Eletronica 2, Notas de estudo de Eletrônica

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• ELETRÔNICA

© SENAI - PR, 2001

CÓDIGO DE CATÁLOGO : 1101B

Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI - PR , através do LABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional.

Coordenação geral Marco Antonio Areias Secco Elaboração técnica SENAI CIC/CETSAM

Equipe de editoração Coordenação Lucio Suckow Diagramação José Maria Gorosito Ilustração José Maria Gorosito Revisão técnica SENAI CIC/CETSAM Capa Ricardo Mueller de Oliveira

Referência Bibliográfica. NIT - Núcleo de Informação Tecnológica SENAI - DET - DR/PR

S474u SENAI - PR. DET ELETRÔNICA 2 Curitiba, 2001, 304 p

CDU - 537

Direitos reservados ao SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Paraná Avenida Cândido de Abreu, 200 - Centro Cívico Telefone: (41) 350- Telefax: (41) 350- E-mail: [email protected] CEP 80530-902 — Curitiba - PR

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A válvula foi apresentada por J. A. Fleming em 1904. Era uma válvula diodo. Em 1906, Lee de Forest acrescentou à válvula diodo um terceiro elemento chamado grade , que servia para controlar o fluxo de corrente entre o anodo e o catodo.

Válvula Triodo Polarizada

O potencial da grade , sendo negativo em relação ao cátodo, dificulta a passagem do fluxo de elétrons, controlando a corrente na carga R (^) L.

Assim, qualquer pequena variação de tensão de grade V (^) G provoca uma pequena variação na sua corrente I (^) G , causando uma grande variação na corrente de anodo I (^) A , sendo que a relação entre essas variações determina o ganho ou a amplificação A do triodo, ou seja:

A =

∆IA

∆I G

Este efeito amplificação obtido pelo controle de corrente, era tudo o que a eletrônica precisava para desenvolver grandes projetos.

TRANSISTORES BIPOLARES

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Nos anos seguintes, impulsionadas pelas indústrias de rádios e televisores, as válvulas sofreram um grande avanço. A produção aumentou explosivamente, havendo muito investimento em pesquisas. Com isso, surgiram o tetrodo (válvula com quatro elementos) e o pentodo (válvula com cinco elementos), melhorando o desempenho das mesmas. Dessas pesquisas, obtiveram-se também outros resultados importantes: projetos mais sofisticados, melhores técnicas de fabricação e miniaturização de dispositivos, aplicações em alta freqüência e alta potência, etc.

Curiosidade

Há alguns anos atrás, um avião soviético (da antiga URSS), caiu no Japão. Era um MIG-25, um dos mais sofisticados caças de combate da época. Houve toda uma movimentação política e diplomática entre o Japão, os EUA e a URSS. O que se diz, é que os EUA, com a ajuda do Japão, puderam investigar todos os elementos deste avião, inclusive sua eletrônica de bordo. Qual não foi a surpresa, quando descobriram que uma boa parte dos circuitos eram construídos com micro-válvulas.

A revolução – 23 de Dezembro de 1947

Nos laboratórios de pesquisas da indústria Bell Telephones, nos EUA, Walter Brattain e John Bardeen mostraram ao mundo um novo conceito em eletrônica: o transistor bipolar (condução nos dois sentidos) ou transistor de junção.

• Não precisava de filamento;
• Mais resistentes;
• Mais eficientes, pois dissipava menos potência;
• Não necessitava de tempo de aquecimento;
• Menores tensões de alimentação.

Vantagens Evidentes

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Aspecto Físico dos Transistores

Pela figura abaixo, percebe-se que o emissor é forte- mente dopado , e tem como emitir portadores de carga para a base (elétrons no transistor NPN e lacunas no PNP).

Portadores nos Transistores

A base tem uma dopagem média e é muito fina. As- sim, a maioria dos portadores lançados do emissor para a base, conseguem atravessá-la, dirigindo-se ao coletor.

O coletor é levemente dopado e, como seu nome diz, coleta (recolhe) os portadores que vêm da base. Ele é muito maior que as outras camadas, pois é nele que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitos transistores.

Relembrando que os portadores majoritários do materi- al tipo N são os elétrons livres e do material tipo P são as lacunas , pode-se observar o seguinte:

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Barreiras de Potências nos Transistores

Da mesma forma que na junção PN dos diodos, nas duas junções J 1 e J 2 dos transistores surgem, devido à recombinação dos portadores, barreiras de potenciais, cujos valores, a 25°C, são: Vg = 0,7V para semicondutores de silício e Vg = 0,3V para semicondutores de germânio.

O comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Isso é conseguido, po- larizando-se adequadamente suas duas junções, como será visto a seguir.

Funcionamento dos transistores NPN e PNP

Para se entender como funcionam os transistores, cada junção será polarizada separadamente, sendo depois unidas para a análise do comportamento do dispositivo como um todo.

Obs.: Não se esqueça de que a corrente convencional tem sentido contrário ao do fluxo de elétrons e mesmo senti- do que o do fluxo de lacunas.

Polarizando-se a junção emissor-base diretamente, com V (^) BE (NPN) e V (^) EB (PNP), obtém-se o que mostra a figura.

Polarização direta da junção emissor-base

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agora, devido à atração maior exercida pelo coletor, dirige-se quase que totalmente para ele, atravessando a outra junção base- coletor sem encontrar dificuldades.

Para explicar por que a corrente se dirige menos à base e mais para o coletor, basta lembrar que a base é mais estrei- ta que o emissor e o coletor a menos dopada que o emissor. Assim, os portadores que vêm do emissor saturam a base rapidamente através das recomendações, fazendo com que eles se dividam da seguinte maneira: uma pequena parte sa- indo pelo terminal de base e a maior parte saindo pelo terminal de coletor, atraídos por sua tensão.

Tensões e correntes nos transistores NPN e PNP

Pelo que foi exposto até aqui, pode-se montar um es- quema geral de tensões e correntes de portadores majoritári- os para transistores NPN e PNP (considerando o sentido con- vencional de corrente).

Tensões e correntes nos transistores

Aplicando-se a Primeira Lei de Kirchhoff para as corren- tes e a Segunda Lei de Kirchhoff para tensões em ambos os transistores, obtém-se as seguintes equações:

NPN ou PNP: i (^) E = i (^) C + i (^) B NPN: VCE = VBE + VCB PNP: VBC = V (^) EB + V (^) BC

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Observação

As correntes de portadores minoritários, por serem mui- to menores que as de portadores majoritários, serão sempre desprezadas, salvo observações em contrário.

Efeito amplificação

Analisando o fenômeno que ocorre com a polarização completa do transistor NPN sob o aspecto da variação das correntes, tem-se o seguinte:

• Um aumento na corrente de base i (^) B provoca um nú- mero maior de recombinações, aumentando a corren- te de coletor iC. Da mesma forma, a diminuição da cor- rente de base provoca a diminuição na corrente entre emissor e coletor;
• A corrente de base, sendo bem menor que a corrente de coletor, faz com que uma pequena variação Di (^) B pro- voque uma grande variação Di (^) C. Isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplifica- do da variação da corrente ocorrida na base;
• O fato do transistor possibilitar a ampliação de um si- nal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo;

Efeito amplificação no transistor NPN

Este efeito amplificador, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a va- riação da corrente de coletor Di (^) C c e a variação de corrente de base Di (^) B , isto é:

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A característica de entrada mostra a relação ente a cor- rente e a tensão de entrada para vários valores constantes de tensão de saída, formando um grupo de curvas, uma para cada tensão de saída.

Na característica de saída, tem-se a relação entre a cor- rente e a tensão de saída para vários valores constantes de corrente de entrada , formando um grupo de curvas, uma para cada corrente de entrada.

A partir destas curvas, é possível calcular os resistores de polarização mais adequados para uma determinada confi- guração e aplicação, assunto este a ser analisado no próximo capítulo.

Observação

Por uma questão de convenção, as tensões e as cor- rentes serão representadas pelas letras maiúsculas V e I quan- do se tratar de valores constantes ou bem determinados, e pelas letras minúsculas v e i quando se tratar de valores gené- ricos ou variáveis.

Configuração base comum (BC)

Nesta configuração, o emissor é o terminal de entrada de corrente e o coletor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de base é comum às tensões de entrada e saída, como mostra a figura, para transistores NPN e PNP.

Configurações base comum (BC)

Observação Nesse momento, já ficou claro que todos os fenômenos concernentes ao transistor NPN, assemelham-se aos que

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ocorrem no transistor PNP, invertendo-se, porém, todas as tensões e correntes. Desta forma, para que as aplicações não se tornem repetitivas e, salvo observação em contrário, daqui para frente será tomado como referência o transistor NPN, uma vez que na prática, é o mais utilizado.

Curva característica de entrada BC

Para cada valor constante d tensão de saída VCB varan- do-se a tensão de entrada VBE , obtém-se uma corrente de en- trada i (^) E, resultando num gráfico em o seguinte aspecto:

Curva característica de entrada BC

Observa-se que a característica de entrada, ou caracte- rística de emissor, é semelhante à curva característica de um diodo, pois a junção emissor - base funciona como um diodo polarizado diretamente. Ou seja, a partir do momento em que a tensão de entrada faz os portadores vencerem a barreira de potencial (Vg = 0,7V para o silício e Vg = 0,3V para o germânio), a corrente através da junção dispara. Assim, nesta região da curva, pequenas variações de V (^) BE causam grandes variações de i (^) E. Observa-se que a característica de entrada, ou caracte- rística de emissor, é semelhante à curva característica de um diodo, pois a junção emissor - base funciona como um diodo polarizado diretamente. Ou seja, a partir do momento em que a tensão de entrada faz os portadores vencerem a barreira de

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Na região de corte, as duas funções estão polarizadas reversamente, fazendo com que a corrente de coletor (saída) seja praticamente nula (IC =0)stivesse desconectado do circuito.

Na região da saturação, as duas junções estão polariza- das diretamente, fazendo com que uma pequena variação de tensão VCB (saída) resulte numa enorme variação da corrente de coletor (saída). Neste caso, o transistor está saturado. É como seus terminais estivessem em curto-circuito (VCB = 0).

Na região ativa, a junção emissor-base está polarizada direta- mente e a junção base - coletor reversamente. Esta é a região cen- tral do gráfico d saída, onde as curvas são lineares. Portanto é esta região utilizada na maioria das aplicações, principalmente na ampli- ficação de sinais, para que a distorção seja mínima.

Por outro lado, trabalhando nas regiões de corte e satu- ração, o transistor comporta-se como uma chave eletrônica, isto é, chave aberta quando ele está cortado e chave fechada quando ele está saturado.

Analogia de um transistor com uma chave

Este comportamento do transistor como uma chave tem diversas aplicações práticas, e será explorado mais adiante.

Ganho de corrente na configuração base comum

O ganho de corrente de um circuito qualquer é a relação entre a variação da corrente de saída e a variação da corrente de entrada, para tensão de saída constante. Na configuração BC, o ganho de corrente é chamado de a (alfa), sendo definido matematicamente por:

ααα αα (^) = ∆∆∆∆∆ i^ C ∆∆∆∆∆ iE VCB = cte

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Porém, como se pôde observar na figura da página 17, na região ativa, as curvas de iE são praticamente paralelas ao eixo V (^) CB. Assim, pode-se reescrever a relação acima da se- guinte forma:

ααααα^ = i^ C iE

Lembrando que i (^) E = iC + i (^) B, concluí-se que o ganho de corrente a é sempre menor que 1. Na maioria dos transisto- res, este valor está entre 0,90 a 0,98, ou seja, é próximo de 1. Fisicamente, isto se explica pelo fato de a corrente de base, formada a partir da corrente de emissor, ser muito pequena, como havia sido mostrado na figura da página 17 (polarização completa do transistor) e, graficamente, isto pode ser visualizado pela pouca inclinação das curvas de i (^) E na caracte- rística de saída.

Exemplo

Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN, determinar:

a) A tensão de entrada aproximada, a partir da qual a corrente de entrada começa a fluir de forma intensa; b) De qual material semi - condutor é feito esse transistor; c) A corrente de entrada, quando a tensão de entrada vale 1V; d) A corrente de saída, nas condições do item c; e) A corrente na base, nas condições do item d; f) O ganho de corrente, nas condições do item d.

Curvas características do transistor

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tem-se que o ganho de corrente de transistor, nestas condi- ções, vale:

Configuração emissor comum (EC)

Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Po isso, os diversos parâmetros dos tran- sistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como refe- rência a configuração emissor comum.

Nesta configuração, a base é o terminal de entrada de corrente e o e o coletor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de emissor é comum às ten- sões de entrada e saída, como mostra a figura abaixo, para transistores NPN e PNP.

Configuração emissor comum (EC)

Curva característica de entrada EC

Para cada valor constante de tensão de saída VCE, vari- ando-se a tensão de entrada V (^) BE, obtém-se uma corrente de entrada i (^) B , resultando num gráfico com o seguinte aspecto:

Curva característica de entrada EC

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A curva característica de entrada, ou características de base, é semelhante à da configuração BC, pois tem-se tam- bém a junção polarizada diretamente.

Observa-se , portanto, que é possível controlar a corren- te de base variando-se a tensão entre base e emissor.

Curva característica de saída EC

Para cada valor constante de corrente de entrada iB, va- riando-se a tensão de saída V (^) CE, obtém-se uma corrente de saída i (^) C, cujo gráfico tem o seguinte aspecto:

Curva característica de saída EC

A característica de saída, ou de coletor, é também muito parecida com a de configuração BC. Mas observa-se que a inclinação das curvas de i (^) B constante, na região ativa, é muito maior.

Nesta curva, distinguem-se também as três regiões de trabalho do transistor:

• Corte - I (^) C ≅ 0
• Saturação - VCE ≅ 0
• Ativa - região entre o corte e a saturação (I (^) B é linear)

Ganho de corrente na configuração emissor comum

Para esta configuração, a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada, ou seja, a relação de i (^) C e iB, determina o ganho de corrente denominado de β (beta) ou hFE (forward current transfer ratio), como segue: