos dizer, inclusive, que o transistor estar desligado. 67

Por outro lado, se a corrente de base for muito alta e o transistor no conseguir acompanhar a sua corrente de coletor apropriadamente isto , tentarmos efetuar uma amplificao de corrente maior do que a suportada pelo transistor, ele entrar em uma regio chamada regio de saturao. Quando o transistor entra nessa regio, o amplificador tambm no funciona, mas dessa vez por excesso de corrente. Quando isso ocorre, a tenso entre coletor e emissor (Vce) fica tipicamente em 0,7 V. O ponto Q fica no meio da reta de carga, se ao contrrio, o ponto Q estivesse em uma outra situao que no seja o ponto mdio da reta de carga, um transistor poderia rapidamente entrar em saturao ou em corte, ou vice-versa (FUNCIONAMENTO DINMICO DO TRANSISTOR sinal sendo amplificado em cima da polarizao DC do circuito com transistor), e os tempos de corte e saturao poderiam estar diferentes para processos de chaveamento (comutao de estados) e at mesmo a forma de onda de sada poderia ser cortada (ceifada) em uma certa parte da onda. Veja as figura 11, na figura 11-(a), temos funcionamento correto do amplificador e na figura 11-(b), temos um transistor em saturao com uma parte da onda de sada cortada ou ceifada.

Figura 11

(a)

(b)

O modelo de amplificador que explicamos at agora chamado classe A (assunto do texto VI). Nesse tipo de amplificador o transistor amplifica durante as duas alternncias do sinal de entrada, o que exige maior dedicao do transistor durante a amplificao do sinal. Percebe-se que para manter uma boa estabilidade do ponto Q necessrio fazer a corrente de base Ib mais estvel possvel, isto , imune s variaes de corrente na base, provocada por um aumento da temperatura, por exemplo. A polarizao por divisor de tenso (PDT) a que proporciona a maior estabilidade do ponto Q. Por outro lado, percebe-se que um transistor s conseguir amplificar sinal, quando estiver polarizado com energia DC adequada situao e com os elementos passivos (resistores, capacitores e bateria- Vcc) calculados para funcionar nos pontos estabelecidos. No nos interessa os clculos, e sim as caractersticas gerais de funcionamento do transistor nas situaes esttica e dinmica. Fique tranqilo e passe aos exerccios para compreender os assuntos aqui abordados. 68

Exerccios Texto VI

1 Cite duas vantagens do transistor com relao a vlvula. 2 Podemos afirmar que o transistor se comporta como______diodos. 3 A porcentagem de eltrons que passa do emissor para o coletor quando polarizamos diretamente o emissor de ? 4 Um circuito onde o sinal aplicado no emissor e retirado do coletor est na configurao__________________comum. 5 Um circuito coletor comum possui o sinal de entrada aplicado_______________e retirado_____________________. 6 Na configurao Emissor comum o sinal aplicado ___________________e retirado__________________ 7 O ganho de corrente designado configurao____________________comum. a)alfa emissor c)alfa coletor b) beta - emissor d)beta - base por_____________se refere

8 Qual a configurao possui o maior ganho de corrente? 9 Qual dos desenhos a seguir possui o sentido correto de corrente?

69

Gabarito do Texto VI1 Potncia menor , tamanho reduzido. 2 dois diodos 3 95% 4 Base 5 na Base - no Emissor 6 na Base no Coletor 7-b 8 coletor comum 9-c

70

Texto VII Amplificadores LinearesNesta atividade de ensino voc ler textos e resolver exerccios que lhe permitiro atingir os seguintes objetivos:

Definir um amplificador linear (Cn); Identificar no amplificador transistorizado: impedncia de entrada e de sada, bem como ganho de corrente, de tenso e de potncia (Cn); Identificar os mtodos de acoplamento nos amplificadores (Cn); Identificar os amplificadores classes: A, B, AB, e C (Cn);

Identificar os amplificadores de baixa e alta freqncia (Cn); Identificar os amplificadores de tenso e de potncia (Cn); e Identificar um amplificador: push-pull (Cn).

Um amplificador recebe um sinal de um determinado transdutor ou outra fonte de entrada, e fornece uma verso amplificada desse sinal para um dispositivo de sada ou outro estgio amplificador. Um sinal de um transdutor na entrada geralmente pequeno (tape-deck , CD ou alguns microvolts de uma antena receptora) e precisa ser amplificado o suficiente para acionar um dispositivo de sada (alto-falante ou outro dispositivo de potncia). Linearidade na amplificao e amplitude de ganho so os fatores principais de um amplificador de pequenos sinais. Como os sinais de tenso e corrente so pequenos nestes tipos de amplificadores, a quantidade de potncia que ele capaz de fornecer e sua eficincia so fatores de pouco interesse. Amplificadores de tenso servem para aumentar a tenso de um sinal de entrada e amplificadores de potncia ou de grandes sinais servem para acionar um dispositivo (altofalante) que trabalham com potncias na faixa de alguns watts a dezenas de watts. Um bom casamento de impedncia e potncias adequadas fazem com que tenhamos uma boa eficincia (quantidade de potncia AC transferida para a carga) na sada de um amplificador em estgios. Antes de iniciarmos nosso estudo dos amplificadores, vamos entender o que vem a ser casamento de impedncias.

71

IMPEDNCIA DE ENTRADA Esta caracterstica nos diz com que tipo de sinal o amplificador trabalha. Um dispositivo s pode entregar toda a sua potncia a outra se houver um casamento de impedncia entre eles, conforme mostra a figura 1.

Fig. 1

Os sinais que devem ser amplificados por um amplificador podem ter as mais diversas origens, provindo de dispositivos que tenham impedncias diversas. Assim, enquanto um microfone dinmico um dispositivo de baixa impedncia (em torno de 200 ), uma cpsula de cristal de toca discos tem uma impedncia muito alta, da ordem de 500K. Isso significa que, se ligarmos estes dois dispositivos na entrada de um amplificador que tenha por exemplo uma alta impedncia de entrada , o microfone de baixa impedncia no vai conseguir excit-lo havendo um funcionamento anormal. IMPEDNCIA DE SADA Esta caracterstica nos diz o que podemos ligar na sada do amplificador. Para que possamos ligar um alto-falante, por exemplo, o amplificador deve ter uma baixa impedncia de sada. No entanto se o amplificador ou a etapa amplificadora tiver de excitar um outro aparelho cuja a entrada seja de alta impedncia , ser conveniente que ele tenha uma alta impedncia de