Instrumentação Eletrônica Geral - SENAI_

8/3/2019 Instrumentao Eletrnica Geral - SENAI_www.mecatronicadegaragem.blogspot

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CPM Programa de Certificao do Pessoal de Manuteno

Eletrnica Geral

Instrumentao

REVISO AGOSTO/99

www.mecatronicadegaragem.blogspot.com


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Companhia Siderrgica de Tubaro2

Eletrotcnica Bsica Instrumentao

SENAI ES, 1999

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderrgica de Tubaro)

Coordenao Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST)Robson Santos Cardoso (SENAI)

Superviso Rosalvo Marcos Trazzi (CST)Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

Elaborao Jader de Oliveira (SENAI)

Aprovao Alexandre Kalil Hanna (CST)Carlos Athico Prates (CST)Wenceslau de Oliveira (CST)

SENAI Servio Nacional de Aprendizagem IndustrialCTIIAF Centro Tcnico de Instrumentao Industrial Arivaldo FontesDepartamento Regional do Esprito SantoAv. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235Bento Ferreira Vitria ESCEP 29052 - 121Telefone: (027) 334 - 5200Telefax: (027) 334 - 5212

CST Companhia Siderrgica de TubaroDepartamento de Recursos HumanosAv. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro Serra ESCEP 29160-972Telefone: (027) 348-1286Telefax: (027) 348-1077



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ndice

Assunto Pgina

Fsica dos Semicondutores e Diodos................................... 4

Transistor Bipolar................................................................ 19

Transistor de Efeito de Campo - FET.................................. 40

Circuitos Bsicos de Amplificadores................................... 52

Fontes de Alimentao.........................................................57

Amplificadores Operacionais ..............................................74

Tiristores...............................................................................86

Exerccios.............................................................................113



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FSICA DOS SEMICONDUTORES E DIODOS

1 - FSICA DOS SEMICONDUTORES1.1 - Estrutura atmicaJ sabemos que podemos dividir uma substncia em pores cada vez menores at chegar amenor das pores, que denominamos molcula.A molcula a menor poro que um material pode ser dividido sem que com isso venhasofrer alteraes em suas propriedades.Se dividirmos a molcula em partes, chegaremos ao tomo, sendo que este no maisconservar as propriedades do material subdividido.O tomo composto de outras partculas que so eltrons, prtons e nutrons, conforme afigura abaixo:

Os prtons (p) possuem cargas eltricas positivas.Os eltrons (e) possuem cargas eltricas negativas.Como vemos, o tomo formado por camadas concntricas ande fica ncleo. As camadas sonveis de energia.Chamamos de eltrons de valncia os eltrons que pertencem a ltima camada (camadaexterna) do tomo.



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Um tomo possui no mximo 7 (sete) camadas, assim denominadas: k, l, m, n, o, p, conformeabaixo:

As camadas inferiores, uma vez completas, no cedem nem recebem eltrons, logo oseltrons de valncia (eltrons da ltima camada externa) so os nicos em condio departiciparem de fenmenos qumicos ou mesmo eltricos.



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1.2 - Classificao do Materiais quanto condutividadeOs materiais podem ser classificados em 03 (trs) tipos:

condutoresisolantessemicondutores

Condutores:Dizemos que um material condutor, quando os eltrons so fracamente ligados ao ncleo eao serem submetidos a uma diferena de potencial passam a se locomover no interior domaterial.

Podemos citar como exemplo o ouro, a prata, o cobre e outros.Isolantes:Dizemos que um material isolante, quando os eltrons se encontram fortemente presos emsuas ligaes, evitando a circulao desses eltrons.Podemos citar como exemplo, a borracha, a mica, a porcelana, etc.

Semicondutores:Dizemos que um material semicondutor se sua resistncia se encontra entre a doscondutores e a dos isolantes.Os principais semicondutores utilizados so:

Silcio (Si)Germnio (Ge)

A principal caracterstica dos semicondutores a de possuir 04 (quatro) eltrons em sualtima camada, camada de valncia. Isto permite aos tomos do material semicondutor aformao entre si de ligaes covalentes.

1.3 - Cristais semicondutoresDizemos que uma substncia cristalina se ela possui uma estrutura cbica, tendo seustomos ocupando os vrtices desse cubo.O silcio (Si) e o germnio (Ge) apresentam-se sob a forma cristalina, significando que seustomos acham-se dispostos uniformemente em uma configurao peridica.



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Ligao covalente: a ligao por meio de pares de eltrons que participam simultaneamente dos dois tomos,mantendo a estabilidade.

1.4 - Classificao dos tomos quanto ao nmero de eltrons na camada de valnciaElemento trivalente:

todo elemento que possua em sua ltima camada (camada de valncia) um total de 03 (trs)eltronsExemplo:Alumnio, ndio, boro, glio.

Elemento tetravalente: todo elemento que possua em sua ltima camada (camada de valncia) um total de 04(quatro) eltrons Exemplo:Silcio, germnio, carbono, estanho.

Elemento pentavalente: todo elemento que possua em sua ltima camada(camada de valncia) um total de 05(cinco) eltrons. Exemplo:Antimnio, nitrognio, fsforo, arsnio.

1.5 - Dopagem do semicondutor

Chama-se dopagem de um semicondutor, o processo utilizado para construir elementos P eN, atravs da mistura ao silcio (Si) ou germnio (Ge) de quantidades reduzidas de impurezasde elementos trivalentes ou pentavalentes.



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1.6 - Semicondutor tipo N

Se introduzirmos na estrutura cristalina de um semicondutor uma pequena quantidade de ummaterial pentavalente, por exemplo, antimnio (Sb), tendo este 05 (cinco) eltrons na camadade valncia, haver a sobra de 01 (um) eltron do antimnio (Sb) que no formar ligaocovalente.O tomo do antimnio (Sb) que deu esse eltron chamamos de doador. O silcio (Si) ougermnio (Ge) dopados com elementos pentavalentes so chamados de tipo N, sendo ummaterial negativo.Os portadores de carga no material tipo N, so os eltrons.

1.7 - Semicondutor tipo PSe introduzirmos na estrutura cristalina de um semicondutor uma pequena quantidade de ummaterial trivalente, por exemplo ndio (ln), tendo este 03 (trs) eltrons na camada devalncia, faltar um eltron.Essa falta de eltron comporta-se como uma carga positiva que chamamos de lacuna.Os semicondutores dopados com elementos trivalentes so chamados do tipo P, e aoelemento trivalente da dopagem chamamos de aceitador.Os portadores de carga no material tipo P so as lacunas.



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1.8 - Portadores de cargasA condutividade de um semicondutor depende do nmero de portadores de carga, eltrons ou

lacunas, dependendo da dopagem. Outro fator que influi na condutividade a temperatura.Este fator contribui para o rompimento da ligao covalente, dando origem a eltrons elacunas medida que a temperatura aumenta. No material tipo N os eltrons da dopagemmais os surgidos pelo rompimento das ligaes so chamados de portadores majoritrios,pois existem em maior quantidade no material. E as lacunas surgidas no material tipo N,devido ao rompimento das ligaes, chamadas de portadores minoritrios.No material tipo P os portadores majoritrios so as lacunas e os portadores minoritrios soos eltrons:

2 - DIODO

2.1 - Juno PNSe unirmos um material do tipo P a um material do tipo N, de maneira a construirmos umnico cristal, esta juno ser denominada de juno PN ou diodo de juno. Sua grandeutilidade reside em deixar passar uma dada corrente em apenas um sentido. Sendo estacorrente alternada, que flui em dois sentidos, passa a fluir em um s sentido. A esta operaochamamos de retificao.Na figura abaixo, representamos uma juno PN no polarizada.

O material N apresenta um grande nmero de eltrons (portadores majoritrios) e o materialP um grande nmero de lacunas (portadores majoritrios). Haver difuso atravs da juno,ou seja, alguns eltrons comeam a aparecer nas proximidades do material P e algumaslacunas, nas proximidades do material N, causando a recombinao (ocupao de uma lacunapor um eltron ) entre esses portadores e uma neutralizao de cargas (um eltron se anulacom uma lacuna).



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Quando um eltron e uma lacuna se encontram, suas cargas individuais neutralizam-se e istodeixa o tomo da impureza carregado. Os tomos das impurezas so fixos. O tomo que

produzir o eltron tem agora uma lacuna e se carrega positivamente, e o tomo que produziua lacuna tem um eltron e se carrega negativamente, e so chamados de ons. Com istoaparecer um campo eltrico entre o material P e o material N e uma diferena de potencialchamada de barreira de potencial ou regio de carga espacial ( camada de depleo ).Depleo significa diminuio ou ausncia e, neste caso, esta palavra corresponde ausnciade portadores majoritrios na regio prxima juno PN .

2.2 - Polarizao Inversa da Juno PN

Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento N juno PN e o terminalnegativo da bateria no lado P.

Neste caso, os portadores majoritrios do lado P (lacunas) so atrados pelo plo negativo dabateria e do lado N (eltrons) pelo plo positivo da bateria.Os portadores majoritrios se afastam da juno, aumentando a barreira de potencial, nopermitindo a passagem de corrente atravs da juno.Na realidade existir uma pequena corrente, devido aos portadores minoritrios. Esta corrente chamada corrente de fuga, e varia com a temperatura.

2.3 - Polarizao direta da Juno PNConsiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento P da juno PN e o

terminal negativo da bateria ao lado N.



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Neste caso, os portadores majoritrios so repelidos em direo juno, havendo umabarreira de potencial muito pequena e facilidade para passagem da corrente eltrica. O diodoapresenta uma resistncia muito baixa para esta polarizao.

NOTA:Conforme os estudos anteriores, podemos concluir que o elemento PN conduz quandodiretamente polarizado, apresentando, na juno, uma pequena resistncia, um pouco maiorque uma ou duas dezenas de ohms, e no conduz quando polarizado inversamente,

apresentando uma resistncia da ordem de mega-ohms.

2.4 - Smbolo e forma fsica do diodo de juno

Como vimos, ao elemento puro, por exemplo o silcio, dopado de forma a ter uma regio P eN, chamados de diodo de juno.O diodo possui 02 (dois) eletrodos. Ao lado P, conecta-se um elemento denominado nodo, eo lado N, o catodo, conforme a figura abaixo.

Como sabemos, o fluxo de corrente do material P para o N, ou seja, do nodo ( + ) para ocatodo ( - ), que ocorre na polarizao direta.Podemos representar um diodo polarizado diretamente atuando como uma chave fechada, que

representa uma resistncia quase igual a 0 (zero).



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Quando polarizamos o diodo inversamente, representamo-lo atuando como se fosse sendo suaresistncia de valor muito elevado, no havendo circulao de corrente.

As formas fsicas de alguns diodos de juno, mostramos na figura abaixo.

2.5 - Curva caracterstica do diodo de juno

Na figura abaixo representamos a curva caracterstica de um diodo com polarizao direta einversa.



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A polarizao direta representada no eixo positivo pela tenso (Vd), e a corrente (Id),enquanto que a marcada no eixo negativo indica a polarizao inversa.

Podemos observar que o diodo s comea a conduzir a partir da tenso VEsta tenso, a 25C , de aproximadamente 0,3 V para um diodo de germnio (Ge), e de0,7V para um diodo de silcio (Si). Podemos notar, pela curva em polarizao direta, que parapequenos valores de Vd, praticamente no temos Id, passando a existir quando atingirmos ascaractersticas de conduo do diodo.A corrente da polarizao direta (id) da ordem de mili-ampres (mA).Na polarizao inversa, notamos que para pequenos valores de tenso, a corrente aproximadamente constante. Esta corrente devida aos portadores minoritrios, sendo daordem de micro-ampres ( A). Quando aumentamos a tenso inversa, notamos que Ir quaseno apresenta variaes, at atingirmos a tenso mxima inversa na qual o diodo se queima; aesta tenso chamamos de tenso de ruptura.

2.6 - Determinao da reta de carga de um diodoQuando utilizarmos um diodo, devemos determinar o ponto de operao (ponto em que odiodo est trabalhando), atravs da reta de carga.

Consideramos o circuito abaixo:

No circuito acima temos um diodo polarizado diretamente, onde circula uma corrente I nosentido indicado, passando pelo resistor R.Conhecemos a curva caracterstica do diodo, descrita anteriormente.Para sabermos o ponto de funcionamento do diodo, devemos conhecer o valor da corrente eda tenso sobre o mesmo. Pelo circuito, podemos escrever:

E= Vd + I.R

Para traarmos uma reta, necessitamos de 02 (dois) pontos, fazendo:1) Para I = 0, temos:

E= Vd + 0.R

E=Vd (que o ponto do eixo das abscissas)



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2) Para Vd = 0, temos:

E= 0 + I . R

I = E . (que o ponto do eixo das ordenadas)R

A reta que passa por estes pontos chamada de reta de carga e sua interseo com a curvacaracterstica do diodo, indica o ponto de operao do diodo ou ponto quiescente.

Na figura acima a reta de carga intercepta a caracterstica do diodo no ponto de operao domesmo e atravs de duas perpendiculares passando por esse ponto em relao a Id e Vd,determinamos a tenso de trabalho (Vdq) e a corrente de trabalho (Idq) do diodo.

Exemplo :Dada a curva caracterstica de um diodo, mostrada na figura abaixo, determinar o seu pontoquiescente e sua potncia de dissipao, sabendo-se que ele est ligado em srie com umresistor de 50 e alimentado por uma fonte de 2,2V.

Primeiramente, deve-se determinar a reta de carga:Vc = Vcc Vc = 2,2V

Is = Vcc/RL Is = 2,2/50 Is = 44mA

Traa-se agora a reta de carga sobre a curva caracterstica do diodo:



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Assim, o ponto quiescente resultante :Vd = 1,2V e Id = 20mA

Finalmente, a potncia dissipada pelo diodo vale:PD = Vd * Id PD = 1,25 * 20 * 10

-3 PD = 25mW

2.7 Modelos de diodos

2.7.1 Modelo 1 - Diodo Ideal

Dizemos que um diodo ideal quando conduz, diretamente, ao ser polarizado e suaresistncia igual a zero; porm quando polarizado inversamente, sua resistncia infinita, odiodo no conduz.



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2.7.2 - Modelo 2 - Diodo com V



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2.7.3 - Modelo 3 - Diodo com V e RD ( Modelo Linear )

Este modelo o mais prximo do real e considera o diodo comportando-se como umcondutor em srie com uma bateria de valor V e uma resistncia RD correspondente inclinao de sua curva caracterstica na polarizao direta.

..............Exemplos:

Para efeito de comparao, estes exemplos mostram os resultados dos clculos das correntesnum diodo, utilizando-se os trs modelos em duas condies diferentes de circuitos:Circuito 1

Neste caso, percebe-se que as diferenas entre os resultados obtidos so pequenas emrelao ordem de grandeza da corrente no diodo e, portanto, qualquer modelo pode ser

adotado, dependendo apenas da preciso desejada.



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Neste caso, percebe-se que as diferenas entre os resultados obtidos so quase da mesmaordem de grandeza da corrente no diodo e, portanto, o modelo 3 deve ser o preferido, pois acorrente resultante certamente muito prxima do valor real.



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TRANSISTOR BIPOLAR1 - TRANSISTOR

1 .1 - Introduo

No estudo de diodo, analisamos uma juno PN. Para o transistor, estudaremos duas junes.Para cada juno do transistor, existir uma barreira de potencial. Temos 02 (dois) tipos detransistores, NPN e PNP, apresentando 03 (trs) terminais: o emissor, a base e o coletor, eduas junes: juno base-emissor e a juno base-coletor, conforme a figura abaixo.

Neste caso, o emissor composto de um material tipo N, tem a funo de emitir eltrons. Ocoletor, que tambm de material tipo N, coleta os eltrons. A base, formada por materialtipo P, a parte comum.

1.2 - Polarizao do transistor

No transistor, a juno base-emissor polarizada diretamente, e a juno base-coletor polarizada inversamente, independente do tipo NPN ou PNP.Como sabemos, ao polarizar uma juno PN diretamente, teremos uma reduo na barreira depotencial e uma resistncia de pequeno valor.Ao polarizar inversamente a juno PN, teremos um aumento na barreira de potencial e uma

resistncia de valor elevado.



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Os eltrons que so portadores majoritrios do material tipo N, saem do emissor e soinjetados na regio da base, devido polarizao direta da juno base-emissor. Como ajuno base-coletor possui polarizao inversa, os eltrons que saem do emissor so injetadosna base, e so atrados para o coletor, devido a base ser fina e possuir uma quantidadepequena de lacunas.A corrente do emissor (IE) relativamente grande, dada em mili-ampre (mA), a corrente dabase (Ib) pequena, dada em micro-ampre ( A) e a corrente do coletor (IC) tambm grande, dada em mili-ampre (mA). A corrente de base pequena devido a ela serpraticamente resultante de poucas recombinaes na base. Pela figura 2 podemos escrever aequao: IE = IB + IC, e como a corrente da base IB pequena, temos IE IC. Outra equaoque podemos escrever a seguinte: VCE = VBE + VCB, onde VCE a tenso entre coletor e

emissor.

1.3 - Convenes e simbologia

Os smbolos convencionados para o transistor so os seguintes:

Polarizando o transistor, teremos as tenses e corrente indicadas na figura abaixo.



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1.4 - Relaes entre correntes no transistorSabemos que: IE = IB + IC; mas IB muito menor que IC e representa a parte do fluxo deeltrons atingiu o coletor.Para relacionarmos IC e IE podemos introduzir um parmetro (ganho em corrente contnua).

= IC .IE

Como IC menor que IE, teremos que ser sempre menor que 01 (um).Podemos tambm relacionar IC com IB. Neste caso, temos o parmetro S (ganho em correntecontnua), que relaciona a corrente de sada (IC), com a corrente de entrada (IB).

= IC. = /(1+) ou = /(1-)IB

NOTA:Algumas vezes, o ganho de corrente do transistor (), representado por outro parmetro que denominado h fE.

1.5 - Configurao em que se apresentam os transistoresExistem 03 (trs) tipos de configuraes em que podemos montar um transistor: emissorcomum, base comum e coletor comum.O tipo de configurao est relacionado com o terminal de entrada e sada, tendo umelemento comum entrada e sada.

a) Configurao emissor comumDizemos que um transistor est na configurao de emissor comum, quando a entrada nabase e a sada no coletor, tendo o emissor como elemento comum.



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b) Configurao base comum

Dizemos que um transistor est na configurao. coletor, tendo a base como elementocomum.

c) Configurao Coletor ComumDizemos que um transmissor est em configurao coletor comum (ou seguidor de emissor),quando a entrada na base e a sada no emissor, tendo o coletor como elemento comum.

medio



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1.6 - Curvas caractersticas do transistorAs curvas caractersticas do transistor estabelecem relaes entre entrada e sada para cadaconfigurao, sendo a mais utilizada a configurao emissor comum. As curvas so de grandeimportncia para conseguirmos o ponto de timo funcionamento do transistor, de acordo como projeto adotado.

a) Caractersticas VCE x ICFornece-nos a caracterstica de sada do transistor na configurao emissor comum, sendo IBconstante para cada variao de VCE e IC.

b)Caracterstica VBE x IBFornece-nos a caracterstica de entrada do transmissor na configurao emissor comum,quando VCE constante.



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Exemplos:

Dadas as curvas caractersticas de entrada e sada de um transistor NPN, determinar:a) A corrente na base para VBE = 0,8V ;b) O ganho de corrente nas condies do item a ;

c) O ganho de corrente na configurao BC ;d) O novo ganho de corrente, caso iB dobre de valor, mantida a tenso VCE;e) O novo ganho de corrente na configurao BC.a) Para VBE = 0,8V , tem-se que iB = 300A .



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b) A curva caracterstica de entrada foi obtida para VCE = 5V. Entrando com esse valor nacurva caracterstica de sada, juntamente com a corrente de entrada iB obtida no item a,

tem-se que a corrente de sada iC = 110mA.

Com os valores de iC e iB , tem-se que o ganho de corrente do transistor, nestas condies,vale:

= iC/iB = 110*10-3/300*10-6 = 367

c) Na configurao BC, o ganho de corrente vale: = / ( 1+ ) 367 / ( 1+367 ) = 0,9973

d) Se a corrente de base dobrar de valor, tem-se iB = 600A.Pela curva caracterstica de sada ( mostrada anteriormente ), chega-se ao novo valor dacorrente de coletor:

iC = 280mAAssim:

=iC/ iB = 280*10-3 / 600*10-6 = 467

e) Na configurao BC , o ganho de corrente vale:

= / ( 1+) = 467 / ( 1+ 467 ) = 0,9979

1.7 - Ponto de operao de um transistorAo polarizarmos o transistor devemos verificar os limites de operao do mesmo, ou seja, atenso mximacoletor-emissor (VCE mx), a corrente mxima de coletor (IC mx), a tenso mxima base-emissor (VBE mx ), a tenso mxima coletor-base (VCBmx), a Potncia mxima (PCmx) e a



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temperatura mxima. Se ultrapassarmos estes limites, poderemos danificar o transistor oufaz-lo trabalhar com distores.

O ponto de operao de um transistor, tambm denominado ponto de trabalho ou pontoquiescente, deve ser localizado na regio de operao limitada pelos valores mximos detenso, corrente e potncia.

Alm da regio de operao (regio ativa), onde o transistor trabalha sem distores, devemser levadas tambm em considerao as regies de corte e de saturao. Na regio de corte, a

tenso VBE menor que VBE de conduo, logo no haver corrente IB circulando, IC tambmser zero, e VCE estar com valor elevado. Na regio de saturao, a tenso VBE um poucomaior que VBE de conduo. Neste caso, a corrente de entrada IB e consequentemente IC somuito grandes, o que implica em VCE baixo, em torno de 0,2 Volts (dependendo do transistor)

1.8 - Corrente de fuga do transistor (ICBO)Quando polarizamos uma juno PN inversamente, circular pela portadores minoritrios. Acorrente de fuga (ICBO) circula do coletor para a base com o emissor em aberto, conforme afigura abaixo.

A corrente ICBO varia com a temperatura. Para cada 10 C de aumento na temperatura, acorrente ICBO dobra o valor.

1.9 - Circuito simples do transistor



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Vamos considerar o seguinte circuito:

a) Relao entre IB e VBE

Pela malha de entrada, podemos escrever a seguinte equao:E1= R1 . IB + VBE

Para determinarmos o ponto de operao do transistor, suponhamos:

1) VBE = 0, teremos IB = E1 (1 ponto)R1

2) IB = 0, teremos VBE = E1 (2 ponto)

Pela curva caracterstica VBE x IB, teremos:

b) Relao entre IC e VCEPela malha de sada do circuito, podemos escrever a seguinte equao

E2 = R2 . IC + VCE



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Para determinarmos o ponto de operao do transistor para esta caracterstica suponhamos:1) VCE = 0, teremos: IC= E2 (1 ponto)

R2

2) IC = 0, teremos: VCE = E2 (2 ponto)

Por esses dois pontos determinamos a reta de carga., e pela corrente IBQ determinamos oponto de operao do transistor (Q), conforme a figura abaixo.

1.10 - Circuito de polarizao em emissor comum

Nesta configurao, a juno base-emissor polarizada diretamente e a juno base-coletor.Para isso, utilizam-se duas baterias e dois resistores para limitar as correntes e fixar o pontoquiescente do circuito.

Considerando apenas o transistor NPN, pode-se fazer a anlise das malhas de entrada e

sada.



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Malha de entrada: RB*IB + VBE = VBB

Portanto, a equao de RB :

RB = ( VBB VBE ) / IB

Malha de sada: RC*IC + VCE = VCC

Portanto a equao de RC :

RC = (VCC VCE ) / IC

Existem vrias formas de simplificar este circuito, eliminando-se uma das fontes dealimentao, como sero vistas a seguir.

Circuito de polarizao EC com corrente de base constante

Para eliminar a fonte de alimentao da base VBB , pode-se fazer um divisor de tenso entreo resistor de base RB e a juno base-emissor, utilizando apenas a fonte VCC, como mostra afigura 7.8.Para garantir a polarizao direta da juno base-emissor, e reversa da juno base-coletor,RB deve ser maior que RC .

Reescrevendo-se as equaes das malhas de entrada e sada, tem-se:

Malha de entrada: RB*IB + VBE = VCC


RB = ( VCC VBE ) / IB

Malha de sada: RC*IC + VCE = VCC

Portanto a equao de RC :

RC = ( VCC VCE ) / IC



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Neste circuito, como VCC e RB so valores constantes e VBE praticamente no varia, avariao da corrente de polarizao da base desprezvel. Por isso, este circuito chamado

de polarizao EC com corrente de base constante.Exemplo: Polarizao EC com corrente de base constante

Dado um transistor com = 200 e uma fonte de alimentao de 12V , determinar osresistores de polarizao ( valores comerciais ) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC / 2, ICQ= 15mA e VBEQ = 0,7V .

Clculo de RC :

RC = ( VCC VCEQ ) / ICQ = ( 12 6 ) / 15*10-3 RC = 400

Valor comercial adotado: RC = 470

Potncia de RC :

PRC = RC*ICQ2 = 470*( 15*10-3)2 = 106mW ( 1/4 W )

Clculo de RB :

IBQ = ICQ / IBQ = 15*10-3 / 200 IBQ = 75A

RB = ( VCC VBEQ ) / IBQ RB = ( 12 0,7 )/ 75*10-6 RB = 150667

Valor comercial adotado : RB = 150 K

Potncia de RB :

PRB = RB*IBQ2 = 150*10-6*( 75*10-6 )2 = 0,84 pW ( 1/8 W )

Observao:Ao se adotarem os valores comercias para os resistores de polarizao, impe-se um pequenodeslocamento no ponto quiescente. Porm este erro no relevante, dado que todos osparmetros do transistor so, tambm, valores estimados pelos fabricantes, sem contar atolerncia dos resistores de polarizao.



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O circuito de polarizao EC com corrente de base constante tem o inconveniente de sermuito sensvel a variaes de temperatura.

Influncia da temperatura no comportamento dos transistores.

O cristal semicondutor um material sensvel temperatura, isto , seu aumento podefornecer energia suficiente aos tomos do cristal, gerando novos portadores.

Assim sendo, os diodos e transistores sofrem influncia da temperatura. No caso dostransistores, a variao da temperatura altera principalmente o parmetro , VBE e correntede fuga.

Na figura 7.9, est esboada graficamente a influncia da temperatura para o parmetro eVBE.

Influncia da Temperatura no Transistor

A variao de VBE com a temperatura desprezvel ( por exemplo: o aumento da temperatura

de 25C para 50C causa uma diminuio aproximada de 0,05V em VBE ). Porm, a

corrente de fuga e o podem Ter variaes acentuadas ( no caso de , a mesma variaode temperatura pode dobr-lo ). Isto ocasiona uma grande variao na corrente de coletor,sem que haja variao na corrente de base, deixando o circuito instvel.

Com a determinao do ponto quiescente, o que se deseja fixar a corrente e a tenso desada do circuito. No caso do circuito de polarizao na configurao EC , reproduzido nafigura 7.10, o ponto quiescente deve fixar os valores de ICQ e VCEQ.

Variao do Ponto Q por Influncia da Temperatura

Analisando a malha de sada, formada por VCC, RC e VCE , observa-se que o aumento datemperatura faz com que a corrente de coletor ICQ aumente ( aumento da correntequiescente ), aumentando a tenso VRC. Sendo VCC constante, esse aumento de VRC temque ser compensado pela diminuio de VCEQ ( diminuio da tenso quiescente ).



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A diminuio de VCEQ provoca novo aumento de ICQ , resultando numa realimentaopositiva, ou seja, numa instabilidade do circuito.

Portanto, uma forma de contornar este problema, forar uma realimentao negativa,sempre que houver uma tendncia de instabilidade no circuito.

A soluo para isto colocar em srie com o emissor um resistor RE.

Circuito de polarizao EC com corrente de emissor constante.

Neste circuito de polarizao, inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte dealimentao, como mostra a figura 7.11, para transistores NPN e PNP.

Polarizao EC com Corrente de Emissor Constante

Analisando o circuito de polarizao do transistor NPN, percebe-se que, se ocorrer umaumento na corrente de coletor devido ao aumento da temperatura, a corrente de emissor

tambm aumenta. Consequentemente, aumentam VRC e VRE. Isto provocaria umadiminuio de VCEQ, dando incio realimentao positiva ( instabilidade ).Porm, o aumento de VRE causa uma diminuio de VRB na malha de entrada, j que VBEQmantm-se praticamente constante.

A diminuio de VRB , por sua vez, provoca a diminuio de IBQ e , consequentemente, deICQ, compensando o seu aumento inicial.

A resposta dada por RE para o aumento de ICQ , chama-se realimentao negativa, egarante a estabilidade do circuito e do ponto quiescente.



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Como a realimentao negativa faz ICQ voltar ao seu valor original, o mesmo acontece comIEQ, que mantm-se, portanto, constante. Por isso, esse circuito de polarizao conhecido

por polarizao EC com corrente de emissor constante.Equacionando o circuito de polarizao NPN, tem-se:

Malha de entrada : RB*IB + VBE + RE*IE = VCC


RB = ( VCC VBE RE*IE ) / IB

Malha de sada : RC*IC + VCE + RE*IE = VCC

Portanto, a equao de RC :

RC = ( VCC VCE RE*IE ) / IC

Neste caso, tem-se duas equaes para trs incgnitas: RB , RC e RE .

Na prtica este problema resolvido, adotando-se um dos seguintes critrios:

1) Adota-se um valor para RE compatvel com as tenses e correntes do circuito, ou

2) Adota-se uma tenso para VRE de valor pequeno em relao VCC, para que o resto datenso possa ser utilizada para determinar a tenso e a corrente de sada quiescentes,respectivamente, VCEQ e ICQ ( esta ltima, atravs de VRC ). Normalmente, utiliza-se VRE =VCC/10 .

Exemplo : Polarizao EC com corrente de emissor constante

Dado um transistor com = 250 e uma fonte de alimentao de 20V, determinar osresistores de polarizao ( valores comerciais ) para o ponto quiescente: VCE = VCC /2 , ICQ =100mA e VBEQ = 0,7V .

Clculo de RC :

Adotando-se VRE = VCC/10 = 2V :

RC = ( VCC VCEQ VRE ) / ICQ = ( 20 10 2 ) / 100*10-3 RC = 80

Valor comercial adotado : RC = 82

Potncia de RC :



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PRC = RC*ICQ2 = 82*(100*10-3)2 = 0,82W ( 1,5W )

Clculo de RB :IBQ = ICQ / IBQ = 100*10

-3 / 250 IBQ = 400A

RB = ( VCC VBEQ VRE ) / IBQ RB = ( 20 0,7 2 ) / 400*10-6 RB

= 43250

Valor comercial adotado: RB = 47K

Potncia de RB :

PRB = RB*IBQ2 = 47*103*( 400*10-6 )2 = 7,52mW ( 1/8 W )

Clculo de RE :

IEQ = ICQ + IBQ IEQ = 100*10-3 + 400*10-6 = 100,4mA

RE = VRE / IEQ RE = 2 / 100,4*10-3 RE = 19,92

Valor comercial adotado : RE = 22

Potncia de RE:PRE= RE*IEQ

2 = 22*( 100,4*10-3 )2 = 222mW ( 1/2 W )

Circuito de polarizao EC com divisor de tenso na base

Uma outra forma de solucionar o problema de instabilidade com a temperatura o circuito depolarizao mostrado na figura 7.12, conhecido como polarizao por divisor de tenso nabase.

Polarizao EC com Divisor de Tenso na Base

A anlise feita a seguir, refere-se ao transistor NPN.



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O circuito de polarizao por divisor de tenso na base projetado de forma a fixar o valor deVRB2.

Da malha de entrada, tem-se:VRB2 = VBE + VRE

Fixado o valor de VRB2 , como VBE praticamente constante com a temperatura, VREtambm permanece constante. Isto garante a estabilizao de IEQ e ICQ, independente davariao de .

O valor de RB2 pode ser fixado a partir da sua corrente, adotando-se o seguinte critrio:

IB2 = 10*IB

Equacionando este circuito, tem-se:

Malhas de entrada: RB2*IB2 = VBE + RE*IERB1*IB1 + VBE + RE*IE = VCC

Portanto, as equaes de RB2 e RB1 :

RB2 = ( VBE + RE*IE ) / IB2 e RB1 = ( VCC VBE RE*IE ) / IB1

Malha de sada: RC*IC + VCE + RE*IE = VCC

Portanto, a equao de RC :

RC = ( VCC VCE RE*IE ) / IC

Para este tipo de polarizao, devido ao nmero de incgnitas, vale tambm o seguintecritrio prtico:

VRE = VCC / 10

Determinao da reta de carga

Ponto de saturao : VCEsat = 0

Pela equao da malha de sada, tem-se:

RC*ICsat + VCEsat + RE*IEsat = VCC RC*ICsat + RE*IEsat = VCC

Mas, IC = IE , portanto :



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( RC + RE )*ICsat = VCC ICsat = VCC / ( RC + RE )

Ponto de corte : ICcorte = IEcorte = 0Pela equao da malha de sada, tem-se :

RC*ICcorte + VCEcorte + RE*IEcorte = VCC VCEcorte =VCCCom esses dois pontos, traa-se a reta de carga sobre a curva caracterstica de sada daconfigurao EC , onde se localizar o ponto quiescente, como mostra a figura 7.13 .

Reta de Carga na Configurao EC

Exemplo :Polarizao EC com divisor de tenso na base

Dado um transistor com = 250 e uma fonte de alimentao de 9V , determinar osresistores de polarizao ( valores comerciais ) para o ponto quiescente: VCEQ = VCC/ 2 , ICQ= 20mA e VBEQ = 0,65V e traar a sua reta de carga.



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Clculo de RC :

Adotando-se VRE = VCC / 10 = 0,9V :RC = ( VCC VCEQ VRE ) / ICQ = ( 9 4,5 0,9 ) / 20*10

-3 RC = 180

Valor comercial adotado: RC = 180

Potncia de RC :

PRC = RC*ICQ2 = 180*( 20*10-3 )2 = 72mW ( 1/8W )

Clculo de RB1 e RB2 :

IBQ = ICQ / IBQ = 20*10-3 / 250 IBQ = 80A

IB2 = 10*IBQ IB2 = 10*80*10-6 IB2 = 800A

IB1 = IBQ + IB2 = 80*10-6 + 800*10-6 = 880A

Da malha inferior de entrada, tem-se :

RB2 = ( VBE + VRE ) / IB2 RB2 = ( 0,65 + 0,9 ) / 800*10-6 RB2 = 1937

Valor comercial adotado : RB2 = 2K2

Potncia de RB2:

PRB2 = RB2*I2

B2 = 2,2*103*(800*10-6)2 = 1,41mW (1 / 8W)

Da malha formada por VCC, RB1, VBE e VRE, tem-se:

RB1 = VCC VBE VRE/ IB1 RB1 = 9 0,65 0,9/ 880*10-6 RB1 = 8466

Valor comercial adotado: RB1 = 8K2

Potncia de RB1:

PRB1 = RB1*IB12 = 8,2*103*(880*10-6)2 =6,35mW ( 1/8W )

Clculo de RE:

IEQ = ICQ + IBQ IEQ = 20*10-3 + 80*10-6 = 20,08mA

RE = VRE / IEQ RE = 0,9/ 20,08*10-3 RE = 44,8



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Valor comercial adotado : RE = 47

Potncia de RE:

PRE = RE* IEQ2 = 47*( 20,08*10-3 )2 = 19mW ( 1/8W )

Determinao da reta de carga:

Para VCEsat = 0 ICsat = VCC / ( RC + RE ) ICsat = 9/(180 + 47) = 40mA

Para ICcorte = 0 VCEcorte = VCC = 9V

Portanto, a reta de carga com o respectivo ponto quiescente fica como mostrada a seguir:

Uma outra forma de analisar o circuito de polarizao EC com divisor de tenso na base, substituindo-se o divisor de tenso por seu circuito equivalente Thvenin , visto da basedo transistor.

A resistncia equivalente de Thvenin (RTH) obtida curto-circuitando-se a fonte VCC.Com isso, os resistores RB1 e RB2 ficam em paralelo, sendo RTH determinada por:

RTH = RB1*RB2 / ( RB1 + RB2 )

A tenso equivalente de Thvenin ( VTH ) a tenso aplicada pelo divisor de tenso basedo transistor, isto :

VTH = [ RB2 / ( RB1 + RB2 ) ]*VCC



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Portanto, o circuito de polarizao fica como mostra a figura:

Este circuito, com exceo de RE , anlogo ao primeiro circuito de polarizao ECanalisado, com duas fontes de alimentao. A diferena que neste, a Segunda fonte VTH apenas um artificio usado para o equacionamento do circuito.

Equacionando este circuito, tem-se:

Malha de entrada: RTH*IB + VBE + RE*IE = VTH

Malha de sada: RC*IC + VCE + RE*IE = VCC

Pelas equaes das malhas, observa-se que existem mais de duas incgnitas.

Este problema resolvido, adotando-se os seguintes valores prticos:

VRE = VCC/10 IB = IB2/10



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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET)

O transistor de efeito de campo (FET) tem o princpio de funcionamento diferente dotransistor bipolar. um dispositivo sensvel tenso, com impedncia de entrada elevada, eimpedncia de sada relativamente alta. O FET utilizado tanto nos circuitos analgicoscomo nos digitais, como amplificador ou chave.Existem dois tipos bsicos de FET: o FET de juno e o MOSFET de metal xidosemicondutor.

2.1 - Fet de JunoO FET de juno consiste em uma fina camada de material tipo n ou tipo p com dois contatoshmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores interligados denominadosportas (G).

Os eltrons livres entram na fonte e saem do dreno (Canal N).A camada condutora entre a fonte e o dreno chamada de canal. O FET pode ser do tipo n,no qual o canal do tipo n e as portas so do tipo p; ou do tipo p, sendo o canal tipo p e asportas tipo n.



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2.2 - A corrente no FET tipo junoVamos considerar o circuito:

A porta (G) de um FET de juno tem sempre polarizao reserva para impedir corrente deporta e tambm para criar camadas de depleo em volta das regies P (canal N),possibilitando o estreitamento do canal condutor e, consequentemente, a diminuio dacorrente entre a fonte e o dreno.A corrente de dreno (ID) controlada pela tenso de VGS. Como existe o canal, mesmo que atenso VGS seja igual a zero, haver corrente percorrendo o elemento.O aumento da polarizao reserva (VGS), diminui a largura do canal N, o que provoca umadiminuio na corrente do dreno (ID).

VGS = 0

Condio da porta em curto.

A corrente de dreno se nivela e torna-se praticamente horizontal; o FET se comporta comouma fonte de corrente.



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VGS corte - Tenso de constrioQuando a tenso da porta for suficientemente negativa, as camadas de depleo tocam-se e ocanal condutor desaparece, ID=0.

IDSS - Corrente de dreno para fonte com a porta em curto.

O grfico da figura 19.b relaciona-se a corrente de sada versus a tenso de entrada Essacurva conhecida como curva de transcondutncia, que um trecho de uma parbola.A sua equao a seguinte:

ID = IDSS [ 1 - VGS . ]2

VGS corteOnde:

ID = corrente de dreno.IDSS = corrente de dreno para fonte com a porta em curto circuitoVGS = tenso entre a porta e fonte.VGS corte = tenso de constrio.

Polarizao do JFET

AutopolarizaoEsta polarizao utiliza apenas uma fonte de alimentao.



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O resistor RS produz uma realimentao negativa. Se a corrente de dreno ID aumenta, a

tenso sobre RS tambm aumenta. Isto faz aumentar a tenso reversa porta-fonte ( VGS )estreitando o canal, reduzindo novamente o canal, reduzindo novamente a corrente ID. Porisso o nome autopolarizao.

Existem duas formas de se determinar os valores dos resistores de polarizao: pela reta decarga traada sobre as curvas de dreno e pela reta de autopolarizao traada sobre a curvade transferncia.

Especificamente para o JFET , mais interessante utilizar a curva de transferncia paradefinir a polarizao, pois os manuais sempre fornecem pelo menos os parmetros IDSS e VPque a definem, alm de possibilitar a melhor visualizao do problema das tolerncias do

transistor.

Determinao da Reta de Autopolarizao

A reta de autopolarizao ( ou reta de RS ) traada sobre a curva de transferncia, ecorresponde lei de Ohm aplicada ao resistor de fonte RS.

Da malha de entrada, obtm-se:

-VGS = RS . ID RG . IG

Como IG praticamente nula devido alta impedncia de entrada, tem-se:

-VGS = RS . ID

Pela curva de transferncia com valores tpicos, atravs dos pontos IDQ ou VGSQ previamenteescolhidos, tem-se um ponto da reta de autopolarizao. O outro ponto a prpria origem dacurva de transferncia.

O ponto timo de polarizao deve ser escolhido de tal forma que fique localizado no meioda curva de transferncia.



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Anlise das tolerncias do JFET

Conhecendo-se as tolerncias do JFET dadas pelos manuais atravs de valores ou na prpria

curva de transferncia, percebe-se que , uma vez definida a reta de autopolarizao, o pontoquiescente pode estar localizado em qualquer posio entre Q1 e Q2 .

Portanto, alm da variao possvel de IDQ na autopolarizao ser menor que no processode polarizao anterior ( com VGS constante ), a realimentao negativa imposta por RSpara variaes de IDQ garante uma melhor estabilidade do circuito.

Determinao dos resistores de polarizao

Da equao da reta de autopolarizao, obtm-se:

RS = - VGSQ/IDQ



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Da malha de sada , obtm-se:VDD = RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ RD = ( VDD VDSQ + VGSQ ) / IDQ

Como a curva de transferncia praticamente a mesma para todo VDS> VPO ( regio ativada curva de dreno ), o valor de VDSQ fixado por RD.

Exemplo :

Dada a curva de transferncia do JFET BF245A ( PDmax = 300mW ) , determinar os valores

de RS e RD do circuito de autopolarizao para IDQ = 1mA e VDSQ = 15V .

Determinao da reta de autopolarizao:

1 Ponto: Q 2 Ponto: Origem

Do ponto Q da reta de autopolarizao, obtm-se: VGSQ = -1V

Clculo de RS e RD :

RS = -VGSQ / IDQ = -( -1 )/ 1*10-3 RS = 1K

RD = ( VDD VDSQ + VGSQ ) / IDQ = ( 25 15 1 ) / 1*10-3 = 9K

Valor comercial adotado : RD = 10K

O fato de o valor adotado para RD ser um pouco maior que o calculado, diminui VDSQ de15V para 14V. Porm, as variaes de IDQ e VGSQ so desprezveis, pois o pontoquiescente est na regio ativa.

Potncia dissipada pelo JFET :



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PD = VDSQ* IDQ = 14*1*10-3 = 14mW ( menor que PDmax )

--------- /// ---------

Uma outra forma de se polarizar o JFET pela reta de autopolarizao, porm, sem a curva detransferncia, utilizando os parmetros mximos e mnimos de IDSS e VP , fornecidos pelosmanuais:

Os dois pontos ( IDSS , -VP ) e a origem definem uma reta de autopolarizaoaproximadamente no centro da curva de transferncia.

Assim, como os parmetros ( IDSSmax , -VPmax ) e (IDSSmin , -VPmin ) , calculam-se dois valores

para o resistor RS , sendo um para a parbola mxima e outro para a mnima:

RSmax = -VPmax / IDSSmax RSmin = -VPmin / IDSSmin

Neste caso, um valor de RS intermedirio de RSmin e RSmax garante um ponto quiescenteprximo ao da parbola correspondente dos parmetros tpicos do JFET .

Para o JFET BF245A , o manual do fabricante fornece os seguintes parmetros :

min maxIDSS ( mA ) 2,0 6,5

VP ( V ) -0,5 -8,0

Clculo de RS:

RSmax = -VPmax/ IDSSmax = -( -8 ) /6,5*10-3 = 1230

RSmin = -VPmin/IDSSmin = -( -0,5 )/2*10-3 = 250

Portanto, pode-se utilizar RS = 1K , como no exemplo anterior.

2.3 - MosfetO MOSFET um elemento largamente empregado na construo de circuitos integrados,devido a caractersticas de construo.



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O MOSFET de canal n constitudo de um substrato tipo p no qual so difundidas duasregies tipo n. Estas regies formam a fonte (S) e o dreno (D). A porta (G) formada poruma camada de dixido de silcio (isolante), em cima da qual depositada uma placa demetal.A porta isolada do canal. O diodo PN que existe num FET de juno foi eliminado noMOSFET.

Formao do canal no MOSFETA porta (G) formada por uma camada de dixido de silcio (SiO 2) na qual depositada umaplaca de metal. Quando colocamos a porta (G) em um potencial positivo em relao aosubstrato, haver ento acumulao de eltrons, formando o canal.



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O MOSFET se subdivide em dois grupos: MOSFET tipo depleo e o MOSFET tipocrescimento.

2.4 - Mosfet tipo depleoO MOSFET tipo depleo tem seu aspecto tsico conforme a figura abaixo.

Este tipo de construo apresenta uma estreita camada tipo N que interliga a fonte (S) e quepermitir o fluxo de corrente mesmo quando nenhuma tenso for aplicada porta.

2.5 - Polarizao do Mosfet tipo depleoVamos considerar o circuito da figura abaixo:

Se a tenso VGS for igual a zero, ir circular uma corrente ID no circuito, uma vez que existecanal para que essa corrente possa fluir. Sendo a porta (G) negativa em relao fonte (S),

teremos que a camada de metal fica negativa e polariza o isolante. Haver um estreitamentodo canal N, diminuindo a corrente ID no dispositivo.



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Este estreitamento do canal tanto maior, quanto maior for a polarizao negativa da porta(G).

Se aplicarmos uma tenso positiva porta (G), haver um alargamento no canal, aumentandoa circulao da corrente ID .

O mesmo princpio aplicado ao MOSFET tipo depleo de canal P.

2.6 - Mosfet tipo crescimentoO funcionamento do MOSFET tipo crescimento semelhante ao MOSFET tipo depleo.O aspecto fsico do MOSFET tipo crescimento est representado na figura abaixo.



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Para este tipo de construo o canal de conduo da corrente ID s vai aparecer quandohouver tenso VGS.

2.7 - Polarizao do Mosfet tipo crescimento

Vamos considerar o circuito da figura abaixo:

No caso da figura acima em que o MOSFET de canal N, quando polarizamos a porta (G)negativamente em recircular entre estes dois elementos ser funo da relao fonte (S), no haver conduo.Fazendo a porta (G) positiva em relao fonte (S) e aumentando a tenso de VGS

estabelecemos um contato entre a fonte (S) e o dreno (D), onde a corrente ID que agoracircular entre estes dois elementos ser funo da tenso positiva porta (G) que controlara largura do canal.



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VGSmin - Tenso de limiar

Tenso necessria para criar uma fina camada no material tipo N prximo do dixido de

silcio ligando a fonte ao dreno.Para o MOSFET tipo crescimento de canal p, teremos uma mudana de polarizao.



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CIRCUITOS BSICOS DE AMPLIFICADORES

1 - CIRCUITOS BSICOS DE AMPLIFICADORES

O amplificador linear um circuito eletrnico que multiplica a amplitude constante.Para usarmos o transistor como amplificador de tenso ou corrente, do transistor. Essapolarizao nos mostra em que regio o transistor. Essa polarizao nos mostra em que regioo transistor est operando.

1.1- Circuito simples de amplificaoVamos considerar o circuito da figura abaixo.

No circuito acima, temos: E a bateria de polarizao; R1 e R2 so as resistncias depolarizao e C1 e C2 so capacitores de acoplamento que permitem somente a passagem decorrente alternada, bloqueando a corrente contnua.

A tenso de entrada (Vi) produz uma variao na tenso de base-emissor (VBE) que, por suavez, produz uma variao na corrente de base (IB) e esta produz uma variao de vezes nacorrente de coletor (IC), onde IC = IB, fazendo com que haja uma variao de tenso no

resistor R2. Como a tenso E constante, a tenso VCE variar de forma inversamenteproporcional variao da tenso em R2, produzindo a tenso de sada (Vo).



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Podemos representar as tenses de entrada e sada conforme figura abaixo.

As tenses de entrada (Vi) e sada (Vo) esto defasadas de 180. O ganho de tenso dadopor: Av = Vo

Vi

1.2- Estrutura de circuito amplificadorConsideremos o circuito abaixo.



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Como vemos no circuito anterior, o sinal que aplicamos na entrada uma tenso alternada, e

a polarizaodo transistor feita com uma tenso contnua.Os capacitores de acoplamento C1 e C2 permitem a passagem de um sinal alternado,bloqueando a corrente contnua.Como a reatncia capacitiva (Xc) inversamente proporcional freqncia (Xc = 1/2 f.c),podemos considerar os capacitores C1 e C2 como curto-circuito para corrente alternada e umcircuito aberto para corrente contnua.Baseado nesses conceitos, podemos escrever o circuito equivalente em corrente contnua, oucircuito de polarizao, conforme figura abaixo.

Para corrente alternada, temos o circuito conforme a figura 5.

OBSERVAO:

A fonte E pode ser considerada como um curto-circuito para CA, devido sua pequenaresistncia interna.

NOTA:Para evitar confuso entre as correntes e tenses contnuas e alternadas, usaremos letras endices maisculos para corrente e tenses contnuas, e ndices minsculos para as correntes etenses alternadas,ou seja:

IE,IC,IB para correntes contnuasVBE, VCE, VCB para tenses contnuasie, ic, ib para correntes alternadas

Vbe, Vce, Vcb para tenses contnuas



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Tipos de amplificadoresOs amplificadores podem ser divididos em vrias categorias:

Quanto amplitude dos sinais: Amplificadores de pequeno sinal ou baixa potncia, cujos sinais de entrada so da

ordem de unidades de V a dezenas de mV , ou correntes de coletor da ordem deunidades a centenas de mA , ou potncias de coletor de centenas de mW;

Amplificadores de mdia potncia, cujos sinais de entrada so da ordem de centenas demV , ou correntes de coletor da ordem de centenas de mA a unidades de Ampre, oupotncias de coletor da ordem de centenas mW a unidades de Watt;

Amplificadores de potncia, cujos sinais de entrada so da ordem de centenas de mV,ou correntes de coletor da ordem de unidades a dezenas de Ampre, ou potncias decoletor da ordem de unidades a centenas de Watt.

Quanto frequncia dos sinais: Amplificadores de baixa frequncia, que operam com frquncias entre 0,1Hz a

30KHz ( abaixo da faixa de udio at VLF ) ; Amplificadores de mdia frequncia, que operam com frquncias na faixa de LF; Amplificadores de alta frequncia, que operam com frequncias acima de LF ( sendo

classificados conforme a faixa de operao: VHF , UHF , microondas etc ) .

Obviamente, o principal determinante da faixa de operao de potncia e de frequncia de umamplificador o transitor utilizado, sendo fabricados especialmente para cada uma delas.

Porm, para efeito de estudo dos amplificadores, eles podem ser divididos apenas em trscategorias: amplificadores de baixa potncia e frequncia, amplificadores de potncia eamplificadores de alta frequncia , uma vez que tais categorias englobam todos osconceitos de amplificadores.

Observao : Faixas de frequncia

VLF Very Low Frequencies Frequncias Muito Baixas 3KHz a 30KHzLF Low Frequencies Baixas Frequncias 30KHz a 300KHzMF Medium Frequencies Mdias Frequncias 300KHz a 3MHzHF High Frequencies Altas Frequncias 3MHz a 30MHzVHF Very High Frequencies Frequncias Muito Altas 30MHz a 300MHzUHF Ultra High Frequencies Frequncias Ultra Altas 300MHz a 3GHzSHF Super High Frequencies Frequncias Super Altas 3GHz a 30GHzEHF Extra High Frequencies Frequncias Extra Altas 30GHz a 300GHz



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A faixa de frequncia de udio ( sinais audveis ou sonoros ) est compreendida entre20Hz e 20KHz , ou seja, comea abaixo da faixa VLF e termina dentro desta faixa.

Entre 20KHz e 3MHz est a faixa denominada de ultra-som , compreendendo parte dafaixa VLF e totalmente as faixas LF e MF .

As frequncias denominadas microondas ocupam a faixa entre 3GHz e 300GHz , ou seja,SHF e EHF .

Finalmente, acima de EHF , esto as frequncias pticas e os raios, na seguinte sequncia:infravermelho, luz visvel, ultra violeta, raios X e raios gama.



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FONTES DE ALIMENTAO

Essencialmente todos os dispositivos eletrnicos requerem uma fonte de corrente contnua.Chamamos de FONTE DE ALIMENTAO ao circuito eletrnico que retifica, filtra egeralmente regula uma dada tenso alternada.O diagrama em bloco de uma fonte segue abaixo:

1) RETIFICADORES :a)Retificador de meia onda: a tenso de entrada varia de maneira senoidal . Como o diodo dafigura 02 s conduz quando polarizado diretamente (anodo (+) , catodo (-) ) somente nosemiciclo positivo haver corrente circulando pela carga. No semiciclo negativo o diodoestar polarizado reversamente e portanto: i = 0.

Diodo Ideal: Vm = V2p/

Diodo com V: V2p - V/

Im = Vm/ RL



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Ento, para que o diodo no queime, ele deve suportar tanto esta corrente mdia quanto a

tenso de pico reversa, ou seja:IDM Im e VBr V2p

Exemplo:

A figura abaixo mostra um transformador com tenso no secundrio de 12 Vrms ligado a umretificador de meia onda (diodo de silcio) com uma carga de 10. Considerando o valor deVdo diodo (modelo 2), determinar:

Retificador de Meia Onda

a) Tenso mdia na carga:A tenso de pico na sada do transformador vale:

V2ms = V2p/ 2 V2p = 12* 2 V2p = 17V

Considerando V, a tenso mdia na carga vale:

Vm = V2p - V/ Vm = 17 0,7/ Vm = 5,2V

b) Corrente mdia na carga:Im = Vm/ RL Im = 5,2/ 10 Im = 520mA

c) Especificao do diodo:Como a corrente mdia no diodo igual da carga e como no semiciclo negativo toda atenso do transformador cai sobre o diodo, suas especificaes devem ser as seguintes:

IDM 520mA e VBr 17V



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d) Formas de onda na carga e no diodo:

b) Retificador de onda completa com CENTER TAP: o transformador com CENTER TAP doretificador da figura 4 possui 2 secundrios iguais mas com tenses defasadas de 180.Quando a tenso no enrolamento superior cresce, o diodo D1 polarizado e conduz umacorrente que passa por R. Ao mesmo tempo a tenso no enrolamento inferior diminui,polarizando D2 inversamente. Quando termina o semiciclo a situao se inverte, ou seja, D2fica polarizado diretamente, enquanto D1 cortado. Assim, durante os dois semiciclos havercorrente circulando pela carga.

Diodo Ideal: V2p/

Diodo com V: Vm = ( V2p - 2V) /

Im = Vm/ RL



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Em relao s especificaes dos diodos, tem-se uma grande vantagem neste circuito. Como

cada diodo conduz corrente somente num semiciclo, a corrente que eles devem suportarcorresponde metade da corrente mdia na carga. Por outro lado, a tenso reversa que osdiodos devem suportar a tenso total de pico secundrio j que suas duas metades somam-se sobre os diodos quando estes esto cortados. Assim:

IDM Im/ 2 e VBr V2p

Exemplo:

A figura abaixo mostra um transformador com derivao central e tenso total no secundrio

de 4Vrms ligado a um retificador de onda completa (diodos de silcio) com uma carga de10. Considerando o valor de Vdo diodo (modelo 2), determinar:

Retificador de Onda Completa com Derivao

Central

a) Tenso mdia na carga:A tenso de pico na sada do transformador vale:

V2ms = V2p/ 2 V2p = 4* 2 V2p = 5,66V

Considerando V, a tenso mdia na carga vale:

Vm = V2p - 2V/ Vm = 5,66 1,4/ Vm = 1,36V

b) Corrente mdia na carga:Im = Vm/ RL Im = 1,36/ 10 Im = 136mA

c) Especificaes do diodo:IDM 68mA e VBr 5,66V

d) Formas de onda na carga e nos diodos:



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c) Retificador de onda completa tipo ponte:

Durante o semiciclo positivo de Vi, h um potencial positivo aplicado ao nodo de D2 e aocatodo de D1 e um potencial negativo aplicado ao catodo de D4 e ao nodo de D3. Destaforma, D2 e D4 esto polarizados diretamente e permitem circular uma corrente pelo resistor.Quando vi passar para o semiciclo negativo, a polarizao dos diodos se inverte e passandoagora a conduzir D1 e D3.Com isso vemos que h sempre uma corrente circulando pelo resistor com uma mesmapolaridade.



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Diodo Ideal: 2*V2p/

Diodo com V: Vm = 2*(V2p - 2V) /

Im = Vm/ RL

Em relao s especificaes dos diodos, como cada diodo conduz corrente somente numsemiciclo, a corrente que eles devem suportar corresponde metade da corrente mdia nacarga. Quanto tenso reversa, os diodos devem suportar a tenso de pico da tenso deentrada. Assim:

IDM Im/ 2 e VBr V2p

Exemplo:

A figura abaixo mostra um transformador com tenso no secundrio de 25rms ligado a um

retificador de onda completa em ponte (diodos de silcio) com uma carga de 10.Determinar:

Retificador de Onda Completa em Ponte



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a)

Tenso mdia na carga:Como a tenso de entrada grande em relao a V, neste caso ser adotado o modelo dodiodo ideal.

A tenso de pico na sada do transformador vale:

V2ms = V2p/ 2 V2p = 25* 2 V2p = 35,4V

Assim, a tenso mdia na carga vale:

Vm = 2*V2p/ Vm = 2*35,4/ Vm = 22,5V

b) Corrente mdia na carga:Im = Vm/ RL Im = 22,5/ 10 Im = 2,25A

c) Especificaes do diodo:IDM 1,125A e VBr 35,4V

d)

Formas de onda na carga e nos diodos:



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2-DOBRADORES DE TENSO:a) Dobrador de tenso de meia onda:

O dobrador de tenso um circuito que retifica e filtra um sinal senoidal, dando na sada odobro do valor mximo desse sinal.

Funcionamento:

Durante o semiciclo negativo, o diodo D1 est conduzindo carregando assim o capacitor C1com o valor mximo da tenso de entrada.



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- Durante o semiciclo positivo, o diodo D1 est cortado e D2 conduzindo. Desta maneira, acorrente i circula por C1 e D2 carregando C2. Como o capacitor C1 estava carregado com atenso mxima de entrada, a sua polarizao faz com que C2 seja carregado com duas vezes atenso mxima de entrada. Portanto, teremos sobre a carga uma tenso mxima de 2 . 2 . E .



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b) Dobrador de tenso de onda completa:

Este circuito, alm de dobrar a tenso de entrada, faz uma retificao de onda completa, e por

isso conhecido como dobrador de onda completa.O seu funcionamento assemelha-se a uma onda.

3- FILTRO CAPACITIVO:

Para que a fonte de alimentao fique completa, falta ainda fazer a filtragem do sinalretificado para que o mesmo se aproxime o mximo possvel de uma tenso contnuaconstante.

A utilizao de um filtro capacitivo, com capacitor de filtro na sada em paralelo com a carga, muito comum nas fontes de alimentao que no necessitam boa regulao, ou seja, quepodem Ter pequenas oscilaes na tenso de sada. Um exemplo o eliminador de bateria,cujo circuito vem todo montado na caixinha que vai ligada rede eltrica.



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O valor de pico a pico do ripple pode ser calculado pela equao abaixo:

Vr = Vmf/ f.RL.COnde:

Vmf= tenso mdia na carga aps a filtragem

f = frequncia da ondulao ( depende do tipo de retificador )

RL = resistncia da carga

C = capacitor de filtro

Assim, para o projeto de uma fonte de alimentao deve-se, antes, estipular a tenso mdia desada e o ripple desejados para, em seguida, calcular o capacitor necessrio para a filtragem,as especificaes dos diodos e as especificaes do transformador.

Exemplo de aplicao: Projeto de uma fonte de alimentao

Projetar uma fonte com tenso de entrada de 110Vrms/60Hz e tenso mdia de sada de 5Vcom ripple de 0,1V , para alimentar um circuito que tem uma resistncia de entradaequivalente a 1K. Utilizar o retificador de onda completa em ponte.

O valor do capacitor de filtro pode ser calculado pela equao:

Vr = Vmf/ f.RL.C C = Vmf/ f.RL.Vr C = 5 / 120*1000*0,1 C = 417F

Neste caso, ser utilizado um capacitor eletroltico comercial de 470F, o que acarretarnuma pequena reduo do ripple, melhorando o desempenho da fonte.

Para definir as especificaes ( IDM e VBr ) dos diodos, preciso calcular a corrente mdiana carga e a tenso de pico no secundrio do transformador.Assim, a corrente mdia na carga vale:

Imf= Vmf/ RL Imf= 5/1000 Imf = 5mA

O valor da tenso de pico na carga pode ser aproximado para:

VRLp = Vmf+ Vr/2 VRLp = 5 + 0,1/2 VRLp = 5,05V

Como a tenso de pico na carga relativamente baixa, deve-se considerar V , e como acarga tem uma resistncia muito maior que a resistncia do diodo RD , esta pode serdesprezada. Assim, o modelo 2 para os diodos perfeitamente adequado para os clculos

neste projeto.



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No retificador em ponte, deve-se considerar, ento, uma queda de tenso de 2*V ( dois

diodos conduzindo em cada semiciclo ) . Assim, a tenso de pico no secundrio dotransformador dever ser de:

V2p = VRLp + 2* V V2p = 5,05 + 2*0,7 V2p = 6,45V

Portanto as especificaes dos diodos devero respeitar as seguintes condies:

IDM Imf/ 2 IDM 5*10-3 / 2 IDM 2,5mA

VBr V2p VBr 6,45V

Finalmente, necessrio determinar as caractersticas do transformador.

A tenso eficaz no secundrio :

V2rms = V2p /2 V2rms = 6,45 /2 V2rms 4,6V

O transformador tem que ser dimensionado para uma potncia maior que a de trabalho.Como a corrente na carga praticamente constante j que o ripple pequeno, a potncia detrabalho do transformador pode ser estimada por:

PT = V2p*Imf PT = 6,45*5*10

-3

PT = 32,25mWPortanto, o transformador utilizado deve Ter as seguintes especificaes:

V1 = 110V ( rms ) V2 = 4,6V ( rms ) P > 32,25mW

Assim, o circuito da nossa fonte de alimentao fica como mostra a figura abaixo :



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DIODO ZENER

Simbologia:



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Funcionamento:

O Zener um diodo semicondutor, construdo especialmente para trabalhar na regio daruptura, sem se danificar, o que no acontece com os diodos retificadores.Podemos observar pela figura 15, que o Zener deve ser polarizado reversamente, para quepossa operar corretamente. Existe uma corrente mnima (Izmin), que deve ser mantida atravsdo dispositivo, para que este permanea na regio de ruptura.Izmax determinado em funo da potncia do diodo (P = Vz . Izmax ).Note que depois que a tenso no dispositivo atinge Vz, a corrente varia por uma extensa faixade valores, limitada por Izmax , enquanto que a tenso praticamente constante.

Esta caracterstica encontra uma enorme aplicao nos reguladores de tenso.

Circuito regulador de tenso com carga

As aplicaes do circuito regulador de tenso so, principalmente: Estabilizar uma tenso de sada para uma carga fixa a partir de uma tenso de entrada

constante; Estabilizar uma tenso de sada para uma carga varivel a partir de uma tenso de

entrada constante; Estabilizar uma tenso de sada para uma carga fixa a partir de uma tenso de entrada

com ripple; Estabilizar uma tenso de sada para uma carga varivel a partir de uma tenso de

entrada com ripple.

As duas primeiras aplicaes visam, principalmente, a estabilizao num valor menor detenso de uma bateria ou de uma fonte de alimentao j estabilizada, e as duas ltimasaplicaes visam, principalmente, a estabilizao de fontes de alimentao com ripple.

Ainda, pelas caractersticas da ltima aplicao acima, pode-se afirmar que se trata do casomais geral, pois tanto a tenso de entrada quanto a carga so variveis.

Fonte de Alimentao Estabilizada com Carga Varivel



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Assim, faz-se necessria uma anlise mais detalhada do circuito regulador de tenso quandoneste ligada uma carga.

Basicamente, o projeto de um regulador de tenso com carga consiste no clculo daresistncia limitadora de corrente RS , conhecendo-se as demais variveis do circuito, asaber: caractersticas da tenso de entrada ( constante ou com ripple ), caractersticas da carga( fixa ou varivel ) , tenso de sada ( valor desejado ) e especificaes do diodo zener.

Este circuito possui trs equaes fundamentais:

Equao da corrente de entrada:

IS = IZ + IRL

Equao da tenso de sada:

VZ = VRL = RL.IRL

Equao de regulao:

VE = RS.IS + VZ

Carga varivel e tenso de entrada com ripple

A figura abaixo mostra um circuito regulador de tenso com carga varivel e tenso deentrada com ripple.



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O valor do resistor RS deve satisfazer as condies dadas pela variao existente na tensode entrada ( ripple ), pela variao desejada para a carga e pelas especificaes do diodozener. Corrente zener mnima IzmComo RL e VE so variveis e VZ constante, esta condio mais crtica no caso emque VE assume seu valor mnimo VEm e IRL seu valor mximo IRLM , ou seja, quando acorrente IS mnima:

ISm = IZm + IRLM

Esta condio limita RS a um valor mximo RSM :

VEm = RSM.( IZm + IRLM ) + VZ RSM = ( VEm VZ ) / ( IZm + IRLM )

Corrente zener mxima IZM :Neste caso, esta condio mais crtica no caso em que VE assume seu valor mximo VEMe IRL seu valor mnimo IRLm , ou seja, quando a corrente IS mxima:

ISM = IZM + IRLm

Porm, esta condio limita RS a um valor mnimo RSm :

VEM = RSm.( IZM + IRLm ) + VZ RSm = ( VEM VZ ) / ( IZM + IRLm )

Assim, tem-se que RS deve ser:

RSm RS RSM

Exemplo de aplicao: Eliminao do ripple de uma fonte de alimentao para umacarga varivel

Uma fonte de alimentao possui uma tenso mdia de sada de 30V com ripple de 3V.Determinar RS do regulador de tenso que elimina o ripple desta fonte e estabiliza suatenso em 15V , sabendo-se que ela ser utilizada para alimentar cargas de 50 at 100Ke que o diodo zener do circuito tem as especificaes dadas abaixo :



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Especificaes do diodo zener:VZ = 15V

IZM = 700mA

IZm = 30mA

Condio de IZm :IRLM = VZ / RLm IRLM = 15/50 IRLM = 300mA

VEm VE Vr/2 VEm = 30 3/2 VEm = 28,5V

RSM = ( VEm VZ ) / ( IZm + IRLM ) RSM = ( 28,5 15 )/( 30 + 300 )*10-3

RSM = 41

Condio de IZM :IRLm = VZ / RLM IRLm = 15 / 100*10

3 IRLm = 150A

VEM VE + Vr/2 VEM = 30 + 3/2 VEM = 31,5V

RSm = ( VEM VZ )/( IZM + IRLm ) RSm = ( 31,5 15 )/( 700*10-3 + 150*10-6)

RSm

= 24

Portanto, RS deve ser: 24 RS 41Valor comercial escolhido : RS = 33

Fixado o valor de RS , pode-se calcular a potncia dissipada por ele no circuito no pior caso,ou seja, quando a tenso VE mxima:

PRSM = VRSM2 / RS PRSM = ( 31,5 15 )

2 / 33 PRSM = 8,25W

Portanto, RS pode ser um resistor de 10W.



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AMPLIFICADORES OPERACIONAIS - GENERALIDADESO nome Amplificador Operacional (A.0) deve-se ao fato do dispositivo ser empregado pararealizar operaes matemticas, como multiplicao, integrao, diferenciao e tambm parauma infinidade de funes. 0 smbolo caracterstico do elemento, vem representado na figural.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

Um amplificador operacional ideal deve apresentar as seguintes caractersticas:a) Impedncia de Entrada Infinitab) Impedncia de Sada Nulac) Ganho Infinitod) Atraso Nuloe) Tenso de Sada igual a zero, para tenso no ponto 1 igual a do ponto 2.f) Reduzida deriva de tenso de sada com a temperatura (drif-trmico) (Casoideal nula).

Aspectos Gerais sobre os Amplificadores Operacionais

Consideremos inicialmente a fig. 2

0 sinal de sada (es), proporcional a eBA, (eB - eA), sendo o mesmo independente de

eA e eB em separado.Atravs de uma rpida anlise do circuito da figura 3, extrairemos algumas

consideraes vlidas para o emprego dos A.0 em diversos circuitos.



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Como sabemos, nosso elemento apresenta uma impedncia de entrada infinita, logo a

corrente I passar de Z1 para Z2, de onde podemos tirar a relao.Vi - Ve = - (Vs -Ve)

Z1 Z2

-Z2 = Vs - Ve (1)Z1 V1 - Ve

Como A.0 apresenta um ganho , temos:

Vs = A . Ve A =

Ve = Vs Ve = 0A

Logo, a expresso (1) pode ser escrita como:

Vs = - Z2 ( - ) devido ao circuito da figura 3 ser um inversorV1 Z1

OBS.:a) O n B representado na figura 3, e denominado d ponto de terra virtual, pois para

grandes valores de A, se potencial se aproxima de zero.b) Podemos aqui designar o ganho de malha aberta

A = - VsVe

c) Podemos aqui designar como ganho de malha fechada (Amf) a relao:

Amf = - Z2Z1

O AMPLIFICADOR OPERACIONAL REALVamos aqui estabelecer em todos os itens um paralelo com o componente ideal, pois

ser a partir deste que chegaremos s correes a serem feitas no componente real visandoaproxim-lo do ideal.

a) Impedncia de Entrada e Sada0 A.0 real apresentar na entrada, uma impedncia no infinita, e na sada uma impednciano nula.

b) Resposta em FreqnciaO A.0 real ter seu ganho reduzido em funo do aumento da freqncia, como mostra acurva da figura 4, para um determinado A.0.



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c)

Deriva da Tenso de Sada com a temperatura. (Drift)O ponto do quiescente do A.0 desloca-se em funo da temperatura, e do tempo defuncionamento, sendo por conseguinte especificado em funo dessas duas variveis,tempo e temperatura.

Devemos prover as entradas um e dois de nosso dispositivo, figura l, de uma necessriapolarizao, cuja finalidade a obteno de um ponto quiescente. Gostaramos de salientar,que uma simetria em termos de polarizao (caso ideal) no alcanada, e as diferenas entretenso e corrente nas respectivas entradas recebem a denominao de tenso e corrente deoffset.

No caso ideal, figura 1, para V1 = V2 tnhamos V0 = 0, o que j no acontece com oA.O. real, sendo o motivo a diferena de caractersticas apresentadas pelos transistores deEntrada, pelos quais circularo diferentes correntes.

Para melhor entendimento, consideremos a figura 5.

d1) Corrente de Entrada de OffsetA corrente de entrada de offset (Iio) a diferena entre as correntes aplicadas aos

terminais de entrada para o balanceamento do amplificador.IB1 - IB2 => Vo = 0

d2) Tenso de Entrada de OffsetTenso de entrada offset(Vio) a tenso que devemos aplicar entre os terminais de

entrada para o balance mento do amplificador.

d3) Corrente de Entrada de Deriva de OffsetA corrente de entrada de deriva de offset a relao entre a variao da corrente de

entrada de offset..com a variao da temperatura, e expressa pela relao Iio

T.


Instrumentação Eletrônica Geral - SENAI_

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