Eletrônica
Básica
Prof. Eng. Romeu Corradi Júnior
Eletrônica – Dispositivo de estado sólido
Eletrônica Básica
Prof. Eng. Romeu Corradi Jr.
1. Introdução
Esta apostila tem o objetivo de proporcionar ao aluno um primeiro contato com os dispositivos
semicondutores, como diodos e transistores. As informações aqui apresentadas serão
utilizadas como introdução aos componentes semicondutores, cabendo ao aluno uma
complementação em literaturas técnicas especificas. Os assuntos aqui abordados tem um
caráter didático; na intenção de facilitar a compreensão de literaturas técnicas mais
abrangentes, ajudando o aluno a se familiarizar com os termos técnicos e demais situações
que envolve a eletrônica básica. Assim esta apostila irá ajuda-lo em seus estudos, mas você
deverá reservar em casa um tempo para estudar os pontos aqui abordados e sempre
complementando as informações apresentadas com livros de maior profundidade no assunto, e
também resolver os exercícios propostos varias vezes de forma a garantir um bom
aprendizado; lembre-se os assuntos a serem abordados requer estudo sistemático e
dedicação na resolução de problemas, para que você obtenha boa compreensão dos circuitos
estudados. Abaixo temos uma lista de possíveis literaturas técnicas que você poderá usar para
se aprofundar mais nos assuntos, é importante que você tenha pelo menos um dos livros
indicados.
Malvino, Albert Paul – Eletrônica Vol. 1
Editora – MAKRON Books
Boylestad – Nashelsky – Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos
Editora – PHB – Prentice/Hall do Brasil
Cipelli, Antonio Marco Vicari e Sandrini, Waldir João - Teoria e Desenvolvimento de Projeto
de Circuitos Eletrônicos
Editora – Érica
Marques, Angelo Eduardo B. / Choueri Jr., Salomão / Cruz, Eduardo Cesar Alves – Dispositivos
Semicondutores: Diodos e Transistores
Editora – Érica
Outros livros sobre eletrônica básica poderão ser utilizados como livro texto para apoio, o
importante é que você tenha pelo menos uma literatura técnica para aprofundar os seus
conhecimentos.
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2.
Diodo ideal
Diodos são dispositivos eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir a
passagem de corrente elétrica mais facilmente num sentido que em outro. Esta propriedade
torna os diodos extremamente úteis em aplicações eletrônicas, como veremos adiante. Para
facilitar a compreensão dos diodos, discutiremos primeiramente o conceito de diodo ideal.
2-2. O diodo ideal
O conceito de diodo ideal pode ser mais claramente entendido se, primeiro, compararmos suas
características com as de um resistor linear como mostrado na fig. 1. Tanto o resistor quanto o
diodo são elementos de dois terminais. A característica V-I do resistor linear indica que ele
obedece à lei de Ohm, qualquer que seja a polaridade da tensão aplicada. Daí podemos
concluir que ele conduz igualmente nos dois sentidos.
Um resistor é então chamado um elemento de circuito bilateral. Um diodo ideal, como veremos,
é um dispositivo unilateral. Isto é, ele conduz perfeitamente em um sentido mas não no outro,
dependendo da polaridade da tensão aplicada. A representação esquemática de um diodo
ideal está mostrada na fig. 2. Esta é também a representação de um diodo a estado sólido real,
sendo portanto necessário indicar se está sendo considerado um diodo ideal ou real. Na
maioria dos casos, entretanto, o diodo a estado sólido se aproxima tanto do diodo ideal que
podemos considerá-los compatíveis.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Relacionando a curva V-I da fig. 1 com a da fig. 2 concluímos que o diodo ideal tem a seguintes
características. Se tentarmos polarizar positivamente o ânodo com relação ao cátodo, uma
condição chamada polarização direta, o diodo apresenta resistência zero pis vemos que na
curva V-I, V = 0 para qualquer que seja I. A corrente I é então limitada somente pelo circuito
externo ao diodo. Este é chamado estado ON ou estado de polarização direta ou ainda estado
de condução direta do diodo. Qualquer tensão no primeiro quadrante que tenda a tornar ON o
diodo é então chamada tensão direta ( VF ) e a corrente correspondente é a corrente direta (
I F ).
Inversamente, para um diodo ideal, VF = 0, sempre que uma corrente I F é forçada a
atravessá-lo como a proveniente de uma fonte de corrente. Vemos que um diodo ideal
polarizado diretamente simula uma chave fechada. Se V é uma quantidade negativa ( ânodo
negativo com relação ao cátodo ), V é chamada tensão reversa ( VR ) e I é
correspondentemente negativa e chamada corrente reversa ( I R ). Quando polarizado
reversamente o diodo ideal é tornado OFF e ele simula uma chave aberta, desde que nenhuma
corrente pode fluir no sentido inverso. Assim, I R = 0 para todos os valores de VR ou -V. O
ponto no qual o diodo passa do estado ON para OFF e vice-versa é chamado ponto de quebra
ou de corte. No ponto de quebra V = 0 e I = 0. O conceito do ponto de quebra é muito útil na
análise de circuitos contendo vários diodos.
Resumindo: 1 – Se a corrente ou a tensão aplicada ao diodo ideal tende a polarizar
positivamente o ânodo com relação ao cátodo, o diodo torna-se polarizado diretamente ( ON ) e
simula uma chave fechada com resistência zero e com queda de tensão zero. 2 – Se a tensão
aplicada ao diodo ideal tende a polarizar negativamente o ânodo com relação ao cátodo, o
diodo torna-se polarizado reversamente ( OFF ) e simula uma chave aberta com resistência
infinita e com corrente nula através dela. 3 – No ponto de quebra, V = 0, I = 0
Primeira série de exercícios:
Problemas Básicos
1. Determine E e I no circuito abaixo. Admita como ideal o diodo.
2. Determine E e I na figura abaixo. Admita o diodo ideal.
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Problemas com respostas ( admita diodos ideais )
3. Determine I e E na fig. abaixo.
RESPOSTA I = 0, E = 0
4. Esboce a forma de onda de eO .
5. Determine E AB no circuito abaixo.
RESPOSTA E AB = 12 Volts
6. Esboce a característica Volt-Ampère vista pelos terminais do circuito mostrado na fig.
abaixo. Cuide para que sejam observados os sentidos de referência apropriados.
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7. Como você conectaria um diodo entre os terminais mostrados na fig. abaixo de modo que a
corrente flua através da carga RL ?
8. Determine I na fig. abaixo.
3. O diodo de junção a estado sólido
Estudamos no item anterior o diodo ideal. Na prática não existe diodo ideal, mas felizmente
suas característica são bem aproximadas por um diodo de junção a estado sólido, na maioria
dos casos.
3-1. O diodo de junção
A maioria dos diodos a junção são compostos primariamente do elemento silício, e em menor
extensão, de germânio. Tanto o silício quanto o germânio são chamados semicondutores
devido à resistência desses elementos estar situada entre a baixa resistividade dos condutores
metálicos e a alta resistividade dos isoladores. Uma característica significante da estrutura
atômica desses materiais é o fato deles possuírem quatro elétrons de valência.
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Você deve se lembrar que são os elétrons de valência que determinam basicamente as
propriedades químicas e elétricas de um elemento. Agora, se esses elementos estiverem
arranjados numa forma cristalina, os elétrons de valência nas camadas mais externas de um
átomo qualquer, alinham-se com os elétrons de valência de átomos adjacentes para formar
pares de elétrons, chamando-se a isso ligações covalentes. Essas ligações covalentes levam
os átomos de silício e germânio a constituírem uma estrutura geométrica ordenada dentro do
cristal. Para nossos objetivos o átomo isolado de silício ou germânio pode ser representado
pela forma esquemática mostrada na fig. 3. Cada linha deixando o núcleo, representa um
elétron de valência.
Fig.3
Consideraremos somente os quatros prótons necessários para balancear os quatro elétrons de
valência, a fim de manter a neutralidade elétrica do átomo normal. A fig. 4 ilustra como cada
átomo de silício ou germânio está ligado a cada átomo adjacente através de ligações
covalentes.
3-2. Condução intrínseca
Em uma amostra de semicondutor puro poucos elétrons estão disponíveis para a condução nas
baixas e medias temperaturas, porque a maior parte dos elétrons está firmemente ligada
através de ligações covalentes. A amostra de semicondutor apresentará portanto uma
resistência relativamente alta. Se, entretanto a temperatura do cristal fosse aumentada,
veríamos que a resistência ôhmica da amostra decresceria. Este coeficiente de temperatura
negativo da resistência se deve ao fato de o aumento de temperatura implicar num acréscimo
da energia cinética dos elétrons de valência. O acréscimo de energia permite que alguns dos
elétrons de valência se libertem de suas ligações covalentes. Estes elétrons livres são então
capazes de agir como portadores de corrente sob ação de um campo elétrico aplicado.
O vão deixado pelos elétrons livres na ligação covalente é chamado buraco ou lacuna . Admitese que os buracos ou lacunas comportam-se como portadores de corrente adicionais
carregados positivamente. Embora existam algumas diferenças significantes, podemos
considerar o buraco ou a lacuna como sendo equivalente a um elétron com carga positiva, para
a maior parte dos propósitos. Para melhor entender o conceito de buraco ou lacuna considere
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a fig. 5 que ilustra um elétron e que foi arrancado de uma ligação covalente. Este elétron está
agora livre para caminhar através do cristal se um campo elétrico é aplicado.
O campo poderia ser estabelecido conectando-se uma fonte de voltagem aos terminais do
cristal. Agora, o elétron constitui um portador de corrente considerado isoladamente.
Note que onde a ligação covalente foi rompida surge um vão de elétron ou buraco. Se
considerássemos que o elétron removido estava balanceado por uma carga igual e oposta
devido aos núcleos circundantes, poderíamos admitir que este buraco tem uma carga igual e
oposta à do elétron. Isto parece razoável desde que a região estava eletricamente neutra antes
da remoção do elétron.
Este buraco atrairá então um elétron de uma das ligações covalentes dos átomos vizinhos e
esse elétron deixará também um buraco na sua posição inicial. Um terceiro elétron irá
completar o buraco deixado pelo segundo elétron e assim por diante. Se um campo elétrico é
aplicado, os buracos, que se comportam como cargas positivas móveis, caminham para a
extremidade positiva. O buraco é também um portador de corrente, e ao alcançar a
extremidade negativa do cristal é neutralizado por um elétron vindo do fio que está ligado ao
terminal negativo da fonte de voltagem. Assim, vemos que a ruptura de uma ligação covalente
produz não somente um mas dois portadores de corrente.
Deve ser notado que os buracos não fluem para o circuito externo mas somente no interior do
semicondutor. Este tipo de condução, envolvendo a geração de pares elétron-buraco ou
elétron-lacuna, é chamada condução intrínseca. Mais tarde veremos que a presença de pares
elétron-lacuna é usualmente indesejável, e que desejamos somente elétrons ou somente
buracos ou lacunas. Devemos também notar que temos tomado muita liberdade a fim de
simplificar a física dos semicondutores envolvida. Entretanto, a apresentação é de suficiente
profundidade para dar uma boa idéia intuitiva para a compreensão dos diodos e transistores. A
condutividade do silício ou germânio aumentará à medida que o número de portadores de
corrente crescer. Inversamente ela decrescerá à medida que o número de portadores
decresce. Podemos, portanto, controlar a condutividade pela disrupção de ligações covalentes,
mas isto é indesejável por duas razões. Primeiro, nossa fonte de controle deve fornecer uma
grande quantidade de energia para quebrar uma ligação covalente. Segundo, portadores de
corrente de ambos os tipos ( buracos e elétrons ) são gerados em iguais quantidades. Outros
meios foram pesquisados para controlar a condutividade em semicondutores; descobriu-se que
a adição de certas impurezas reduziam esses efeitos indesejáveis.
3-3. Semicondutores dopados
Para ver como a adição de certos átomos de impurezas afeta a condutividade de um
semicondutor, considere a adição de uma pequena quantidade de arsênio a uma fornada de
silício puro em fusão. A fig. 6 é a representação de um átomo de arsênio, que possui cinco
elétrons de valência. Quando esse silício em fusão se solidifica num cristal, os átomos de
arsênio estarão uniformemente dispersos através de estrutura cristalina. Como existem muitos
átomos de silício comparados aos de arsênio, virtualmente cada átomo de arsênio estará
circundando por átomos de silício. Isto está ilustrado na fig. 7. Mas o arsênio tem cinco elétrons
de valência enquanto o silício ou germânio tem quatro.
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7
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Assim, no cristal, quatro dos cinco elétrons de valência participarão das ligações covalentes
com os átomos circundantes de silício ( ou germânio ). Isto, entretanto, deixa um quinto elétron
de valência do arsênio, fracamente ligado e sem lugar particular para ir. Se este elétron
abandonar o átomo de arsênio original devido a agitação térmica ou outras causas quaisquer,
permanece no local um íon arsênio positivamente carregado, que está rigidamente ligado à
estrutura cristalina. Isto deve acontecer devido à região estar eletricamente neutra antes da
perda do elétron.
Desde que esse quinto elétron de valência do arsênio está fracamente ligado ao átomo
correspondente, ele requer uma quantidade de energia bastante pequena para tornar-se livre e
disponível para a condução sob ação de um campo elétrico. Muito importante é notar que esse
elétron não veio do rompimento de uma ligação covalente. Isto significa que nenhum buraco foi
deixado para trás. Um buraco, você deve estar lembrando, é uma falta de um elétron numa
ligação covalente. Portanto, pela adição de impureza pentavalente ( cinco elétrons de valência
) superamos as duas objeções associadas à variação da condutividade obtida pelo controle de
produção de pares elétrons-lacunas. Outras impurezas pentavalentes, tais como fósforo ou
antimônio, podem também ser usadas para formar peças de silício ou germânio com
abundância de elétrons fracamente ligados. Esses semicondutores enriquecidos de elétrons
são conhecidos como tipo N, e as impurezas pentavalentes são chamadas átomos doadores
ou impurezas doadoras. O processo de adição de átomos de impurezas ao semicondutor puro
é chamado dopagem. É também possível produzir semicondutores tipo P, os quais são ricos
em lacunas, pela adição de pequenas quantidades de impureza trivalentes ( três elétrons de
valência ) ao semicondutor em fusão. Impurezas trivalentes ( átomos aceitadores ) são índio,
alumínio e gálio. A fig. 8 ilustra uma representação esquemática de um átomo de impureza
trivalente.
A fig. 9 ilustra o efeito de uma impureza trivalente dentro da estrutura cristalina. Note que agora
temos uma ligação covalente incompleta na qual falta um elétron. Isto está de acordo com
nossa definição anterior de buraco ou lacuna. Neste caso o buraco é o único portador de
corrente, pois não há presença de elétrons fracamente ligados.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Aqui encontramos uma abundância de cargas livres positivas e o material é então chamado
silício ou germânio tipo P. Note que, nesta figura, o átomo de impureza torna-se um íon
negativo tão logo um elétron de uma das ligações covalentes alcance o buraco. Esse buraco
original é então neutralizado mas um outro buraco aparece, exatamente no lugar de onde o
elétron neutralizante veio. Se pequenas, mas iguais, quantidades de impurezas tipos P e N
fossem misturadas ao semicondutor em fusão, teríamos um cristal de comportamento muito
próximo ao do semicondutor puro. A razão disto é que os elétrons da impureza tipo N
preenchem os buracos da impureza tipo P. Na realidade nenhum espécime prático é somente
tipo P ou tipo N, mas a adição controlada de impurezas ( dopagem ) causa a predominância de
um ou outro tipo. Mais energia é necessária para romper uma ligação covalente no silício que
no germânio. Isto significa que, numa dada temperatura, O Si puro tem menos portadores de
corrente disponíveis que o Ge. Embora a resistividade do Si puro seja mais elevada, o que
pode representar desvantagem em alguns casos, o efeito total da temperatura sobre os
transistores de Si será menor que sobre o Ge. Por esta razão os transistores de Si são
usualmente preferidos.
Elétrons numa região N ou buracos numa região P são, por razões óbvias, chamados
portadores majoritários, enquanto que elétrons na região P ou buracos na região N são
chamados portadores minoritários. Devido à ruptura das ligações covalentes nenhum material
semicondutor é puramente N ou P. Ao invés disso, contém ambos os portadores: majoritários e
minoritários. Os portadores majoritários estão continuamente se recombinando com os
portadores minoritários, neutralizando-os. Os portadores minoritários não se acabam,
entretanto, pois estão sempre sendo recriados pela energia térmica. Nem os portadores
majoritários se esgotam, pois a geração térmica de um portador minoritário é sempre
acompanhada pela geração simultânea de um portador majoritário. Infelizmente a geração
térmica dos portadores minoritários varia com a temperatura de uma forma exponencial. Isto
torna os materiais semicondutores altamente sensíveis à temperatura, com o efeito sendo mais
severo no germânio que no silício.
3-4. A junção PN
As várias técnicas de fabricação de diodos e transistores têm pelo menos um objetivo comum,
e este é produzir um cristal no qual exista uma ou mais junções PN. As propriedades da junção
PN tornam possíveis a retificação e a ação do transistor. Se um cristal de semicondutor é
preparado de modo que exista uma fatia de material tipo P adjacente a uma fatia tipo N, a
interface entre os dois é conhecida como junção PN. Esta situação está ilustrada na fig. 10.
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Se dois terminais forem ligados a esta estrutura temos um diodo a junção que está ilustrado
esquematicamente sobre o cristal. Note que o ânodo ( base da flecha ) corresponde ao material
P enquanto o cátodo corresponde ao material N. Memorize esta figura pois será útil mais tarde.
Para entender as propriedades da junção PN considere a fig. 11. Para fins de ilustração,
admita que, no instante zero, nós, de alguma forma, formemos um cristal no qual há uma
interface entre uma região tipo P e uma região tipo N. Esta interface é uma junção PN. Os
círculos com sinais ( - ) na região P representam os íons fixos negativos da impureza. Estes
íons são negativamente carregados porque eles capturaram elétrons para preencher os
buracos introduzidos pelos átomos aceitadores ( tipo P ). Os sinais ( + ) representam os
buracos livres caminhando através da região P. Analogamente, os círculos com sinais ( + ) na
região N representam os íons fixos positivos das impurezas doadoras que perderam seus
elétrons fracamente ligados. Tanto a região P quanto a
região N são eletricamente neutras, pois existem tantos buracos livres quantos íons negativos
na região P e tantos elétrons livres quantos íons positivos na região N.
Admita que a junção PN já foi formada, que a temperatura seja constante, e que nenhuma
voltagem foi aplicada ao cristal. O lado P está carregado com buracos livres e íons fixos
negativos, enquanto que no lado N existem elétrons livres e íons fixos positivos abundantes.
Como a concentração de buracos no lado P é muito maior que no lado N, os buracos difundirão
na região N. O mecanismo da difusão é semelhante à distribuição de moléculas de tinta num
copo de água, após uma gota de tinta Ter sido introduzida. As moléculas de tinta tentam
distribuir-se uniformemente. Em termos técnicos dizemos que existe um gradiente de
concentração de buracos da região P para N. Analogamente existe um gradiente de
concentração de elétrons da região N para P e resulta na difusão de elétrons através da
junção. À primeira vista, pareceria que elétrons e buracos manteriam a difusão através da
junção e recombinariam uns com os outros até que nenhum portador permanecesse ou até que
uma ou outra espécie de carga permanecesse. Não é, entretanto, este o caso. Para cada
buraco que cruza a junção de P para N, fica um íon fixo negativo não neutralizado de cada lado
da junção são chamados cargas espaciais, e o campo elétrico entre eles pode ser
convenientemente representado por uma bateria colocada através da junção como mostrada
na fig. 12.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Esta barreira de potencial interna tende a restringir a difusão de buracos do lado P para o lado
N e os elétrons do lado N para o lado P. A barreira de potencial interna força também os
portadores minoritários, isto é elétrons do lado P e buracos do lado N, a cruzar a junção. A
região adjacente e de cada lado da junção é, portanto, relativamente livre de buracos e
elétrons.
Esta região essencialmente livre de cargas é chamada região de depleção. A largura da região
de depleção depende da maneira pela qual o cristal é preparado. A largura da região de
depleção do lado P não é, necessariamente, a mesma que do lado N. O lado feito de material
de resistividade mais elevada ( menos átomos de impureza ) terá uma região de depleção mais
larga. Os buracos que cruzam da região P para a região N recombinam com os elétrons no
lado N. Analogamente, elétrons da região N recombinam com buracos do lado P. Este fluxo de
elétrons de N para P e de buracos de P para N constitui uma corrente de recombinação através
da junção. Esta corrente de recombinação não permanece, no entanto, em um valor constante.
Ela cai a valores extremamente baixos devido ao processo de recombinação manter cargas
descobertas nas proximidades de junção. Os íons negativos descobertos no lado P começam a
repelir os elétrons do lado N enquanto a parede de íons descobertos positivos no lado N repele
os buracos do lado P. A bateria na fig. 12 representa, portanto, a barreira de potencial formada
pelas cargas descobertas, as quais inibem a corrente de recombinação. Assim, parece que
uma condição de equilíbrio é estabelecida entre o potencial de difusão do gradiente de
concentração e a barreira de cargas descobertas.
Se a agitação térmica fornecesse às cargas móveis a mesma energia cinética, esta simples
explicação para as condições de equilíbrio seria suficiente. No entanto, a energia térmica
fornecida aos portadores móveis de carga está distribuída aleatoriamente. Estatisticamente
falando, alguns buracos e elétrons possuem uma pequena quantidade de energia cinética
enquanto outros possuem uma grande quantidade. Alguns dos portadores de alta energia
serão capazes de vez por outra, vencer a barreira de potencial. Se esta fosse a única ação,
pareceria que a altura da barreira de potencial continuaria crescendo, num esforço de
compensar os portadores de alta energia que conseguiriam vencê-la. Finalmente, poderíamos
esperar que o último dos portadores de carga a cruzar a barreira deixaria uma barreira de
potencial bastante alta. Embora incompleto, este é um quadro melhorado das condições da
junção. Algo que desprezamos é que nenhum material é perfeitamente P ou N. O material P
terá alguns elétrons livres, surgidos pela ruptura de ligações covalentes por agitação térmica. O
buraco que é produzido não é diferente de qualquer outro buraco do lado P, onde os buracos
são os portadores majoritários. O elétron no material P constitui um portador minoritário e terá
um tempo médio ( chamado tempo de vida ) antes de recombinar com um dos numerosos
buracos disponíveis. O tempo de vida de um portador minoritário depende, claramente, do
número de portadores majoritários circundantes, os quais, por vez, são determinados pelo
número de átomos de impurezas introduzido no cristal. Se este elétron na região P tem vida
suficientemente longa para caminhar até as vizinhanças da junção, ele ficará sob influencia do
campo elétrico lá existente. O sentido do campo é tal que o elétron será forçado a cruzar a
região de depleção ( região contendo as cargas descobertas ) pois ele é atraído pelos íons
descobertos no lado N. Outra forma de visualizar, isto é, de imaginar a bateria de barreira na
fig. 12, forçando elétrons do lado P para o lado N.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Por razões análogas vemos que um buraco gerado termicamente no material N constitui um
portador minoritário que será forçado a cruzar a região de depleção do lado N para o lado P.
O fluxo de portadores minoritários através da junção é ajudado pela barreira de potencial.
Temos agora um quadro completo como mostrado na fig. 13, abaixo.
Sem voltagem externa aplicada, as condições reais de equilíbrio são, como segue. Existe uma
corrente global de recombinação I r através da junção a qual consiste de buracos I rp
ultrapassando a barreira do lado P para N e elétrons
I rn que atravessam a barreira no sentido
oposto. Como um buraco indo da esquerda para a direita é equivalente a um elétron indo da
direita para a esquerda, as duas componentes da corrente de recombinação são aditivas, e
podemos escrever:
I r = I rp + I rn
Ao mesmo tempo a ruptura de ligações covalentes causa a formação de uma corrente global
gerada termicamente I g devido aos portadores minoritários que são forçados a cruzar a
barreira. Esta corrente gerada termicamente terá também duas componentes, uma
componente de buracos I gp , que flui da região N para P, e uma componente de elétrons I gn ,
que flui da região P para N. Portanto:
I g = I gp + I gn
A corrente I g gerada termicamente depende somente da temperatura e é, muita vezes
chamada I s , corrente de saturação. Sob as condições de equilíbrio os portadores que cruzam
a junção devido a I g compensam aqueles devido a I r , a qual tem componentes fluindo nos
sentidos opostos aos de I g . O resultado final é que a corrente total na junção é zero, o que
deve ser verdade pois se curto-circuitarmos a junção PN com um pedaço de fio, nenhuma
corrente circula pelo fio. A altura da barreira terá um potencial de valor tal que permita a
corrente de recombinação igualar-se exatamente à corrente gerada termicamente. A
representação esquemática de um diodo a junção está novamente mostrado na fig. 14. Como
mostrado, o ânodo consiste de um material P e o cátodo consiste de um material N.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
A fig. 14 também indica alguns sentidos de referência para voltagem e corrente. Note que V
representa a voltagem no ânodo em relação ao cátodo, e I representa a corrente ( fluxo de
elétrons ) entrando pelo cátodo e saindo pelo ânodo. Deve ser entendido que, embora elétrons
e buracos fluam no interior do semicondutor, a corrente externa I representa o sentido de
referência admitido como positivo do fluxo de corrente.
3-5. Polarização direta
Se uma fonte de voltagem é aplicada ao diodo como mostrado na fig. 15, diz-se que o diodo
está polarizado diretamente. Note que quando polarizado diretamente, V é uma quantidade
positiva, o que significa que o material P é mantido num potencial positivo em relação ao
material N.
A voltagem externa V forma um campo elétrico através da junção o qual opõe à barreira de
potencial, portanto, reduz seu efeito.
Consequentemente, a corrente de recombinação ( majoritária ) aumenta. Intuitivamente
podemos ver que a voltagem V tenderá a empurrar os buracos do lado P para o lado N e
elétrons do lado N para o lado P, o que aumenta grandemente a corrente através da junção.
De fato, é necessário ou manter V bastante pequeno ou inserir um resistor limitador de corrente
em série com a fonte de voltagem para manter a corrente no diodo num valor razoável.
Entretanto a corrente gerada termicamente é virtualmente não afetada pois esta corrente
depende, pelo menos em teoria, somente da temperatura e não da voltagem aplicada. Uma
relação teórica entre a corrente no diodo e a voltagem aplicada externamente é :
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⎞
⎛ η .VV
1) - I = I S ⎜∈ T −1⎟
⎟
⎜
⎠
⎝
Nesta equação I S é a corrente de fuga gerada termicamente, às vezes chamada corrente de
saturação. A voltagem V representa a voltagem do material P em relação ao material N e pode
ser uma quantidade positiva ou negativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se
V é uma quantidade positiva, ele é normalmente chamada voltagem direta, VF . Se V é uma
reversa,
VR .
quantidade
negativa,
ela
é
normalmente
chamada
voltagem
Correspondentemente, a corrente I, no sentido referência mostrado, pode ser uma quantidade
positiva ou negativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se acorrente é uma
quantidade positiva, ela é normalmente chamada corrente direta I F , correspondendo à
condição de aplicação de uma voltagem direta VF . De outro lado se I é uma quantidade
negativa ela é chamada normalmente corrente reversa I R , correspondendo à condição na qual
V é uma quantidade negativa ou uma voltagem reversa. A quantidade VT tem dimensão de
Volts e é dada por:
2) - VT =
T
volts
11000
T é a temperatura em graus Kelvin e está relacionada com a temperatura em graus Celsius por:
3) - TKelvin = TCelsius + 273
4) -
η
= número entre 1 e 2
A quantidade η é uma constante relativa geralmente tomada como 1 para o germânio. Para
silício, η pode variar de aproximadamente 2 nas baixas correntes, digamos menos de 0,2 mA,
até aproximadamente 1 para correntes diretas maiores que 0,2 mA. Na temperatura ambiente,
27ºC, VT = 26 mV. Vemos então que a equação 1) – com η admitido = 1 e para V ≥ 100 mV,
⎛ VV
I ≈ I S ⎜∈ T
⎜
⎝
⎞
⎟ . Por razão análoga, I ≅ − I se V é uma quantidade negativa ( polarização
S
⎟
⎠
reversa ) além de 100 mV.
A inclinação da característica corrente-direta versus coltagem-direta representa a condutância (
ac ) do diodo quando ele está diretamente polarizado. O valor teórico desta condutância g f
pode ser determinada por:
5) -
gf ≈
I
η.VT
O reciproco da condutância direta é a resistência direta. Portanto a resistência dinâmica direta
é:
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14
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
6) -
rf =
η.VT
I
A corrente I é a corrente estática ( dc ) através do diodo. A equação 6) - indica que, para um
valor admitido de η = 1, um diodo polarizado diretamente apresentará uma resistência dinâmica
de 26 Ohms para uma corrente direta de 1 mA e 2,6 Ohms par I = 10 mA. O valor real da
resistência dinâmica direta será sempre algo mais elevado que o valor teórico devido ao efeito
da resistência dos terminais e do volume do material que aparecem em série com rf . A fig. 16
ilustra uma característica direta de um diodo de silício de baixa potência.
A corrente direta está plotada para três valores diferentes de temperatura. Evidentemente, à
medida que a temperatura aumenta, a voltagem direta decresce. Especificamente, se a
corrente do diodo for mantida constante, a voltagem direta cairá tipicamente a uma razão de 2
a 3 mV para cada ºC de aumento da temperatura. Matematicamente isto é expresso por:
7) -
dVT
≈ −2,5mV /º C
dT
Note que este coeficiente de temperatura é negativo, o que implica num decréscimo da
voltagem direta com um aumento da temperatura. Na prática este coeficiente de temperatura
tende a se tornar menos negativo à medida que a corrente direta aumenta e para níveis de
corrente elevados pode atingir valores levemente positivos.
Prof. Corradi
15
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
3-6. Polarização reversa
Se, como mostrado na fig. 17, V é uma quantidade negativa, de modo que o material P é
mantido negativo com relação ao material N, o diodo é dito estar reversamente polarizado.
Quando reversamente polarizado, o campo elétrico estabelecido por V é de polaridade tal que
se soma à barreira de potencial interna. Consequentemente, a corrente de recombinação, que
consiste de buracos indo de P para N e elétrons indo de N para P, é drasticamente reduzida. A
corrente externa I é uma quantidade negativa devido ao fluxo de portadores gerados
termicamente através da junção. Idealmente, o diodo não exibiria corrente reversa alguma e
assim esta pequena corrente reversa gerada termicamente é comumente referida como
corrente de fuga. Na prática, a corrente de fuga consiste realmente de duas componentes; I S ,
a componente gerada termicamente, que independe da magnitude da polarização reversa
( depende somente da temperatura ), e uma componente devido aos efeitos de perdas na
superfície, que se manifestam onde a junção termina, nas extremidades do cristal.
A componente de corrente de fuga devido aos efeitos de superfície é sensível à voltagem, de
modo que a corrente de fuga aumenta na prática com o aumento da polarização reversa. Isto
está ilustrado na fig. 18. Note que I S mostrada em linha tracejada é um valor pequeno e
constante que variaria com a temperatura, mas não com a polarização reversa.
Prof. Corradi
16
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
A corrente reversa real, devido aos efeitos de perdas na superfície, exibe uma componente
ôhmica de resistência através da junção, desde que um aumento na polarização reversa causa
um aumento na corrente reversa. Como regra pode-se admitir que a componente gerada
termicamente, aproximadamente dobra a cada aumento de 10ºC na temperatura.
Quando uma junção PN está reversamente polarizada, a maior parte da tensão reversa
aplicada externamente aparece sobre a região de depleção, pois é a região de cargas livres
que apresenta a mais alta resistência do circuito. Em outras palavras, a queda de tensão
através da região de depleção será, em geral, quase igual à voltagem total aplicada. A região
de depleção é bastante estreita, sendo tipicamente da ordem de 0,0001 in ( polegadas ), ou
menor. Então uma pequena voltagem reversa, digamos 6 Volts, desenvolveria um campo
elétrico de intensidade 60.000 Volts/in. Esta alta intensidade de campo pode causar a ruptura
da junção. Quando a junção rompe, sua impedância cai consideravelmente devido à geração
de muitos portadores adicionais de corrente por uma ionização e/ou fenômeno de emissão
secundária. ( ver mais detalhes no anexo 1 ).
Diodos convenientemente projetados para serem usados na região de ruptura são comumente
denominados diodos zener ou de avalancha. Outro termo às vezes usado para estes diodos é
diodo regulador. Este termo provém do fato de, na ruptura ( note fig. 17 ), a voltagem reversa
ser mantida neste exemplo, num valor substancialmente constante de 20 Volts. Se a dissipação
de potência do diodo é limitada em um valor seguro, então a operação na região de ruptura
não é destrutiva. A voltagem de ruptura, que pode ser de 3 Volts até varias centenas de Volts é
determinada pelo processo de fabricação. Estes diodos serão estudas mais adiante em um
item exclusivo a ele. A voltagem reversa de ruptura VBD ( BD = Breakdown )é algo dependente
da temperatura. Para diodos cuja ruptura é cerca de 5Volts ou menos VBD apresenta um
coeficiente de temperatura negativo. Isto é, VBD decresce com o aumento da temperatura. De
outro lado, diodos que exibem um VBD de cerca de 6 Volts ou mais, tendem a apresentar um
coeficiente positivo de temperatura. Isto é, VBD aumenta com o aumento da temperatura.
Prof. Corradi
17
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Na faixa entre 5 e 6 Volts, é possível encontrar diodos que apresentam um coeficiente de
temperatura quase nulo, o que os torna altamente vantajosos como fontes de referência de
voltagem, veremos estas aplicações no estudo especifico do diodos zener num próximo item.
Segunda série de exercícios
Questionário
Porque o semicondutor na sua forma pura não tem utilidade na eletrônica?
O que é buraco e/ou lacuna?
Que influência o semicondutor sofre com a intensidade de dopagem?
Qual a influência da temperatura nos semicondutores?
Que características apresenta um diodo a junção?
O que é barreira de potencial?
Defina:
a) Polarização direta;
b) Polarização reversa.
8. O que é corrente direta e tensão reversa?
9. Como devemos testar um diodo a junção utilizando um Ohmimetro?
10. Como sabemos que um diodo está em curto e/ou aberto?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Responda:
1. Quais são os portadores majoritários na região N?
2. Como é controlada a corrente de recombinação num diodo?
3. O que acontece com a largura da região de depleção quando a voltagem reversa é
variada?
4. Como está a resistência direta de um diodo, relacionada com a corrente direta? Assuma T
= 27ºC.
5. A uma corrente direta de 12 mA e a 25ºC, a queda de voltagem estática (dc) através de um
diodo é 0,31 V. Se a corrente direta fosse mantida constante, mas a temperatura
aumentasse para 50ºC, qual seria a nova voltagem direta?
6. Determine E na fig. abaixo.
7. Determine o coeficiente médio de temperatura para uma faixa de –50ºC a 100ºC para um
diodo polarizado, tendo as característica mostradas na fig. abaixo. Assuma que a corrente
direta é mantida constante em 20 mA.
Prof. Corradi
18
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
8. Determine o ponto Q para um diodo tendo as característica diretas da fig. abaixo, quando é
usado no circuito dado abaixo.
Prof. Corradi
19
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
9. Como você mediria a componente da corrente reversa de um diodo, gerada termicamente?
10. Se o diodo no circuito da fig. abaixo tem a característica mostrada na mesma figura,
determine I e V a 25ºC.
4. Circuitos equivalentes do diodo
Como os diodos e dispositivos derivados do diodo são comumente encontrados em circuitos
eletrônicos, torna-se bastante útil desenvolver um circuito equivalente ao diodo prático. Como
veremos, o diodo prático pode ser representado em termos do diodo ideal.
4-1. Modelos discretos de diodos
Uma forma de desenvolver um circuito equivalente para o diodo é usar a técnica de modelação
por partes ou modelações discretas. Essencialmente ela consiste na partição de qualquer
trecho não linear da curva característica, em um número de segmentos retos, que aproximarão
a curva para qualquer grau desejado. Um circuito equivalente, baseado nos diodos ideais, pode
então ser desenvolvido. Quanto maior o número de segmentos retos, mais complicado se torna
o circuito equivalente.
Para ilustrar o desenvolvimento de um modelo discreto de um diodo, considere a curva V-I de
um diodo mostrado na fig. 19 a qual está baseada nos sentidos de referência para voltagem e
corrente mostrado na fig. 20. A voltagem V é referida como a voltagem do cátodo ( terminal K )
para o ânodo ( terminal A ) e a corrente I tem o sentido positivo de ânodo para cátodo, através
do diodo. Para diodos de silício ( que são os mais comumente usados ) a curva V-I da fig. 19
pode ser aproximada pelos segmentos de reta ( trechos lineares ) da fig. 21.
Um circuito equivalente ( modelo discreto ) que levaria a esta característica V-I está mostrada
na fig. 22. Os diodos na fig. 22 são diodos ideais e este modelo a dois diodos ideais tem
característica aproximada à do diodo real da fig. 19.
Para checar a validade deste modelo discreto devemos notar que para V grande e negativo (
suponha uma fonte de voltagem conectada entre os terminais de entrada ) D1 está,
seguramente reversamente polarizado (OFF) e D2 está diretamente polarizado (ON). Como
estes diodos são ideais, eles simulam, respectivamente, chaves aberta e fechada.
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20
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Portanto, para V < VBD o ponto de operação está na região 1 e I é uma quantidade negativa. A
inclinação do segmento na região 1 é determinada pela resistência incremental vista quando se
olha pelos terminais do modelo na fig. 22, com D1 OFF e D2 ON. Claramente esta é rZ .
Portanto, na região 1 a inclinação é ΔI / ΔV = 1 / rZ .
Façamos V = −VBD . Neste ponto a característica V-I da fig. 21 mostra uma descontinuidade
abrupta chamada ponto de quebra e, neste ponto de quebra, D2 passa de ON para OFF e I
cessa de fluir. O ponto de operação entra agora na região 2. Com ambos os diodos OFF a
impedância vista, quando se olha pelos terminais de entrada do modelo, é infinita. A
condutância é, portanto, zero e a inclinação da característica V-I na região 2 é zero, desde que
nenhuma variação de corrente pode ocorrer devido a uma variação de voltagem.
Quando a voltagem V aplicada tornar-se positiva a V’, o diodo D1 torna-se ON e o ponto de
operação entra na região 3.
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21
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
A corrente é agora uma quantidade positiva dada por I = (V − V ') / rF e a impedância de
entrada na região 3 é rF . A inclinação da curva V-I é portanto 1/ rF . Note que rF como usado
no modelo não é o mesmo que rF = VT / I = 26mV / I ( a 27ºC ). Na aproximação linear, rF
é algum valor médio, para o qual se aproxima a curva do diodo para uma larga faixa de
voltagem, enquanto rF , derivada da equação do diodo, é a resistência dinâmica num ponto de
operação particular. As quantidades com índices maiúsculos serão geralmente associadas com
o modelo discreto.
Embora o modelo de diodo a semicondutor da fig. 22 seja geralmente adequado para a maioria
dos casos e problemas, existem situações em que a curva V-I de um diodo requer melhor
aproximação principalmente na característica reversa; porem estes modelos são mais
complexos e fogem do escopo desta apostila. ( em livros para o terceiro grau o aluno poderá
encontrar tais modelos ).
Exemplo – Desenvolver um modelo discreto para a característica do diodo da fig. abaixo.
Solução:
A fig. abaixo ilustra o modelo discreto. Ele conterá no mínimo dois diodos ideais já que existem
dois pontos de quebra na característica V-I. Para V menor ( mais negativa ) que 400 V, o ponto
de operação está na região zener e D1 está ON. O diodo D2 está OFF. Portanto,
VBD = −400V e rZ , como determinado pela inclinação da curva é
r
Z
=
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Δ V
Δ I
=
410
100
− 400
x 10 −
3
= 100
Ω
22
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Para V maior que 400 Volts mas, menor que 0,8 Volts ( -400 V < V < 0,8 V ) D1 e D2 estão OFF
de modo que a resistência reversa nesta região é infinita. Para V mais positiva que 0,8 Volts,
D2 torna-se ON. Da inclinação da curva nesta região nós obtemos:
rZ
1, 6 − 0 ,8
ΔV
=
=
= 4Ω
−3
ΔI
200 x 10
Assim nosso circuito equivalente fica:
5. Aplicação dos diodos de junção PN
Os circuitos eletrônicos de forma geral necessitam de uma alimentação dc para poder trabalhar
corretamente. Como a tensão que recebemos em nossas residências e industrias é alternada,
a primeira coisa a ser feita em qualquer equipamento eletrônico é converter a tensão ac em
tensão dc. Neste item iremos discutir a retificação, trata-se de circuitos que realizam a
conversão de uma tensão ac para uma tensão dc. Veremos também filtros com capacitores de
entrada.
5-1. Tensão de corrente alternada ( onda senoidal )
A onda senoidal é o mais básico dos sinais elétricos; ela é usada muitas vezes para testar
circuitos eletrônicos. Além disso, sinais complicados podem ser reduzidos a uma superposição
de varias ondas senoidais. Neste item iremos verificar rapidamente as características básicas
de uma onda senoidal, de forma que possamos compreender melhor o funcionamento dos
circuitos retificadores ( conversores estáticos ). Em outra disciplina você terá maiores detalhes
da tensão de corrente alternada.
5-2 Corrente Alternada ( valores e formas de representação )
Observe a figura abaixo:
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23
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Observação:
O segmento OA é denominado de vetor girante ( fasor ), ω é a velocidade ou freqüência
angular, φ é o angulo por unidade de tempo; assim temos:
ϖ =
φ
t
⇒ φ = ϖ .t
Onde: φ em radianos ( rad. ) e t = tempo em segundos ( s )
Período ( T ) = tempo que o vetor OA ( fasor ) leva para completar um volta.
Logo:
φ = 2 .π rad. , t = T
φ = ϖ .t ⇒ 2. π = ϖ .t ou ϖ =
2 .π
T
Freqüência ( f ) = número de voltas completados em um segundo, podemos afirmar então:
T → 1
1 →
ϖ =
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f
Assim
2 .π
⇒
1
f
f =
1
então :
T
ϖ = 2 .π . f
24
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Da trigonometria podemos tirar :
sen φ =
b
v (t)
⇒ b = v ( t ) . sen φ
b = trata-se de um valor em um determinado instante de tempo, portanto podemos expressar a
onda senoidal em forma de uma função dada pela equação:
v t = V max . sen (ϖ .t + ϕ
)
onde ϕ é um angulo de fase inicial. Observe a expressão abaixo
vt = 179,61. sen (377.t )[V ]
Então você é capaz de dizer que sinal é este, onde podemos encontra-lo?
Prof. Corradi
25
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
5-3. Representação Fasorial
Observe:
vt = 10 sen (ϖt + 30º )
Da trigonometria podemos escrever:
V x = V max cos 30 º
V y = V max sen 30 º
V x = 8,66
Vy = 5
Representações:
.
Forma trigonométrica: V = Vmax cos ϕ 0 + jVmax sen ϕ 0
.
Forma polar: V = Vmax ∠ϕ 0
.
Forma algébrica ou retangular: V = Vx ± jV y
Assim podemos escrever a equação
vt = 10 sen (ϖt + 30º ) , de duas formas, observe:
Polar : 10∠ 30º [V] ;
Retangular : 8,66 + j 5 [V]
5-4. Outros valores importantes
Valor de pico a pico
O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre o seu máximo e o mínimo algébrico:
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26
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
V pp = Vmax − Vmin .
Assim para uma senoide, o valor de pico a pico é 2Vp. Em outras palavras, o valor de pico a
pico de uma onda senoidal é o dobro do valor de pico. Dada uma senóide com um valor de
pico de 15 V, o valor de pico a pico será de 36 V.
Valor eficaz ( RMS )
Se uma tensão senoidal aparecer através de um resistor, ela produzirá uma corrente senoidal
em fase através do resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência
instantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência.
Em outras palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse
uma tensão dc através dele.
O valor rms ( raiz media quadrática, do inglês root mean square ) de uma onda senoidal,
também chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, é definido como a tensão dc que
produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Os cursos básicos mostram que
Vrms = 0,707V p
Podemos provar estas relação experimentalmente construindo dois circuitos: um com uma
fonte dc seguida de um resistor e um outro com uma fonte senoidal ligada a um resistor de
mesmo valor. Se a fonte dc for ajustada para produzir a mesma quantidade de calor que a
onda senoidal, mediremos uma tensão dc igual a 0,707 vezes o valor de pico da onda senoidal.
( uma outra forma de se provar que Vrms = 0,707V p é através de matemática avançada ).
Valor médio
O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque a onda senoidal
é simétrica: cada valor positivo da primeira metade do ciclo é compensado por um valor igual
negativo da Segunda metade do ciclo. Portanto, se você somar todos os valores da onda seno
entre 0º e 360º, terá zero como resultado, o que implica um valor médio zero.
Em outras palavras, um voltímetro dc indicará zero se usado para medir uma onda senoidal.
Por que? Porque o ponteiro de um voltímetro dc tenta flutuar positiva e negativamente com
amplitudes iguais, porém a inércia das partes móveis o impede de fazê-lo, então ele indica um
valor médio igual a zero. ( isto supõe uma freqüência maior do que aproximadamente 10 Hz, de
modo que o ponteiro não possa acompanhar variações rápidas. )
5. O transformador
A alimentação dos equipamentos eletrônicos residenciais ou industriais vem da linha de
energia fornecidas pelas companhias concessionárias e estas linhas são perigosas devido a
sua resistência Thevenin aproximar-se de zero. Isto que dizer que ela pode fornecer centenas
de ampères. Mesmo com um disjuntor no circuito, ela ainda pode liberar dezenas de ampères,
dependendo das dimensões do circuito disjuntor.
Abaixador de tensão
Alguns equipamentos eletrônicos ( a grande maioria ), incluem um transformador como o da
fig., abaixo para abaixar ou elevar a tensão da linha, conforme exigir a aplicação. As tensão de
um transformador estão relacionados da seguinte forma:
NS VS IP
= =
NP VP IS
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27
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Onde:
N S = número de espiras do secundário ;
N P = nùmero de espiras do primário;
VS = tensão do secundário ;
VP = tensão do primário;
I S = corrente do secundário ;
I P = corrente do primário
Um exemplo:
Suponha que para o circuito acima a relação de espiras seja de 9:1, então
VS 1
127
= ⇒ VS =
= 14,11Vrms
127 9
9
Esta tensão mais baixa é um pouco mais segura para se trabalhar do que os 127 V rms, e é um
valor típico exigido por alguns circuitos de semicondutores. Além disso, o transformador isola a
carga ( todos os circuitos que você está medindo ) da rede. Isto quer dizer que a única ligação
com a rede de alimentação é através do campo magnético que põe em comunicação os
enrolamentos do primário e do secundário. Isto reduz ainda mais os perigos de um choque
elétrico porque não existe mais um contato elétrico direto com os dois lados da rede.
Fusível
Para um transformador ideal, temos as seguintes relações:
NS
I
= P
NP
IS
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28
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Você pode usar esta equação para calcular os valores do fusível. Por exemplo, se a
corrente de carga for de 1,5 A rms e a razão de espiras de 9:1, então
1 IP
1,5
=
⇒ IP =
= 0,166 A rms
9 1,5
9
Isto que dizer que o fusível deve Ter um valor maior que 0,166 A, mais 10% no caso da tensão
de linha ser alta, mais aproximadamente outros 10 % para perdas no transformador ( essas
perdas produzem corrente adicional no primário ). O valor de fusível padrão imediatamente
superior, 0,25 A ( de fusão lenta no caso de oscilações da rede ), provavelmente seria
satisfatório. A finalidade do fusível é de evitar dano excessivo no caso da resistência da carga
ser posta em curto acidentalmente.
Obs.: Você irá ter mais informações sobre transformadores em outra disciplina; para
compreendermos o funcionamento básico dos retificadores a informação aqui oferecida é
suficiente.
6. Aplicação dos diodos em circuitos retificadores
6-1. Retificadores estáticos
No item 5 comentamos que vários circuitos eletrônicos necessitam de uma alimentação dc e
estes equipamentos são ligados as linhas de alimentação. Como os sinais transmitidos por
estas linhas são ac é necessário convertermos este tipo de tensão em uma tensão dc.
Portanto, o processo de conversão de um sinal ac em uma tensão dc é conhecido como
retificação. Os retificadores são então circuitos eletrônicos que fazem esta conversão, os
retificadores básicos são:
A) Retificador de meia onda;
B) Retificador de onda completa com transformador com derivação central;
C) Retificador de onda completa em ponte.
Veremos agora cada um deles analisando o seu funcionamento, características elétricas,
métodos de projeto e topologia.
6-2. Retificador de Meia Onda
Observe o circuito abaixo:
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29
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Devemos observar que o circuito acima converteu a tensão ac de entrada em uma tensão dc
pulsante. Podemos concluir que a tensão na carga é sempre positiva ou zero.
Tensão média na carga
Denominado de tensão dc pois é o valor medido por um voltímetro e é dado por:
Vdc = 0,318.VP ou Vdc =
VP
π
.
Como é obtido este valor?
Solução matemática:
1 T2
1 π
(VP senϕ)dϕ
vdt
=
∫
∫
0
T
1
2π
T
π
V
V
V
Vmédio = P [− cosπ −cos0 ] = P (− (−1 −1)) = P .2
0
2π
2π
2π
V
Vmédio = P
Vmédio =
(
)
π
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30
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Especificações de corrente e tensão para o diodo:
I F ≥ I RL max
VRRM ≥ VS ( pico)
Onde: I F é a corrente direta do diodo e VRRM é a tensão
reversa máxima repetitiva que o diodo pode suportar.
Exercício de aplicação:
1- O transformador da fig. abaixo tem uma tensão do secundário de 30 Vac. Qual a tensão de
pico através da resistência de carga? A tensão média? A corrente média através da
resistência de carga?
2- Abaixo temos as especificações de alguns diodos em termos de corrente direta:
a)
b)
c)
d)
1N 914 - = 50 mA;
1N 3070 - = 100 mA;
1N 4002 - = 1 A;
1N 1183 - = 35 A.
Se a tensão do secundário for de 120 Vac no circuito anterior, qual o tipo de diodo dado acima
que pode ser usado?
3- Abaixo temos as especificações de alguns diodos em termos de tensão reversa:
a)
b)
c)
d)
1N 914 - = 20 V;
1N 3070 - = 50 V;
1N 4002 - = 100 V;
1N 1183 - = 175 V.
Dada uma tensão do secundário de 60 Vac no circuito do exercício 1, qual a Vrrm através do
diodo? Qual dos diodos anteriores pode ser usado?
6-3. Retificador de onda completa com transformador com tomada central
Observe o circuito abaixo:
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31
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Onde:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
– Retificador de onda completa;
– Saída retificada;
– Semiciclo positivo;
– Semiciclo negativo;
– Tensão de pico inversa e/ou tensão reversa repetitiva máxima.
Tensão média de saída
Podemos observar um efeito de duas vezes a saída do retificador de meia onda portanto,
podemos verificar que este retificador é mais eficiente do que o primeiro, ou seja:
V dc = 2 x 0 ,318 V P ⇒ 0 ,636 V P ou
2 .V P
π
Freqüência
O período T de uma onda repetitiva é o tempo entre pontos equivalentes ou correspondentes
da onda. A freqüência f é o inverso do período T. Num retificador de meia onda, o período da
saída é igual ao período da entrada, o que quer dizer que a freqüência da saída é a mesma
que a freqüência da entrada. Em outras palavras, para cada ciclo na saída você tem um ciclo
na entrada. Por esta razão, a freqüência que sai de um retificador de meia onda é de 60 Hz, o
mesmo valor da freqüência da rede.
Um retificador de onda completa já é diferente. Observe atentamente a figura anterior item (b),
veja que o período é a metade do período da entrada. Colocando de outra forma, ocorrem dois
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32
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
semiciclos na saída para cada ciclo na entrada. Isto acontece porque o retificador de onda
completa inverteu a metade negativa do ciclo da tensão de entrada. Disto resulta que o
retificador de onda completa tem uma freqüência de 120 Hz, exatamente o dobro da freqüência
da rede.
Especificação dos Diodos:
IF ≥
V RRM
I RL
2
≥ V S ( pico ) (" secundário todo" )
Exemplo de aplicação:
No circuito abaixo a tensão do secundário é de 30 V ac. Utilizando diodos ideais, calcule a
tensão de carga dc. Deduza também as especificações I F e VRRM para os diodos.
Resolução :
6-4. O Retificador em ponte
Veremos agora o retificador em ponte, a forma mais fácil de se retificar, porque ele alcança a
tensão de pico completa de um retificador de meia onda e o valor médio mais alto de um
retificador de onda completa. Observe o circuito abaixo:
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33
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Tensão média de saída:
Desprezando as quedas no diodo, o pico da tensão de carga é
V Saída ( pco ) = V S ( pico ) .
Observe que toda a tensão do secundário aparece através do resistor de carga; este é um dos
motivos que tornam o retificador em ponte melhor do que o retificador de onda completa visto
no item anterior, onde somente metade da tensão do secundário chegava até a saída. Além
disso, um transformador com derivação central que produza tensões iguais em cada metade do
enrolamento secundário é difícil e caro de ser fabricado. Pelo fato da saída da ponte ser um
sinal de onda completa, o valor médio ou dc é
Vdc = 0,636VS ( pico )
Especificação dos diodos:
I
V
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F
≥
RRM
I
R
L
2
≥ V
S
( pico )
34
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
6-5. Quadro resumo – Retificadores Médios Ideais
Número de diodos
Tensão de pico de
saída
Tensão dc de saída
Corrente dc do diodo
Tensão de pico
inversa
Freqüência de
ondulação
Tensão dc de saída
Meia Onda
1
Onda Completa
2
Ponte
4
Vs (pico)
0,318 Vs (pico)
Idc
0,5 Vs (pico)
0,636 Vs (pico)
0,5 Idc
Vs (pico)
0,636 Vs (pico)
0,5 Idc
Vs (pico)
Vs (pico)
Vs (pico)
f (ent.)
0,45 Vs (rms)
f (ent.)
0,45 Vs (rms)
f (ent.)
0,9 Vs (rms)
PROBLEMAS
1- A tensão de entrada Es é de forma triangular com um valor pico a pico de 60 V. Determinar
para cada um dos circuitos abaixo a forma de onda da tensão de saída.
2- Na fig. K, a tensão do secundário é de 40 V ac. Qual a tensão de pico da carga? Qual a
tensão dc da carga? Qual a corrente de carga dc?
3- Dada uma tensão de secundário de 40 V ac na fig. K, calcule a corrente de carga dc e a
Vrrm através de cada diodo. Qual a corrente média retificada que passa através de cada
diodo?
4- A tensão do secundário na fig. L é de 60 V ac. Qual a corrente de carga dc? Qual a
corrente dc através de cada diodo? Qual a Vrrm através de cada diodo?
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35
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
5- Os diodos da fig. L têm uma especificação de corrente direta de 150 mA e uma
especificação de tensão reversa de 75 V. Estes diodos são adequados para a tensão do
secundário de 40 V ac?
7- O Filtro com Capacitor de entrada
Sabemos que a saída de um retificador médio é uma tensão dc pulsante. O que
necessitamos nos circuitos eletrônicos é de uma tensão dc constante, assim para
convertermos um sinal de meia onda e de onda completa em tensão dc constante,
precisamos usar um filtro. Observe o circuito abaixo e as formas de onda:
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36
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
-
Concluímos que a tensão de carga agora é uma tensão dc quase perfeita. O único desvio
são as pequenas ondulações causadas pelas cargas e descargas do capacitor. Quanto
menor a ondulação, melhor é a retificação.
7-1. Determinação da tensão de ondulação
Podemos dizer que a ondulação é a variação da tensão do intervalo ωt1 e ωt2.
Dá eletricidade elementar tiramos que :
E1 =
C=
q
, então:
E
q1
q
e E 2 = 2 Obs. : a tensão de ondulação
C
C
é a diferença entre ωt1 e ωt2.
então : E1 − E 2 =
q1 − q 2
Δq
⇒ Vond . =
→ na função do tempo
C
C
Vond . Δq Vond . .C Δq
=
=
=
t
C .t
t
t
Dá eletricidade elementar vimos que Δq = i.Δt ; assim:
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37
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Vond . .C Δq
V .C
=
⇒ i = ond .
t
t
t
As condições criticas de descarga para o capacitor são para
⎛
1⎞
um tempo t igual ao período T ⎜⎜ T = ⎟⎟
f ⎠
⎝
∴
Vond . .C
= i ⇒ Vond . .C . f = i → assim a tensão de ondulação fica :
1
f
Vond . =
iC
→ onde (i C ) é a corrente de carga max.
C. f
C = capacitânc ia do capacitor de filtro;
f = freqüência de saída do retificado r
Obs. : retificado r meia onda f = 60 Hz
retificado r de onda completa f = 120 Hz
7-2. Orientação para um projeto
Podemos estabelecer um compromisso entre uma ondulação pequena e uma capacitância
grande. Vamos admitir uma regra para a escolha do capacitor de filtro. Assim iremos escolher
uma ondulação não superior à 10% da tensão de pico.
Tensão dc na carga
Observando a forma de onda aproximada da tensão de saída na carga de um circuito retificado
com filtro à capacitor podemos estabelecer que:
V dc = V
pico
−
V ond
2
.
e a resistência efetiva de saída será : RO = 0,5. f .C .
Especificações dos diodos
Meia onda :
I F ≥ I RL max
VRRM ≥ 2.Vsec( pco )
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38
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Onda completa :
IF ≥
VRRM
I RL (max)
2
≥ Vsec .( pico )
Exercícios de aplicação
1- Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada tem uma tensão de pico na
saída de 25 V. Se a resistência de carga for de 120 Ohms e a capacitância de 560 μF, qual
a ondulação de pico a pico?
2- A tensão do secundário é de 25 V ac na figura abaixo. Qual a tensão de carga dc se C =
330 μF? Qual a ondulação de pico a pico? Quais as especificações mínimas de I F e VRRM
dos diodos?
3- O circuito abaixo mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central
aterrada ( fonte simétrica ), as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Quais
as tensões dc de saída para uma tensão do secundário de 12 Volts ac e C = 820 μF? Qual
a ondulação de pico a pico? Quais as especificações dos diodos e a tensão de isolação do
capacitor?
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39
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
4- Uma onda senoidal com um pico de 25 V é aplicada ao circuito que aparece na figura
abaixo. Descreva a tensão de saída.
5- O amperímetro do circuito abaixo tem uma resistência do medidor de 2 KΩ e uma corrente
para fundo de escala de 50 μA. Qual a tensão através desse amperímetro quando ele
indicar fundo de escala? Os diodos às vezes são ligados em derivação (shunted) através
do amperímetro, como mostra o circuito abaixo. Se o amperímetro estiver ligado em série
com um circuito cuja resistência Thevenin seja de 1 KΩ, os diodos através do medidor
podem ser de grande utilidade. Para que você acha que eles podem servir?
6- Você mede 24 Vac através do secundário do circuito do exercício dois (2). Em seguida
você mede 21,6 V dc através do resistor de carga. Sugira alguns problemas possíveis.
7- A tensão de carga dc do circuito do exercício (2) tem um valor um pouco mais baixo do que
deveria. Olhando para a ondulação com um osciloscópio, você descobre que ela tem uma
freqüência de 60 Hz. Quais são as possíveis causas?
8- Não há tensão de saída no circuito do exercício (2). Quais são as possíveis causas?
9- Fazendo um teste com um ohmímetro, você percebe que todos os diodos do exercício (2)
estão abertos. Você substitui os diodos. O que mais você deve verificar antes de ligar a
alimentação?
10- Você está construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada. As
especificações são uma tensão de carga dc de 15 V e uma ondulação de 1 V para uma
resistência de carga de 680 Ω. Que tensão de rms o enrolamento do secundário deve
produzir para uma tensão de linha de 127 V ac? Qual deve ser o valor do capacitor do filtro
e sua tensão de isolação? Quais as especificações mínimas para os seus diodos? Esboce
o circuito elétrico de seu projeto.
11- Projete um retificador de onda completa usando um transformador com derivação central
de 48 V ac que produza uma ondulação de 10 % através do filtro com capacitor de entrada
com uma resistência de carga de 330 Ω. Quais as especificações mínimas dos diodos?
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40
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
12- A fonte de alimentação dividida do exercício (3) tem uma tensão do secundário de 9 V ac.
Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 % para a ondulação.
13- Construa uma fonte de alimentação que preencha as seguintes especificações: a tensão
de secundário seja de 12,6 V ac, uma saída dc de aproximadamente 17,8 V em 120 mA, e
uma Segunda saída dc por volta de 35,6 V em 75 mA. Quais as especificações mínimas
dos diodos?
14- A tensão do secundário na figura abaixo é de 25 Vac. Com a chave na posição mostrada
qual a tensão de saída ideal? Com a chave na posição mais baixa, qual a tensão de saída
ideal?
15- Projetar um retificador de onda completa com capacitor de filtro, para alimentar uma carga
que possui as seguintes características: V dc = 30 V, potência dissipada pela carga de 300
mW. Apresentar: esquema elétrico, cálculos, lista de componentes e lay out da placa
impressa.
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41
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
8. Diodo de referência ou Diodo ZENER
Trata-se de uma junção PN que recebe uma dopagem mais acentuada fazendo com que o
dispositivo passe a trabalhar na região de ruptura ( controlada ). O diodo Zener será utilizado
como estabilizador de tensão em fontes de alimentação, fontes de corrente, geradores de onda
quadrada simples, etc.
O diodo Zener deve ser polarizado reversamente para manter as suas características de
regulador.
8-1. Diodo Zener
Os diodos retificadores e de pequeno sinal nunca devem operar intencionalmente na região de
ruptura porque isto pode danificá-los. Um diodo zener é diferente; é um diodo de silício que o
fabricante otimiza para trabalhar na região de ruptura. Em outras palavras, ao contrario dos
diodos comuns que nunca trabalham na região de ruptura, os diodos zener trabalham melhor
nesta região. Às vezes chamado diodo de ruptura, o diodo zener é a parte mais importante dos
reguladores de tensão, circuitos que mantém a tensão da carga praticamente constante apesar
das grandes variações na tensão da rede e da resistência de carga.
Alguns símbolos elétricos utilizados:
8-2. Curva característica do dispositivo ( gráfico I-V )
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42
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Onde :
VZN → Tensão zener nominal;
I ZT → Corrente zener de teste;
I ZM → Corrente zener máxima.
Ob.: Podemos notar que para uma grande variação da corrente do diodo zener, na região de
ruptura controlada temos pouca variação da tensão em seus terminais, podemos considerar
VZN aproximadamente constante.
Especificações do diodo Zener
1- Tensão zener nominal : VZN ;
2- Potência zener máxima : PZ max ;
3- Coeficiente de temperatura;
4- Tolerância – A = ± 5% e B = ± 10%;
5- Corrente zener de teste ou mínima ( dada pelo fabricante ) - I Z max =
PZ max
VZN
Exercícios básicos:
12345-
Um diodo zener tem 15 V aplicado sobre ele com uma corrente de 20 mA através
mesmo. Qual a potência dissipada?
Se um diodo zener tiver uma especificação de potência de 5W e uma tensão zener de
V; qual o valor da sua corrente máxima?
Um diodo zener tem uma resistência zener de 5 Ω. Se a corrente variar de 10 mA a
mA; qual a variação da tensão através do diodo zener?
Uma variação de corrente de 2 mA através de um diodo zener produz uma variação
tensão de 15 mV. Qual o valor da resistência zener?
Conforme o circuito abaixo esboce a forma de onda de saída.
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do
20
20
de
43
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Responda as Questões:
123456-
Como é utilizado o diodo zener?
Como se comporta o diodo zener?
O que é tensão zener?
Quais as características do diodo zener?
Explique cada uma de suas características.
Explique a relação entre corrente e resistência do diodo zener.
8-3. Regulador de tensão RZ ( sem carga e com tensão de entrada fixa )
Verificamos que o diodo zener pode manter em seus terminais uma tensão praticamente
constante dentro de uma certa faixa de corrente, assim iremos utiliza-lo para manter nos
terminais de uma carga uma tensão estável. Para que o diodo funcione corretamente
devemos polariza-lo reversamente através de um resistor limitador de corrente a fim de
mante-lo dentro da região de avalanche controlada. Se sairmos desta região podemos
perder a regulação ou destruir o diodo por excesso de dissipação de potência.
Observe o circuito abaixo para análise:
Análise do circuito sem carga ;
Vent . = VRS + VZ onde VRS = I .R
Vent . = I .R + VZ
I = Vent . −
VZ
R
para I ≤ I Z max
Obs. : VSaída = VZ como VZ = cte.
Vsaída é constante (cte. )
Exercícios ( Problemas )
1- O diodo zener do da fig. K abaixo tem uma tensão zener de 15 V e uma especificação de
potência de 0,5 W. Se Vent. For de 40 V, qual o valor mínimo de Rs que impede que o
diodo seja destruído?
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44
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
2- Para o mesmo circuito do exercício um Vz = 18 V, Rz = 2 Ohms e Vent. 27 V. Qual o valor
da corrente zener? Se Vent. Aumentar para 40 V, qual o valor da variação na tensão da
carga?
8-4. Reta ou linha de carga
Trata-se de um método gráfico onde se traça uma reta na curva característica do diodo a fim de
obter o seu ponto de operação denominado ponto Q ( quiescente = que existe ).
Para o circuito abaixo iremos determinar o ponto de operação do diodo para uma variação da
tensão de entrada de 20 V para 30 V.
Para Vent. = 20 V e R S = 1 KΩ temos :
IS = IZ =
20 − 0
= 20mA
1x103
Para Vent. = 30 V, temos :
IS =
30 − 0
= 30mA
1x103
Conclusão: Comparando os ponto Q1 e Q2 na figura abaixo, vemos que há mais corrente
através do diodo zener, mas aproximadamente a mesma tensão zener. Portanto, mesmo que a
tensão da fonte de entrada tenha variado de 20 V para 30 V, a tensão zener é ainda
praticamente igual a 12 V. Esta é a idéia básica de regulação de tensão.
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45
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Obs.: Pelas especificações do diodo zener analisadas, existem limites máximos e mínimos para
a tensão de entrada e para a resistência limitadora de corrente, dentro das quais o diodo zener
mantém a tensão de saída constante e não corre o risco de se danificar.
Limites de Vent. e Rs
Considerações:
1- Se Is < Izt →zener não regula pois:
Vent . = VRS + VZ como I S = I Z
Vent. = I S .RS + VZ
então :
Vent .(min) = RS (max) .I Z (min) + VZ
2- Se Is > Iz(max) → o diodo zener se danifica por excesso de dissipação de potência, e
portanto, devemos Ter:
Vent .(max) = RS (min) .I Z (max) + VZ
8-5. Regulador Zener
O circuito abaixo mostra um diodo zener usado para regular a tensão através da resistência de
carga. Observe atentamente o circuito e estude bem os pontos a serem analisados.
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46
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Pontos a serem analisados:
a) Se o diodo esta funcionando na região de ruptura
⎛ RL
Vth = ⎜⎜
⎝ RL + RS
⎞
⎟⎟.Vent .
⎠
b) Corrente em série
IS =
Vent . − VZ
{ Vsaída ≅ VZ ⇒ I L = VZ
RS
RL
IS = IZ + IL → IZ = IS − IL
Assim, faz-se necessária uma análise mais detalhada do circuito regulador de tensão quando
neste é ligada uma carga. Basicamente, o projeto de um regulador de tensão consiste no
cálculo da resistência limitadora de corrente ( Rs ), conhecendo-se as demais variáveis do
circuito, a saber:
•
•
•
•
característica da tensão de entrada ( constante ou com ripple );
característica da carga ( fixa ou variável );
tensão de saída ( valor desejado );
especificações do diodo zener.
c) Dimensionamento do Zener; ondulação na saída e calculo de Rs
c.1) Para Vent.(min)
Vent .(min) = VRS (min) + VZ
VRS (min) = RS .I S (min) e I S (min) = I L (max) + I Z (min)
Vent . (min) = RS (I L (max) + I Z (min) ) + VZ
I L (max) + I Z (min) =
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Vent .(min) − VZ
RS
denominaremos esta equação de equação 1
47
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
c.2) Para Vent.(max)
Vent .(max) = VRS (max) + VZ
VRS (max) = RS .I S (max) e I S (max) = I L (min) + I Z (max)
o pior caso ocorre para R L = ∞ , então I L = 0 e IS(max) = I Z
Vent . (max) = RS (I Z (max) ) + VZ
I Z (max) =
Vent .(max) − VZ
RS
denominaremos esta equação de equação 2
Agora iremos relacionar a equação 1 com a equação 2 e obtemos:
I L (max) + I Z (min)
I Z (max)
=
[
Vent .(min) − VZ
Vent .(max) − VZ
] [
][
I Z (max) Vent .(min) − VZ = I L (max) + I Z (min) Vent .(max) − VZ
] [[VV
[
I Z (max) = I L (max) + I Z (min) .
ent .(max)
− VZ
ent .(min)
− VZ
]
]
]
Esta ultima equação é o valor calculado da corrente máxima que irá atravessar o diodo zener,
assim devemos Ter sempre em mente que I Z (max) ≥ I Z (max)Calculado .
c.3) Ondulação
I S (max) =
Vent .(max − VZ
RS
e
I S (min) =
Vent .(min) − VZ
RS
A ondulação na carga será a variação da tensão de entrada mais alta
menos a tensão de entrada mais baixa, assim subtraíndo as equações temos :
I S (max) − I S (min) =
ΔI S =
Vent .(max) − Vent .(min)
RS
ΔVent .
⇒ ΔVent . = RS .ΔI S
RS
em intem anterior vimos que ΔVZ = RZ .ΔI Z
Considerando a razão entre a ondulação de entrada e a ondulação na saída temos:
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48
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
ΔVZ
R .ΔI
= Z Z para um R L cte. podemos escrever :
ΔVent . RS .ΔI S
ΔVZ
R
= Z
ΔVent. RS
c.4) Cálculo de Rs
RS (max) ≤
Vent .(min) − VZ
I L (max) + I Z (min)
e RS (min) ≥
Vent .(max) − VZ
I Z (max)
Assim : RS (min) ≤ RS ≤ RS (max)
Problemas
1- A tensão da fonte varia de 40 V para 60 V no circuito abaixo. Se o diodo zener tiver
uma resistência zener de 10 Ω, qual a variação na tensão da carga?
2- No circuito elétrico abaixo, qual o valor aproximado da corrente zener para cada uma das
seguintes resistência de carga:
a. RL = 100 K Ohms;
b. RL = 10 K Ohms;
c. RL = 1 K Ohms
3- Suponha que a fonte do circuito anterior tenha uma ondulação de pico a pico de 4 V. Se a
resistência zener for de 10 Ω, qual a ondulação de saída?
4- Para que valor da resistência de carga o regulador anterior para de funcionar?
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49
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
5- Qual o valor crítico da resistência em série no circuito anterior, se a resistência de carga for
de 1 KΩ?
6- No 1N1594 do circuito abaixo, Vz = 12 V e Rz = 1,4 Ω. Qual a tensão da carga? Qual a
corrente zener? Qual a ondulação de saída se na entrada a ondulação é de 5 V de pico a
pico?
7- Escolha um valor de resistência em série para um regulador zener chegar às seguintes
especificações: a tensão da fonte varia de 30 V para 40 V, a corrente de carga varia de 10
a 25 mA e a tensão da carga é de 12 V.
8- Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificações : a tensão da carga
é de 6,8 V, tensão da fonte de 20 V ± 20%, e corrente de carga é de 30 mA ± 50%.
9- A ondulação de entrada num regulador zener é de 4 Vpp. A tensão da fonte é de 30 V, a
resistência da fonte de 1 K Ohms e a resistência de carga de 820 Ohms. A tensão de carga
deve ser de 12 V. Especifique um diodo zener que produzirá um regulador zener
estabilizado.
10- Com relação ao exercício dois, qual a tensão da carga para cada uma das condições
abaixo:
a.
b.
c.
d.
um diodo zener em curto;
um diodo zener aberto;
um resistor em série aberto;
o resistor de carga em curto
Alem disso, o que acontece com a tensão da carga e com o diodo zener se o resistor em série
estiver em curto?
11- Com relação ao exercício seis, o diodo 1N1594 tem uma tensão zener de 12 V e uma
resistência zener de 1,4 Ohms. Se você medir aproximadamente 20 V para a tensão de
carga, que componente você sugere que está com defeito? Explique por quê.
12- Utilize os mesmos dados do exercício anterior, exceto que você mede 30 V através da
carga e um ohmímetro indica que o diodo zener está queimado. Antes de substituir o diodo
zener, o que você deve testar?
13- Para o circuito abaixo, desejamos calcular qual a máxima e mínima carga para o regulador
funcionar corretamente. Dados:
Vent. = 9 Volts ± 10%, Iz min = 10 mA, Pz max = 400 mW, Vz = 5,6 V e Rs = 47 Ohms x ½ W.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
14- O diodo zener mostrado no circuito de ampliação de medidor; é um diodo de referência de
12 V. Para que valores o medidor pode ser ajustado? Considere a escala do medidor linear
de 0 a 500 mA e sua resistência interna de 1 Ohm.
15- A figura abaixo mostra um circuito ac com diodo zener na saída. A curva característica do
diodo está representada ao lado. Esboce a forma de onda de saída e determine o tempo
de condução do diodo durante cada ciclo.
16- Determinar a corrente do LED para o circuito abaixo. Qual a aplicação básica para este
circuito?
9. Transistor de junção Bipolar ( TjB )
Informações preliminares
O transistor bipolar é constituído de duas junções PN conforme o esboço simplificado abaixo,
podemos obter dois dispositivos que são denominados: TjB do tipo NPN e TjB do tipo PNP. Os
eletrodos recebem os seguintes nomes: Emissor, Coletor e Base, cada região tem uma função
especifica e recebe uma dopagem diferenciada de forma simplificada temos: emissor
densamente dopado, base levemente dopada e muito estreita e o coletor recebe uma dopagem
intermediária.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Potencial de Barreira
Para os transistores de silício temos um Vγ = 0,7 V @ 25ºC e para o transistor de germânio
temos Vγ = 0,3 V @ 25ºC, as camadas de depleção são diferentes entre as duas junções para
ambos os transistores NPN e PNP, sendo base-emissor menor do que base-coletor.
Polarização externa
Podemos Ter três polarizações à saber: polarização direta-direta, polarização reversa-reversa e
a que nos interessa onde teremos o que denominamos de efeito transistor a polarização diretareversa.
Parâmetros Elétricos do Transistor
Pelo fato de termos três terminais poderemos Ter formas distintas de conexão do TjB à saber:
Base-Comum, Emissor-Comum e Coletor-Comum, cada configuração nos dará um parâmetro
para analise.
a) Ganho de corrente estático na configuração de Base-Comum (
α=
h f B ou α )
IC
; esta relação mostra o quanto a corrente de coletor se aproxima da corrente de
IE
emissor.
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52
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
b) Tensão de ruptura ( Breakdown )
BVBE → Baixa
BVCE → Alta
Estes valores dependem: - Camada de depleção e da dopagem das
junções.
c) Ganho de corrente estático na configuração Emissor-Comum ( h f E ou β )
d) Relação entre α e β
Exercício – Determinar β sabendo-se que α é igual a 0,987.
Região ativa
Para que o TjB opere na região ativa devemos utilizar a seguinte técnica de polarização:
a. Diodo emissor diretamente polarizado;
b. Diodo coletor reversamente polarizado;
c. A tensão do diodo coletor não deve exceder a tensão de ruptura.
Assim quando estas condições são satisfeitas dizemos que o TjB é um dispositivo ativo, pois
ele é capaz de amplificar um sinal. Daí o seu nome – Transfer Resistor; ou seja temos um
Resistor de Transferência, pois o mesmo é capaz de transferir uma corrente de uma região de
baixa resistência para uma região de alta resistência.
Modelo equivalente do TjB ( Modelo de Ebers-Moll )
Este modelo leva em consideração as características estáticas do transistor, limitando a
utilização em baixas freqüências onde não são considerados os efeitos parasitas de
capacitância. O modelo parte do princípio que o transistor é um dispositivo simétrico, onde
qualquer um dos terminais pode assumir em relação à base a função de emissor ou coletor.
Exemplo:
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53
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Da física dos semicondutores temos que o diodo emissor:
⎛ qVBE
⎞
I EF = I ES ⎜ e K .T − 1⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
qVCB
⎛
⎞
I CR= I CS ⎜ e K .T − 1⎟
⎜
⎟
⎠
⎝
Com a polarização direta no diodo emissor e inversa no diodo coletor, o modelo pode ser
simplificado, pois I EF 〉〉α R I CR , onde a corrente de fuga é desprezível em polarização direta.
Esta equação implica em que I CR ≅ 0 . Desta maneira, o modelo assume a seguinte forma:
A corrente I CBO é então uma corrente de fuga da junção de coletor inversamente polarizada
que consiste de elétrons gerados termicamente na região P da junção de coletor ( do diodo )
para a N e de buracos gerados no coletor que cruzam a junção em direção à base. Os elétrons
de I CBO são então altamente dependentes da temperatura, somando-se a corrente α .I E ;
assim:
Temperatura aumenta → (
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α .I E + I CBO
) aumenta
54
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Efeitos – pior caso temos avalanche térmica, e deslocamento do ponto de operação.
O modelo acima é intuitivo em função das junções PN utilizando uma aproximação simétrica de
dois diodos, caracterizando bem uma configuração Base-Comum. Para a configuração
Emissor-Comum temos a corrente I CRO de fuga onde com as equações do modelo acima
temos:
I C = α .I E + I BO e I E = I C + I B ; como exercício desenvolver uma equação para I CEO .
Supondo no modelo que a corrente de fuga é desprezível obtemos um modelo resultante
simplificado.
Estas simplificações são: A tensão VBE é aproximadamente 0,7 V para o silício, a queda de
'
tensão I B .r b é desprezível, I E aproximadamente igual a I C o que implica que alfa é
aproximadamente igual a 1.
O modelo descrito acima é um circuito equivalente do transistor para grandes sinais, já para
pequenos sinais, onde pequenas variações da tensão ou corrente de entrada induzem a
pequenas variações do ponto de polarização do transistor, onde devem ser utilizados outros
circuitos equivalentes. Os mais conhecidos são o “T”, o “Híbrido”, sendo este ultimo adequado
à altas freqüências. Em nosso curso apenas utilizaremos o modelo de Ebers-Moll, os demais
serão visto em um curso com maior profundidade.
9-1. Reta de Carga ( Característica do Coletor ) I C xVCE
O tratamento gráfico de um circuito transistorizado utiliza o conceito de reta de carga.
Considerando-se uma configuração emissor-comum, temos um resistor de carga de
coletor juntamente com a característica gráficos de saída I C xVCE .
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55
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Supõe-se uma reta as características de coletor cujo coeficiente angular representa a
característica tensão-corrente da carga, no nosso caso resistência de coletor. A equação de
saída do circuito de I C = f (VCE ) fica:
VCC = I C .RC + VCE → I C =
VCC − VCE
RC
Fazendo I C = 0, obtemos que VCE = VCC que é o primeiro ponto da reta. Para o segundo
ponto, fazemos com que VCE = 0 , onde obtemos
IC =
VCC
.
RC
Estes dois pontos resulta em uma reta cuja inclinação é
reta é
y = a.x + b isto implica em :
IC = −
−
1
. Lembrando que a equação da
RC
V
1
VCE + CC
RC
RC
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56
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Para um aumento de
VCC no circuito temos um deslocamento da reta de carga. O ponto
quiescente de polarização é obtido então em função da definição da corrente de base. O
exemplo numérico abaixo está desenvolvido em função do circuito de saída logo:
Especificações Básicas do TjB
VCEO = Tensão entre coletor e emissor com base aberta ( reverso );
VCBO = Tensão entre base e coletor com emissor aberto ( reverso );
VEBO = Tensão entre emissor e base com coletor aberto ( reverso );
PD = Potência dissipada máxima do coletor;
I C = Corrente de coletor máxima.
PD = I C .VCE
Estas informações e outras são fornecidas pelo fabricante em literatura especifica
denominadas de livros de dados os DATA BOOKS.
9-2. Operações Básicas do TjB
Temos duas operações básicas do transistor que pode ser observada na curva característica
do coletor a saber:
a) Operação como crave;
b) Operação como fonte de corrente ( o TjB trabalha na região de compliance ).
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57
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Operação como Chave
Esta operação se destina em aplicações onde desejamos que o transistor opere como se fosse
um interruptor ou seja ora esteja saturado e ora esteja cortado. Este tipo de aplicação encontra
utilidade quando desejamos controlar uma carga a partir de circuitos lógicos por exemplo. O
transistor operando como chave encontra grande aplicação nos circuitos lógicos ou seja na
construção de portas lógicas.
Acionamento de pequenas cargas
O circuito abaixo pode ser otimizado para acionarmos pequenas cargas, tais como lâmpadas
piloto, diodos emissores de luz ( LED ) e relês. O que se faz é produzir uma corrente de base
suficiente para saturar o TjB; assim o mesmo conduz fortemente e toda a tensão da fonte
aparece nos terminais da carga ( Rc ). Neste tipo de operação não se faz nenhuma tentativa de
colocar o TjB na região ativa. Assim quando temos um sinal na sua base o mesmo satura e
quando retiramos o sinal de sua base o TjB corta. Veja o exemplo abaixo.
Exercícios básicos
1- A fig. X1 abaixo mostra um circuito de chaveamento com transistor acionado por uma
tensão em degrau. Determine a corrente de coletor e a tensão entre coletor e emissor para
zero Volts na base e +5 V. Na fig. X2 temos uma ligeira variação do projeto, o circuito pode
ser denominado comando do LED porque o transistor controla o LED. Determine a corrente
do LED para tensão da base igual a zero e depois para +5 V. Obs. tensão do LED 2,1 V.
2- Se a corrente do emissor for de 6 mA e a corrente do coletor de 5,75 mA, qual o valor da
corrente da base? Qual o valor de α?
3- Um transistor tem uma corrente de coletor de 100 mA e uma corrente de base de 0,5 mA.
Quais os valores de α e β?
4- Qual a corrente da base para o circuito da fig. X3? Qual a tensão do coletor-emissor? O
transistor está em saturação ou em corte?
5- Suponha que ligamos um LED em série com o resistor de coletor do circuito da fig. X3.
Qual o valor da corrente do LED? Comente a respeito do brilho do LED.
6- Qual o valor da corrente da base para o circuito da fig. X4? Qual a corrente do coletor?
Qual a tensão coletor-emissor?
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7- Desenhe a reta de carga para o circuito abaixo. Qual o valor de saturação da corrente do
coletor? Qual a tensão de corte?
8- Qual o valor da corrente do coletor para o circuito anterior? Qual a tensão entre o coletor e
o terra? Qual a tensão do coletor-emissor?
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9- Qual a máxima corrente possível para o coletor do circuito abaixo? Se a tensão na base for
de 2 V, qual a tensão do coletor ao terra?
10- Para o circuito anterior, a tensão na base é de 10 V. Qual a tensão do coletor-emissor?
11- Se a tensão na base para o circuito abaixo for de 5 V, qual a corrente do LED? Qual a
tensão do coletor para o terra?
Problemas de aplicação
1-
Conforme o circuito da fig. X5a abaixo determine o valor de RB para que o transistor
funcione como chave e acione o relê todas as vezes que tivermos nível alto na base do
TjB. Dados: Corrente de atracamento do relê é de 250 mA, tensão de saída do circuito
lógico 5 Vcc, ganho do transistor β = 300 e Vcc = 12 V. Faça um comentário a respeito da
função do diodo D1 no circuito?
2-
Determinar o Valor de RB e RC para o acionamento do LED no circuito da fig. X5b. Dados
+ Vcc = 15 V, I LED = 25 mA, I B = 10% da corrente de coletor, Vbb = 2 V e β = 400.
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Para o circuito da fig. X5c, calcular RE para que o LED funcione com suas características elétricas dada
pelo fabricante a saber I LED = 40 mA e tensão do LED de 2,2 V. Outros dados: Vcc = 12 V e Vbb = 5 V.
Qual a vantagem deste circuito em relação ao anterior ? Comente.
Verificação de defeitos
3-
No circuito do exercício quatro (4) série anterior, a tensão do coletor ao terra é de 20 V.
Qual a causa provável do problema?
a. Terminais do coletor-emissor em curto;
b. Resistor de 10 K Ohms aberto;
c. Resistor de 47 K Ohms aberto;
d. Terminais do coletor-base em curto.
Justifique.
4-
A tensão do coletor ao terra do circuito do exercício sete (7) série anterior indica uma
leitura de aproximadamente 3 V. Em qual das seguintes opções está a causa do
problema? Justifique.
a.
b.
c.
d.
Resistor de 10 K Ohms em curto;
Resistor de 1,8 K Ohms aberto;
Terminais da base-emissor em curto;
Terminais do coletor-emissor em curto.
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5- A tensão do coletor ao terra do circuito do exercício sete (7) série anterior indica uma
leitura de aproximadamente 3 V. Em qual das seguintes opções está a causa do problema?
Justifique.
a.
b.
c.
d.
Resistor de 10 K Ohms em curto;
Resistor de 1,8 K Ohms aberto;
Terminais da base-emissor em curto;
Terminais do coletor-emissor em curto.
6- Com a tensão da base retirada na exercício seis (6) da série anterior, a tensão do coletoremissor é de aproximadamente zero. Relacione algumas das possíveis causas.
7- O LED do exercício onze (11) série anterior esta ligado ou desligado para cada uma das
seguintes condições:
a.
b.
c.
d.
Terminais do coletor-emissor em curto;
Resistor de 100 Ohms aberto;
Terminais do coletor-emissor abertos;
Junta de solda fria na extremidade aterrada do resistor de 100 Ohms.
Projeto
1- Projete o circuito da figura X6, para obter uma corrente saturada de 5 mA para o coletor.
2- Projete a fonte de corrente da figura, X7 para estabelecer uma corrente do LED de
aproximadamente 35 mA para um Vbb de 5 V.
3- Projete um transistor chave semelhante ao do exercício um (1) que atinja as seguintes
especificações: Vcc = 15 V, Vbb = 0 ou 15 V e corrente de saturação do coletor de 5 mA.
4- Projete um acionador de LED como o do exercício dois (2) que cheque às seguintes
especificações: Vcc = 10 V, Vbb = 0 ou 10 V, e corrente do LED de 20 mA.
Desafio
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
1-
Se Vbb = Vcc num transistor chave, uma rápida regra de projeto para a saturação deve
satisfazer esta condição:
RB
= 10 . Utilize recursos matemáticos para provar que esta
RC
relação é aproximadamente correta.
2-
A fig. abaixo mostra uma conexão Darlington de dois transistores. Responda às seguintes
perguntas:
a. Qual a tensão através do resistor de 100 Ohms?
b. Qual o valor aproximado da corrente do coletor no primeiro transistor se o segundo
transistor tiver um β de 150?
c. Se o primeiro transistor tiver um β de 100 e o segundo transistor tiver um β de 150, qual a
corrente da base no primeiro transistor?
3-
Responda estas questões para o circuito da figura abaixo:
a. Qual o valor da corrente do LED quando Vbb for zero?
b. Qual a corrente do LED se Vbb for de 10 V?
10. Chaveamento em alta freqüência – Análise dos tempos reais de comutação do TjB
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Todo TjB necessita de um tempo finito para mudar de estado ou seja para ligar e para desligar.
Veremos agora quais são os fatores importantes que controlam os tempos de comutação para
um transistor de junção bipolar.
Capacitâncias – ( CBC e CBE ) – estas capacitâncias carregam e descarregam a cada
transição na entrada e levam um tempo finito para fazê-lo, controlando os tempos tON e tOFF .
td – tempo de atraso ( delay time ) é o tempo decorrido entre o chaveamento na entrada até
90% de Vcc; é devido à CBE ;
tr – tempo de subida ( rise time ) é o tempo decorrido entre 90% à 10% de Vcc. Serve para
estabelecer a concentração de elétrons na base a fim de saturar o TjB;
A soma de td e tr fornece o tempo tON ou tempo de ligação ( Turn-On-Time ), assim
tON = td + tr .
ts – tempo de armazenamento ( storage time ) decorre entre o chaveamento na entrada até
90% de Vcc. É o tempo para remover o excesso de elétron da base;
tf – tempo de descida ( fall time ) é o tempo entre 90% de Vcc e 10% de Vcc. Serve para a
descarga de C BC .
A soma de ts e tf fornece o tempo tOFF ou tempo de desligamento ( Turn-Off-Time ).
Obs.: Todos os tempos envolvidos na operação do TjB como chave, determinam o limite de
operação do mesmo. Uma das maneiras de diminuir os tempos de comutação é adicionar um
capacitor de comutação CC ou ( speed-up ). Este capacitor deve estar compreendido entre:
t
Qt
≤ CC ≤ P
2.V pp
5.RB
Onde:
Qt = capacidade de carga do TjB;
CC = capacitor de comutação;
t P = largura do pulso de entrada;
RB = resistor de base;
VPP = tensão de pico a pico de entrada.
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Exemplo numérico – Dados: β = 150, corrente de coletor de saturação 50 mA, tensão entre
coletor e emissor de saturação 0,2 V, tensão de base e emissor de saturação 0,7 V,
capacidade de carga do TjB 400 pC e a forma de onda de entrada quadrada com 6 Vpp e
freqüência de 10 KHz.
10-1. Aplicação básica da operação como chave
Multivibrador Biestável
Trata-se de um circuito eletrônico que possui dois estados estáveis possíveis, e que pode ser
controlado pela aplicação de um impulso de curta duração. Uma vez disparado o biestável
mantém o seu novo estado para além da aplicação do impulso. Aos Biestáveis dá-se o nome
de Flip-Flop ou Latches, são constituídos a partir de dois comutadores transistores acoplados
em cruz. Temos duas saídas denominadas Q e Q’ ( Q’ trata-se do complemento de Q ) e duas
entradas denominadas de Set e Reset ( S e R ).
A ação de um biestável pode ser descrita por uma tabela denominada tabela da verdade ou
simplesmente tabela verdade. Observe a tabela abaixo:
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Ent. R
Ent. S
0
0
0
1
1
0
1
1
* Estado anterior – reter, manter ( Hold ).
Saída Q
1
0
1
Q*
Saída Q’
1
1
0
Q’*
Estado
Proibido
Reset
Set
Não muda*
Para obtermos um multivibrador biestável devemos fazer com que os transistores do circuito
operem como chave. Este tipo de aplicação é utilizado na eletrônica industrial e digital como
comentado anteriormente. Assim faremos com que o TjB opere apenas em duas regiões da
reta de carga no corte e/ou na saturação; lembrando:
Corte → I B = 0 ⇒ I C = I CEO ⇒ VCE = VCC
Saturação → I B = I B ( sat ) → I C =
VCC
⇒ VCE = VCE ( sat ) ≅ 0,2 V.
RC
Análise do circuito ( Observar os circuitos abaixo )
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11. Operação como fonte de corrente
Trata-se da aplicação mais importante do transistor pois com esta operação podemos
estabelecer através de circuitos denominados circuitos polarizadores um ponto de operação
que o TjB possa receber sinais elétricos e amplifica-los. Assim passaremos à estudar o TjB
como fonte de corrente e analisar os diversos circuitos polarizadores no intuito de acharmos o
circuito melhor.
11-1. Polarização dos Transistores de junção Bipolar ( TjB )
O objetivo dos circuitos polarizadores é de manter o transistor em um ponto de operação fixo
determinado pelo projeto do circuito, mesmo em condições criticas; como variação da
temperatura, variação do beta e outros. Assim vamos verificar os circuitos comuns de
polarização e separar o método mais adequado ao funcionamento do circuito.
Tipos de polarização
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Polarização da base;
Polarização com realimentação do emissor;
Polarização com realimentação do coletor;
Polarização com realimentação do coletor e do emissor;
Polarização por divisor de tensão ( Polarização Universal );
Polarização do emissor.
A partir de agora iremos apresentar um breve comentário de cada uma das polarizações
citadas, bem como o circuito especifico de cada polarização. Porem a análise do circuito,
comentários de funcionamento e as equações básicas que rege cada polarização será feita em
sala de aula, pois uma análise mais profunda iria tomar uma grande quantidade de paginas
desta apostila, tirando o objetivo da mesma que é de oferecer uma informação básica e rápida.
Mas fique tranqüilo nas aulas teóricas o assunto será abordado com profundidade adequada
para o entendimento de projetos de polarização.
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67
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11-2. Circuitos Polarizadores
a) Polarização da base
Trata-se do pior método de polarização, pois o ponto de operação ( ponto Q ) é extremamente
instável. O ganho do transistor ( β ) pode variar muito de um transistor para outro além disto o
parâmetro β varia muito com a temperatura. Isto significa que na troca de transistores e até
mesmo com aumento da temperatura teremos um ponto de operação extremamente instável (
ponto Q mudando de posição sob a reta de carga ). Isto demonstra que para um circuito linear
torna impossível o uso da polarização de base. Abaixo o circuito básico para posterior análise.
Um exemplo numérico:
Seja os dados abaixo, determinar Rb e Rc.
Dados: Vcc = 15 V, Vce = 7,0 V, Ic = 50 mA, Vbe = 0,7 V e β = 150
Resolução:
IC =
RC =
β (VCC − VBE )
RB
⇒ RB =
β (VCC − VBE ) 150(15 − 0,7 )
IC
=
50 x10 −3
= 42,9 KΩ
15 − 7
VCC − VCE
=
= 160Ω
IC
50x10 −3
Resolva para: Vcc = 12 V, Vbe = 0,67V, Ic = 1mA e β = 120. Achar Rc e Rb.
b) Polarização com realimentação do emissor
A idéia é de se usar um resistor de emissor para compensar as variações em beta. A principio
a idéia é boa, mas na pratica deve se encontrar um valor para o resistor do emissor o maior
possível, mas sem saturar o TjB. Obs.: A palavra realimentação é usada para indicar uma
quantidade na saída ( Ic ) que produz uma variação em uma quantidade de entrada ( Ib ). O
resistor do emissor é o elemento de realimentação, pois é comum a entrada e a saída. Abaixo
temos o circuito básico referente a polarização para posterior análise.
c) Polarização com realimentação do coletor ( Autopolarização )
Neste circuito o resistor da base é reconduzido ao coletor e não a fonte de alimentação, esta
característica o diferencia da polarização da base. Abaixo temos o circuito básico para posterior
análise.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Orientação para um projeto com realimentação do coletor
Desejamos que o ponto de operação ( ponto Q ) esteja situado nas proximidades do centro da
reta de carga assim V CE Q =
V CC
2
. Então podemos escrever, utilizando o modelo acima e
LKT:
VCC = VRC + VCEQ ⇒ VCC = I CQ .RC +
VCC −
VCC
2
VCC
V
V
= I CQ .RC ⇒ CC = I CQ .RC ⇒ RC = CC
2
2
2.I CQ
⎡V
I C .RB
R ⎤
V
VCC − VBE = I CQ ⎢ CC + B ⎥ ⇒ VCC − VBE = CC + Q
β
2
⎢⎣ 2.I CQ β ⎥⎦
I C .RB
V
⎡V
⎤
VCC − VBE − CC = Q
⇒ ⎢ CC − VBE ⎥.β = I CQ .RB
β
2
⎣ 2
⎦
⎡V
⎤
β .⎢ CC − VBE ⎥
2
⎦
RB = ⎣
I CQ
Exercícios
1- Calcule o valor da corrente de saturação do coletor para o circuito abaixo. A seguir, calcule
a corrente de coletor para estes dois valores de β: 100 e 300.
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2- Para o circuito abaixo, calcule a corrente do coletor para estes dois valores de β: 100 e
300.
3- Para que valor aproximado de β o circuito da figura abaixo se satura. Desenhe a reta de
carga para o mesmo circuito. Se o transistor tiver um β = 80. Qual a tensão entre o coletor
e o terra?
4- Se Vcc = 10 V no circuito abaixo, qual a tensão do coletor em cada estágio? Se Vcc = 15V
para o circuito abaixo, qual a potência dissipada em cada transistor?
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70
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Novas Polarizações:
d) Polarização com realimentação do emissor e do coletor
Esta polarização nada mais é do que uma associação de ambas polarização com
realimentação do emissor e coletor na intenção de reduzirmos ainda mais as variações de β e
evitarmos o disparo térmico. Abaixo temos o circuito básico para posterior análise
Obs.: na prática é costume utilizar para a tensão nos terminais do resistor do emissor uma
queda de tensão em torno de 10% da tensão de alimentação.
e) Polarização por divisor de tensão ( Polarização Universal )
Trata-se de uma das polarizações mais adequada para se estabelecer um ponto de operação
estável devido a isto esta polarização é denominada de polarização universal e por ser a mais
amplamente utilizada. Abaixo temos o circuito básico para posterior análise dc.
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f)
Polarização do emissor
Esta polarização oferece também uma boa estabilidade do ponto de operação ( ponto Q )
semelhante ao divisor de tensão; o único inconveniente é que temos que dispor de uma fonte
de alimentação simétrica. Abaixo o circuito para este tipo de polarização para posterior análise
dc.
Problemas
1- Qual a corrente do LED para a figura K1?
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72
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
2- Qual a tensão do emissor relativamente ao terra para cada estágio da figura K2 se a
tensão de alimentação for de 10 V?
3- Calcule a corrente de saturação do coletor para cada estágio da fig. K2, para um Vcc de 15
V.
4- Faça uma análise completa da figura K2 para Vcc = 20 V calculando para cada estágio os
seguintes valores: Vb, Ve, Vc, Ic e Pd ( potência dissipada ).
5- Na figura K2 Vcc = 20 V. Indique se a tensão do coletor de Q1 aumenta, diminui, ou
permanece constante em cada um dos seguintes problemas:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
1,8 K Ohms está aberto;
coletor-emissor de Q1 em curto;
240 Ohms está aberto;
240 Ohms em curto;
300 Ohms está em curto;
1 K Ohms está aberto;
910 Ohms está aberto.
6- Examine o estágio Q3 da figura K2 para um Vcc de 20 V. A tensão do coletor ao terra é
mais alta, mais baixa ou normal em cada uma das seguintes condições:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.
j.
1 K Ohms está aberto;
1 K Ohms em curto;
180 Ohms está aberto;
180 Ohms em curto;
620 Ohms está aberto;
620 Ohms em curto;
coletor-emissor de Q3 está em curto;
coletor-emissor de Q3 está aberto;
150 Ohms está aberto;
150 Ohms em curto
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73
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
7- A tensão de alimentação é de 15 V na figura K2. Aqui estão as leituras do voltímetro:
Primeiro estágio : Ve = 1,5 V e Vc = 8,9 V;
Segundo estágio : Ve = 0 V e Vc = 15 V;
Terceiro estágio : Ve = 1,6 V e Vc = 8,6 V.
Dê três defeitos possíveis.
8- Projete um estágio com polarização por realimentação do coletor para chegar às seguintes
especificações: Vcc = 20V, Ic = 5 mA e β = 150.
9- Projete um amplificador de dois estágios usando uma polarização por divisor de tensão
estabilizada. A fonte de alimentação é de 15 V e a corrente quiescente do coletor deve ser
de 1,5 mA em cada estágio. Admita um β de 125.
10- Projete uma fonte de corrente pnp como a da figura K3 para atingir estas especificações:
Vcc = 15 V, Vz = 7,5 V, Ic = 40 mA.
11- Calcule as seguintes quantidades na figura K4: Ve, Ic e Vc. ( Admita diodos de silício ).
12- A figura K5 é um exemplo de acoplamento direto entre estágios. Qual o valor de Vsaída?
Se Vent. variar de 2 V para 3 V, qual o novo valor de Vsaída?
13- Na figura K5, compliance da tensão de saída é a faixa máxima da tensão que a saída pode
oscilar quando se varia a entrada. Qual a compliance da tensão na saída do circuito?
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74
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Bem chegamos ao final de nosso estudo básico sobre os transistores bipolares obviamente o
assunto aqui tratado não tem a pretensão de esgotar o assunto pois se trata de um tópico
extremamente amplo. O objetivo desta apostila volto a informar é de oferecer ao aluno de
eletrônica um primeiro contato com o assunto de dispositivo semicondutores a fim de facilitar e
amenizar o trabalho futuro; não esqueça de consultar sempre uma boa literatura técnica
complementar e estudar outros assuntos relacionados pois os tópicos são extensos e também
procure sempre resolver novos exercícios isto lhe trará sólidos conhecimentos na solução de
problemas com dispositivos semicondutores.
BOA SORTE E UM ABRAÇO
Prof. Eng. Romeu Corradi Júnior.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Anexos
Os anexos aqui comentados é uma complementação de informações básicas a respeito de
física dos semicondutores e demais aspectos pertinentes ao assunto dispositivos
semicondutores. Teremos também algumas informações sobre componente e dispositivos
semicondutores.
Anexo 1 –
Estruturas Semicondutoras Básicas
Já tivemos um estudo preliminar as respeito das junções PN que deram origem a diodos
semicondutores onde empregamos a maior parte deles em circuitos retificadores, iremos agora
dar uma ênfase a junções que são capazes de emitir luz.
As fontes luminosas e os fotodetectores usados em comunicações ópticas são realizados com
materiais semicondutores e usam propriedades elétricas e ópticas peculiares a esses materiais.
Essas propriedades são determinadas principalmente pela estrutura das bandas de energia
permitidas para os elétrons, quando os átomos desses materiais são dispostos numa rede
cristalina.
As Bandas de energia
semicondutores )
( complemento no anexo 2
equações básica que rege os
Num semicondutor intrínseco ( sem a presença de impurezas dopantes ) à temperatura zero
grau absoluto ( 0 K ), os átomos estarão ligados entre si por ligações covalentes, de maneira
que cada átomo consiga completar sua última camada eletrônica com os elétrons dos seus
vizinhos. Nesta situação, todos os níveis de energia da chamada camada banda de valência
estarão ocupados com elétrons. As demais bandas de energia estarão, então, vazias. Estando
os elétrons presos às ligações covalentes e estando estas totalmente ocupadas, não há
possibilidade de condução elétrica, o que torna o material isolante a o K.
Em temperaturas diferentes de zero, o efeito da agitação térmica da rede cristalina consiste em
fazer com que alguns elétrons se libertem dessas ligações covalentes, ocupando estados de
energia superiores, e deixando vagos alguns estados na banda de valência. Surge então a
condutividade, que cresce com a temperatura. ( verificar equação no anexo 2 ).
O diagrama básico das bandas de energia de um semicondutor intrínseco está mostrado na
figura 1.
Acima da banda de valência, há um intervalo de níveis de energia onde não há nenhum estado
permitido: é a chamada banda proibida ( band gap ).
A tabela 1.1 mostra, em elétrons Volts ( eV ), o valor da largura da banda proibida E g para os
principais materiais semicondutores utilizados. Acima da banda proibida, surge uma
aglomeração de níveis permitidos de energia conhecida como banda de condução.
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76
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Nesses níveis de energia, os elétrons não estão presos a nenhuma ligação covalente, podendo
então mover-se livremente pelos espaços da rede cristalina, e ser acelerados por campos
elétricos. Por isso, a presença de elétrons da banda de condução faz com que o material
apresente condutividade elétrica, que cresce com a temperatura.
Material
Tipo de
recombinação
Largura da banda
proibida E g (eV )
Coeficiente de
recombinação (
Ga As
1,43
cm3 xs −1 )
7,21x10 −10
Ga Sb
0,73
2,39 x10−10
0,35
8,50 x10−11
In Sb
0,18
4,58 x10−11
Si
1,12
1,79 x10−15
0,67
5,25 x10 −14
2,26
5,37 x10 −14
In As
Ge
Ga P
Direto
indireto
Tabela 1.1 – Características de recombinação de portadores em materiais semicondutores
A distância interatômica típica numa estrutura cristalina semicondutora é da ordem de 5
Angstroms, ou seja, meio nanometro. Em camadas semicondutoras de espessura
micrométrica, há portanto milhares de átomos. Em conseqüência, há também milhares de
níveis distintos de energia na banda de condução, fazendo com que esta se assemelhe a um
continuum. Em certo dispositivos modernos como, por exemplo, os lasers de múltiplos poços
quânticos ( multiple quantum wells, ou MQW ), há camadas extremamente finas, com apenas
dez nanometros de espessura, por exemplo. Nesse caso, a camada tem apenas algumas
dezenas de átomos e por isso sua banda de condução aparece claramente formada por
pequeno número de níveis discretos. Disso depende a melhor monocromaticidade da radiação
produzida, como será visto mais adiante.
Vários mecanismos podem ser responsáveis pelo “bombeamento” de elétrons da banda de
valência para a banda de condução. Os principais mecanismos são: a agitação térmica,
sempre presente em temperaturas não nulas; a absorção de fótons a injeção de elétrons,
presentes em fontes luminosas. Ao abandonar a banda de valência, o elétron deixa uma
ligação covalente incompleta. Como essa ligação pode se mover pelos átomos da rede
cristalina, ela constitui um portador virtual de carga positiva, denominada lacuna.
Mecanismos de fotogeração
Os elétrons da banda de condução acabam retornando à banda de valência por algum
mecanismo. Esse processo é conhecido como recombinação, pois nele o elétron se
“recombina” com uma lacuna, liberando energia. Como essa energia pode ser liberada na
forma de um fóton, a recombinação pode ser um mecanismo de fotogeração. Na realidade, ela
é o mecanismo básico da geração da luz nas fontes semicondutoras. Daí a relação existente
entre a freqüência da radiação emitida e a largura da banda proibida ( figura 2 ):
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77
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Além de conservar a energia, a recombinação deve também conservar momentum. Como o
momentum do fóton é muito pequeno quando comparado com o dos elétrons e lacunas, isto
significa que elétron e lacuna devem ter momentos semelhantes para se recombinarem
radiativamente, ou seja, com a emissão de um fóton. Se isso não acontecer, a recombinação
exigirá a presença de uma terceira partícula capaz de ceder momentum, denominada fonon,
que pode ser produzida, por exemplo, por vibrações da rede cristalina. Com a necessidade de
fonons torna a recombinação menos provável, resulta que o processo é mais eficiente ( para
gerar luz ) naqueles materiais onde eles não são necessários. Esses materiais são conhecidos
como materiais de recombinação direta, ou de banda proibida direta. Neles, os elétrons e as
lacunas que se recombinam com mais facilidade ( respectivamente do fundo da banda de
condução e do topo da banda de valência ) tem momentos parecidos. A tabela 1.1 lista alguns
materiais de banda direta e de banda indireta. A necessidade de recombinação direta em
fontes semicondutoras impede o uso de materiais simples, como silício e germânio, nessas
fontes. São utilizados materiais compostos, como o arsenieto de gálio ( Ga As ), o arsenieto de
gálio-alumínio ( Ga X Al1− X As ), e o arsenieto-fosfeto de gálio-índio ( In X Ga1− X AsY P1−Y ), nos
quais a recombinação é direta. Deve-se notar, entretanto, que eventuais defeitos na estrutura
cristalina do material podem gerar nesses locais grande número de recombinações não
radiativas, prejudicando a eficiência da fonte. Em geral, recombinações não radiativas geram
calor no lugar de luz, o que pode provocar degeneração dos efeitos, acentuando a perda de
eficiência etc. Daí a importância da integridade estrutural e material dos cristais utilizados nas
fontes semicondutoras. Além de ocorrer espontaneamente, conforme descrito na equação 1, a
recombinação também pode ser estimulada pela presença de um fóton:
Recombinação :1 elétron + 1 lacuna + 1 fóton → 2 fótons ( 3)
(estimulada)
Na recombinação estimulada, o novo fóton gerado tende a ser emitido com a mesma fase do
fóton que a estimulou. Por isso, o predomínio da recombinação estimulada sobre a
espontânea, que ocorre nos diodos lasers, está associado à produção de uma luz mais
coerente. Deve-se notar também que a recombinação estimulada é um mecanismo de ganho
óptico, podendo portanto ser utilizado em amplificadores ópticos e osciladores ( lasers ).
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Da mesma forma que os fótons podem ser gerados por recombinação, eles podem também ser
reabsorvidos pelo material. Por isso, para produzir um dispositivo semicondutor que seja
eficiente na produção de luz, é necessário engenhar estruturas semicondutoras que produzam
um grande número de recombinações concentradas em espaços limitados, e que guiem de
alguma forma os fótons resultantes para o exterior do dispositivo antes de sua perda por
absorção. Essas estruturas são necessariamente heterogêneas, podendo envolver diferenciais
de dopagem ( especialmente em junções pn ), e materiais diferente, crescidos epitaxialmente
uns sobre os outros ( heteroestruturas ), para provocar diferenciais nos níveis da banda
proibida. A seguir, serão discutidas brevemente algumas dessas junções básicas. Aqui você
terá uma idéia mais ampla de funcionamento de uma junção pn que foi utilizada na fabricação
de diodos semicondutores utilizados como retificadores.
A Junção pn
A junção pn surge quando o interior de um material semicondutor é dopado com impurezas de
tal maneira que, de um lado da junção há predominância de elétrons livres sobre lacunas,
enquanto do outro predominam as lacunas sobre os elétrons. O lado em que predominam
elétrons é denominado tipo n, enquanto onde predominam as lacunas se diz que o material é
do tipo p.
Num semicondutor intrínseco ( sem impurezas ), uma lacuna é produzida toda vez que um
elétron livre é gerado. Então, as densidades de elétrons e lacunas são rigorosamente iguais
entre si, e são representadas por ni . A densidade ni é função crescente da temperatura.
Num material semicondutor simples como silício ou germânio, a predominância de elétrons
livres sobre lacunas pode ser obtida pela adição de impurezas do grupo V como fósforo e
arsênio, que tem cinco elétrons na camada eletrônica mais externa. Como apenas quatro
elétrons são suficiente para manter as ligações covalentes com os átomos vizinhos ( que são
do grupo IV ), o quinto elétron fica muito fragilmente ligado ao átomo da impureza. Na
temperatura de zero absoluto, esses elétrons ocupam um nível de energia dentro da banda
proibida, chamado nível doador, muito próximo a banda de condução ( figura 3 ). Em
temperaturas normais, a agitação térmica é suficiente para que um elétron de cada átomo
doador pule deste nível para a banda de condução. Esses elétrons, porém, não deixam
lacunas livres na banda de valência; deixam apenas cargas positivas presas na estrutura
cristalina, representadas pelos átomos doadores carregados positivamente.
Para obter o material tipo p, usa-se ( no silício ou no germânio ) impurezas do grupo III,
denominadas aceitadoras. Com apenas três elétrons na camada eletrônica externa, esse
átomos facilmente aceitam elétrons dos átomos vizinhos, criando lacunas livres sem a
contrapartida da subida de elétrons para a banda de condução ( Figura 3b ).
Macroscopicamente, as lacunas são neutralizadas por cargas negativas presas, localizadas
nos átomos de impurezas aceitadoras.
É interessante observar que, qualquer que seja a dopagem do semicondutor, a taxa
geração de novos pares elétron-lacuna pelo efeito da agitação térmica é a mesma
semicondutor intrínseco. Em condições de equilíbrio, essa taxa é igual à taxa
recombinações, que, naturalmente, é proporcional à densidade de elétrons n e à densidade
lacunas p. Sendo g (T ) a taxa de geração de pares elétron-lacuna, tem-se então:
a) no semicondut or intrínseco : g (T) = K r x ni
de
do
de
de
2
b) no semicondut or dopado : g (T) = K r n0 p0
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79
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Onde K r é uma constante de proporcionalidade, n0 é a densidade de equilíbrio dos elétrons,
e p0 é a densidade de equilíbrio das lacunas. Comparando as duas expressões, tem-se:
n0 p0 = ni2 .
Tornando a densidade de impurezas dopantes bem superior a ni , pode-se determinar o
predomínio de n0 sobre p0 no semicondutor tipo n, ou de p0 sobre n0 no tipo p. No
semicondutor tipo p, p0 é essencialmente dado pela concentração de impurezas aceitadoras,
enquanto no semicondutor tipo n a concentração de impurezas doadoras determina n0 .
Em materiais compostos como arsenieto de gálio ( Ga As ) e o arseneto de gálio-alumínio ( Ga
Al As ), comumente usados em fontes ópticas, a dopagem é feita com impurezas do grupo IV (
silício, germânio ou estanho ), tanto para o material tipo p como para o tipo n. Quando o átomo
dopante do grupo IV substitui o átomo do grupo III ( gálio ou alumínio ), ele funciona como
doador, pois tem um elétron a mais, resultando então um material tipo n. Quando a mesma
impureza substitui o átomo de arsênio, porem, ela funciona como impureza aceitadora,
produzindo um material tipo p.
Conforme foi visto acima, a dopagem em si em nada altera a taxa de recombinações num
material semicondutor homogêneo: daí a necessidade da junção pn para estimular as
recombinações em regiões localizadas do cristal. A idéia é que, como há abundância de
lacunas no lado p da junção e de elétrons no lado n, as imediações da superfície de transição
entre aos dois lados possam ser um local privilegiado para a ocorrência de recombinações
fotogeradoras em fontes luminosas.
Para que isso ocorra, entretanto, é necessário que a junção seja polarizada, isto é, que seja
estabelecida uma diferença de potencial entre os dois lados.
Se a junção não for polarizada, a difusão de elétrons, para o lado p, e de lacunas , para o lado
n, faz com que surja uma região esvaziada ( em inglês, depleted region ) de portadores de
carga em torno da transição entre dopagens, pelo efeito das recombinações ( figura 4 ).
Restam nesta região esvaziada as cargas presas dos átomos dopantes, positivas no lado n e
negativas no lado p. Em conseqüência, surge na região esvaziada um campo elétrico que age
no sentido de repelir a penetração dos portadores majoritários ( elétrons no lado n e lacunas no
lado p ), estancando as recombinações na junção.
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80
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
A ação do campo elétrico na região esvaziada pode ser vista como uma barreira de potencial
para os portadores majoritários ( figura 5 ). Conectando-se o lado p a um potencial elétrico
superior ao lado n, tem-se o que é conhecido como uma junção polarizada diretamente. Sob o
efeito da polarização direta, os elétrons do lado n e as lacunas do lado p são empurrados na
direção da junção, produzindo um estreitamento da camada esvaziada e, consequentemente,
uma redução da barreira de potencial. Parte da barreira é transferida para a queda ôhmica no
material dos dois lados, de modo que a barreira fique reduzida ( figura 5b ). Essa redução
facilita a penetração de portadores de carga majoritários de ambos os lados através da
barreira. Cria-se assim uma região de coexistência de grande número de recombinações. Se o
material for recombinação direta, haverá geração de luz ( fótons ) caso dos LED’s; a região
onde isso ocorre é então chamada de região ativa. Tendo em vista a maior mobilidade dos
elétrons em relação às lacunas, a região ativa tende a ocorrer mais para o lado p da junção.
Quando, por outro lado, o lado p é conectado a um potencial inferior ao do lado n, dizemos que
a junção está polarizada reversamente. Nesse caso, os potenciais externos agem no sentido
de atrair os portadores majoritários ( elétrons no lado n e lacunas no lado p ) para longe da
junção. Em conseqüência, a região esvaziada se alarga e a barreira de potencial cresce até
igualar-se ao potencial externo. Não havendo injeção de portadores de um lado para outro da
junção, a corrente fica então limitada à geração de novos portadores na região esvaziada, que
pode ocorrer segundo dois mecanismo principais: a) a agitação térmica, que gera a chamada
corrente escura ( dark current ), que independe da tensão reversa aplicada, sendo
essencialmente uma função crescente da temperatura e decrescente da largura da banda
proibida do material utilizado; b) a absorção de fótons, que gera a fotocorrente nos
fotodetectores.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Como pode ser visto, a junção pn pode ser usada como estrutura semicondutora básica, tanto
em fotoemissores como em fotodetectores. Nos fotoemissores, a junção é polarizada
diretamente para produzir luz a partir da corrente injetada de fora. Nos fotodetectores, a junção
é polarizada reversamente para produzir a fotocorrente a partir da absorção de fótons
incidentes.
ANEXO 2 –
Um pouco de Física dos semicondutores
-
Níveis atômicos de energia
Potencial de ionização – processo que faz com que o elétron saia completamente da banda de
valência, observe o gráfico de energia abaixo:
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
fenômeno de transporte em semicondutores
-
Corrente
METAL – fluxo de elétrons ( cargas negativas )
SEMICONDUTOR - fluxo de ambas as cargas positiva ( lacunas ) e negativas ( elétrons )
densidade de corrente
-
Se n elétrons estão contidos em um condutor de comprimento L, e se um elétron leva t
segundos para atravessar a distância de L metros no condutor, o número total de elétrons que
n
→ por
t
n.q
e ν =
definição i é carga total por segundo pela área, assim podemos escrever: i =
t
L
L
, assim podemos escrever :
velocidade média de deriva que dado por υ =
⇒t =
t
υ
n.q
n.q.υ
.
i=
⇒
L
L
passam através de qualquer seção reta do condutor, por unidade de tempo é
υ
Por definição – densidade de corrente é a corrente por unidade de área do meio condutor,
assim :
i
J ≅
⇒
A
n.q.υ
L ⇒ n.q.υ
A
L. A
lembrando que compriment o x área = volume, então :
n
→ concentraç ão de elétrons por m 3 = M
L.A
J = M .q.υ → onde M .q → densidade de carga ( ρ )
J = M .q.υ = ρ .υ
Obs.: ν = velocidade média é proporcional a ε = campo elétrico, então
mobilidade das cargas no semicondutor a saber:
μn
= 3900 (Ge) e 1350 (Si)
μp
= 1900 (Ge) e 480 (Si)
-
condutividade
υ = μ.ε
, onde μ é a
J = n.q.υ = n.q.μ .ε
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
n.q.μ = σ → condutivid ade (Ohms.metr o ) -1
J = σ .ε ⇒ Lei de Ohm → σ =
1
1
⇒ J = .ε
R
R
ANEXO 3 –
SENSORES
Iniciamos agora um anexo de grande importância quando utilizamos circuitos eletrônicos para
detecção de algum tipo de fenômeno físico como radiações, temperaturas, pressão, etc. Para o
projeto de tais circuitos necessitamos de dispositivos elétricos denominados transdutores,
dispositivos capazes de converter uma forma de energia em outra por exemplo: luminosa em
tensão, térmica em variação de resistividade, etc. Assim este anexo será útil na elaboração de
pequenos projetos envolvendo tais dispositivos.
A natureza da luz
A luz é uma forma de energia eletromagnética oscilatória que se dispersa no meio em que se
encontra. Uma radiação luminosa se caracteriza por seu comprimento de onda. O comprimento
de onda ( λ ) é dado em metros pela relação:
λ =
c
f
Onde: λ = comprimento de onda [ m ];
8
c = velocidade da luz - 3 x10
f = freqüência de oscilação
m/s
Uma radiação luminosa verde, por exemplo, tem uma freqüência de aproximadamente 566
GHz e seu comprimento de onda é de 530 nm. A vista humana é sensível as radiações
luminosas na faixa de 380 nm ( violeta ) até 780 nm ( vermelho escuro ), sendo que a
sensibilidade máxima em 555 nm amarelo esverdeado. A figura 1 mostra o espectro da
radiação luminosa visível ao ser humano, acrescentando nos extremos as faixas de
infravermelho e ultravioleta que são invisíveis.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Muitos componentes sensíveis à luz têm a sua faixa de funcionamento definida em função do
comprimento de onda da radiação onde apresentam maior rendimento.
Outra característica importante de uma radiação luminosa é a sua intensidade; a intensidade
de uma radiação luminosa é dada em lux.
-
Características dos dispositivos fotosensíveis
Quando um componente é fotosensível além das suas características elétricas normais (
potência máxima, corrente máxima, etc...), é necessário conhecer também as suas
características relativas à dependência da luz.
Sob este ponto de vista, as características mais importantes são:
a) Sensibilidade espectral;
b) Resposta em freqüência.
-
Sensibilidade espectral
É a característica que informa a sensibilidade de um componente em função do comprimento
de onda ( ou freqüência da radiação incidente sobre ele. Permite verificar, por exemplo, se um
determinado componente é sensível à luz ultravioleta, à uma luz vermelha, etc. ...
Geralmente o fabricante fornece uma curva característica que informa a sensibilidade relativa
do componente em relação ao comprimento de onda onde a sensibilidade é máxima.
A figura 2 mostra a curva de sensibilidade espectral de um componente fotosensível à base de
sulfeto de cádmio.
Por esta curva se verifica que o componente tomado como exemplo tem sensibilidade máxima
para radiações luminosas de aproximadamente 680 nm, que se situa na faixa das radiações
visíveis pelo ser humano. Verifica-se também que a sua sensibilidade é 3 vezes menor ( 30%
do máximo ) para radiações entre o azul e o verde ( 500 nm ). Em geral, admite-se como faixa
de funcionamento o intervalo de freqüências nas quais o componente tem um mínimo de 70%
de sensibilidade relativa. No gráfico apresentado como exemplo, esta faixa seria entre 540 nm
e 760 nm. A sensibilidade também pode ser apresentada como um parâmetro absoluto, para
um determinado tipo de luz. Por exemplo:
5 μA/100 lux – lâmpada incandescente de tungstênio a 2500 ºC.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
-
Resposta em freqüência
Quando os dispositivos fotosensíveis estão sujeitos a variações de fluxo luminoso (
claro/escuro ) a sensibilidade tende a decrescer com o aumento da freqüência destas
variações. Denomina-se de freqüência de corte aquela freqüência de variação luminosa em
que a sensibilidade do dispositivo cai para 70%.
Para as áreas de eletricidade e eletrônica, o termo sensor se aplica a todo o dispositivo ou
componente capaz de transformar uma grandeza física ( ou sua variação ) em uma grandeza
elétrica. Assim, por exemplo, é denominado de sensor de luminosidade um componente capaz
de transformar uma variação de intensidade luminosa em variação de resistência elétrica.
Existem realmente componentes eletrônicos que são sensíveis à luz. Estes componentes são
ditos fotosensíveis. Sendo sensíveis à luz, estes componentes podem ser utilizados como
sensores de:
-
existência ou não de luz: utilizado principalmente para a contagem de objetos;
nível de iluminamento: utilizado em fotômetros para os processos fotográficos;
variação de iluminamento: utilizado, por exemplo, para o controle automático da iluminação
em rodovias, para a detecção de objetos pela sua cor, etc. ...
Podemos citar como componentes fotosensíveis os:
a) LDR – Light Dependent Resistor;
b) Fotodiodos;
c) Fototransistores.
A) LDR
O LDR ou resistor dependente da luz é um componente constituído à base de material
semicondutor que se caracteriza por apresentar uma resistência variável em função da
intensidade da luz incidente.
As figuras 3, 4 e 5 mostram o formato construtivo típico de um LDR e seus símbolos usados
usualmente para representá-la.
Os LDRs apresentam uma resistência elevada quando colocados no escuro e sofrem uma
redução de resistência a medida que a incidência de luz sobre o componente aumenta. Os
valores de resistência dos LDRs no escuro e no claro variam de tipo para tipo, com variações
típicas que vão desde alguns MegaOhms no escuro até algumas centenas de Ohms quando
em ambientes com grande intensidade de luz.
Um aspecto importante é que a variação de resistência de um LDR em função da luz não é
linear, conforme mostra a curva característica típica da figura 6.
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Figura 6.
As figuras 7 e 8 mostram as curvas de sensibilidade espectral dos fotoresistores de sulfito de
cádmio e de sulfito de chumbo, comparando com a faixa de radiação visível (curvas
tracejadas).
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
O LDR pode ser utilizado em um divisor de tensão de forma que o resultado seria uma tensão
de saída dependente da intensidade luminosa ( figura 9 ).
Figura 9
Este divisor associado, por exemplo, a um disparador de Schimitt ( ver anexo 4 ), poderia ser
utilizado para comandar uma lâmpada que só acenderia à noite ( figura 10 ). Embora a tensão
de entrada varie vagarosamente à medida que o ambiente escurece ou clareia, o disparador de
Schimitt se encarrega de chavear corretamente o relê que aciona a lâmpada. Uma das
vantagens do LDR em relação aos outros sensores sensíveis à luz reside no fato de que,
apesar de ser semicondutor, não tem junções pn de forma que pode ser utilizado em tensões
de corrente alternada.
Outra vantagem é a sua sensibilidade que a torna particularmente interessante em locais onde
o nível de iluminação é baixo. Sua maior desvantagem reside no tempo de resposta. O LDR
apresenta um tipo de “ memória luminosa “ que retarda a variação de resistência do
componente sempre que a célula estiver exposta a uma certa quantidade de luz por algum
tempo. Isto limita a faixa de funcionamento em freqüências a, no máximo, algumas centenas de
Hertz.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Figura 10
B) FOTODIODO
Trata-se de um diodo fabricado com um encapsulamento especial que permite a incidência de
luz sobre a junção pn. Geralmente o encapsulamento é metálico e possui uma lente para a
concentração da luz sobre a junção ( figura 11 ). Um dispositivo conhecido é o TIL 32 invólucro
plástico transparente.
A indicação do ânodo ou cátodo varia de tipo para tipo, de forma que a maneira mais prática de
identificar os terminais é através do catálogo do fabricante ou teste com o multímetro. O
fotodiodo é utilizado normalmente com polarização reversa. Nesta situação a corrente
circulante é uma corrente de fuga ( figura 12 ). A aplicação de luz no fotodiodo provoca a
liberação de portadores nos cristais, ocasionado um aumento na corrente reversa.
A figura 13 mostra a curva característica típica de um fotodiodo ( apenas na região de utilização
com polarização reversa ).
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Nesta curva característica está representada a corrente circulante no fotodiodo sem a presença
de luz. Esta corrente, denominada de corrente de escuro corrente negra, é muito pequena, mas
sempre existe. Para verificarmos o comportamento do fotodiodo perante a variação da
intensidade luminosa pode-se traçar uma perpendicular sobre a curva característica, passando
por um determinado valor de tensão reversa. ( figura 14 ).
Conforme mostram as linhas tracejadas, a aplicação de uma tensão de 15 V reversos resulta
em uma corrente reversa de :
45 μA para 400 lux de intensidade luminosa ( ponto A no gráfico );
85 μA para 800 lux de intensidade luminosa ( ponto B );
170 μA para 1600 lux de intensidade luminosa ( ponto C ).
É importante observar que a variação da corrente reversa se situa na faixa dos microampères.
Para que esta pequena variação de corrente possa dar origem a variações de tensão
apreciáveis costuma-se utilizar o fotodiodo em série com resistores de valor elevado ( na faixa
das dezenas a centenas de KΩ )( figura 15 ).
Um aspecto importante a considerar é que a corrente de fuga também depende da temperatura
do diodo, o que pode causar problemas quando um fotodiodo é utilizado em locais onde a
variação de temperatura é muito ampla. A figura 16 mostra a curva característica de
sensibilidade espectral de um fotodiodo de germânio, comparada com a faixa visível ( Linha
tracejada ).
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Os fotodiodos têm maior sensibilidade em relação a outros dispositivos optoeletrônicos sendo
muito utilizado em aplicações em que a intensidade luminosa seja muito variável e podem
alcançar freqüências de corte da ordem de 500 KHz. A maior desvantagem dos fotodiodos
reside na pequena corrente de saída, mesmo quando sujeito a uma grande taxa de iluminação.
A) FOTOTRANSISTOR
Os fototransistores são transistores que apresentam um encapsulamento que permite a
incidência de luz sobre os cristais semicondutores. A figura 17 mostra dois tipos de
encapsulamento típicos para fototransistores. Conforme mostra a figura, a construção e os
terminais de um fototransistor são similares a de um transistor convencional. O símbolo de um
fototransistor é o mesmo de um transistor convencional, acrescido das setas que indicam a
sensibilidade à luz ( figura 18 ).
O funcionamento do fototransistor tem como base o fato da junção base-coletor, que sempre
polarizada inversamente, se comportar como um fotodiodo. A incidência de luz sobre
“fotodiodo base-coletor” dá origem a uma corrente reversa ( semelhante a Icbo ) que
amplificada beta ( β ) vezes no coletor. Esta corrente é proporcional a intensidade luminosa
qual o transistor está sujeito. Portanto podemos escrever:
I C ≅ hFE .I λ
é
o
é
à
onde I λ = corrente de base fotoinduzida.
A figura 19 mostra a curva característica de um fototransistor típico.
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91
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Nestas curvas a corrente de base ( dos transistores convencionais ) foi substituída pelo
iluminamento. Apesar de possuir o terminal de base como qualquer outro transistor ( alguns
modelos ), este raramente é utilizado, sendo mais comum a excitação somente através da luz (
figura 20 ). Caso seja necessário, no entanto, alterar a tensão de coletor para um determinado
iluminamento, é possível polarizar a base da mesma forma que um transistor convencional (
figura 21 ).
Este método, contudo, reduz a sensibilidade do circuito. Os fototransistores têm freqüência de
corte mais baixa que os fotodiodos, situando-se tipicamente em alguns KHz. Existem
fototransistores fabricados especialmente para trabalhar em conjunto com diodos emissores de
luz ( LED ). O transistor e o diodo formam um par casado em que o comprimento de onda
emitido pelo diodo é o ideal para o funcionamento do fototransistor. Este tipo de utilização
tornou-se tão popular que foram criados os optoacopladores que são constituídos por um
encapsulamento tipo circuito integrado ( figuras 22 e 23 ).
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92
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Devido a alta isolação elétrica existente entre o LED e o fototransistor ( acoplamento apenas
por luz ), os optoacopladores são muito utilizados como elo de ligação entre os estágios onde
existem tensões dc e ac.
Uma aplicação:
Baseado no circuito abaixo tente explicar o seu funcionamento, e apresente uma possível
aplicação industrial para o mesmo.
TERMISTORES
São componentes semicondutores cuja resistência elétrica varia com a temperatura. São
utilizados toda vez que se necessita transformar uma variação de temperatura em um sinal
elétrico. Dependendo da forma como a resistência se altera com a temperatura, os termistores
podem ser do tipo PTC ou NTC. A figura 24 mostra o aspecto físico destes componentes e os
símbolos. Os termistores podem ser utilizados em dc quanto em ac.
a. termistor PTC
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
É um termistor com coeficiente de temperatura positivo ( Positive Temperature Coeficient ), ou
seja, a resistência aumenta com a elevação da temperatura.
A figura 25 ilustra o comportamento de um termistor PTC. Observa-se entre 70ºC e 100ºC o
comportamento típico do PTC. Cada PTC tem uma faixa de temperatura onde existe grande
variação de resistência em função das variações de temperatura. É nesta faixa que se situa a
aplicação ideal do termistor.
b. termistor NTC
É um termistor com coeficiente de temperatura negativo ( Negative Temperature Coeficient ),
ou seja, a resistência diminui com o aumento da temperatura. A figura 26 mostra o gráfico
típico de um NTC ilustrando a variação de resistência em função da temperatura.
-
Aplicações dos termistores
Os termistores, tanto o PTC como o NTC, podem ser utilizados de duas formas distintas:
a. atuando como sensores, se comportando de acordo com a temperatura do equipamento;
b. atuando sobre o equipamento, de acordo com as condições de tensão ou corrente do
mesmo.
Como sensores de temperatura, os termistores são utilizados, por exemplo, para a manutenção
do ponto de operação de transistores ( figura 27 ). ( verifique também a aplicação do mesmo no
anexo sobre estabilidade e compensação ).
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Neste circuito um aumento de temperatura tende a provocar um aumento na corrente de
coletor ( devido a Icbo ). Entretanto, o aumento na temperatura provoca uma redução na
resistência do NTC, reduzindo o Vbe do transistor e corrigindo o ponto de operação. Outro
exemplo de aplicação dos termistores é o controle de temperatura ( figura 28 ). A variação na
temperatura do termistor ( NTC ou PTC ) provoca uma variação na tensão aplicada à entrada
do disparador de Schimitt. Através do relê acoplado ao disparador pode-se comandar
resistências de aquecimento ou aparelhos de refrigeração. A outra forma de utilização
geralmente utiliza o termistor em série com a carga, de forma que a corrente de carga ( ou
parte dela ) circule através do termistor. Neste tipo de aplicação a própria dissipação de
potência no termistor provoca o seu aquecimento, fazendo variar a sua resistência. Nos
aparelhos de TV a cores existe uma bobina para desmagnetização do tubo. Ao ligar o
aparelho, esta bobina deve produzir por alguns segundos um campo magnético intenso que
depois deve praticamente desaparecer. Para que isso aconteça, a bobina de desmagnetização
é conectada em série com um PTC ( figura 29 ). Ao ligar a alimentação, o PTC está frio e com
baixa resistência. A corrente circulante é intensa, produzindo o campo desmagnetizante. A
corrente da bobina circula através do PTC provocando uma dissipação que eleva a
temperatura do componente. Com a elevação da temperatura, a resistência do PTC aumenta,
reduzindo a corrente circulante na bobina. Após alguns segundos, o sistema atinge o equilíbrio
com o PTC em alta resistência, o que praticamente elimina o campo desmagnetizante que já
cumpriu a sua função.
Exercício de aplicação
Para o circuito representado abaixo, deseja se que o relê atraque para uma temperatura de
40ºC. Dados: NTC @ 25ºC = 5 K Ohms e a temperatura de 40ºC = 2,5 K Ohms; corrente de
atracamento do relê é de 50 mA. Determinar R1 e R2.
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Questionário
1. Defina:
a. Luz;
b. Comprimento de onda;
c. Espectro visível.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Quais as características principais dos dispositivos fotosensíveis?
Explique cada uma delas.
O que são sensores ou transdutores?
Comente o comportamento dos principais dispositivos foto condutores.
O que é um acoplador óptico e onde podem ser usados ? dê um exemplo prático.
O que são termistores? Explique o comportamento elétrico de um NTC e um PTC.
Onde podemos utilizar os termistores ? dê um exemplo prático com seu respectivo circuito
elétrico.
ANEXO 4 –
SCHIMITT TRIGGER ( DISPARADOR DE SCHIMITT )
Este circuito é utilizado na detecção de nível, regeneração de impulsos degradados e na
transformação de ondas quadradas. O Schimitt é basicamente um circuito de comutação
rápida, cuja mudança de estado ocorre quando a entrada passa por um dado valor pré
estabelecido. Além disto este circuito têm a particularidade de não efetuar a comutação para o
estado prévio assim que o sinal de entrada é reduzido até o valor de limiar. Com efeito a
entrada terá de atingir um valor inferior ao necessário para passar ao estado alto. Esta
propriedade de histerese ou folga permite eliminar ruídos sobrepostos ao sinal de entrada.
Observar o circuito abaixo:
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Determinação dos componentes:
Ra = 3Re ; Rb = 0,1Rx ; Rx =
Rc =
IB
VCC − VCE ( sat ) − VRc
0,1VCC
; Rd = Rx − Rb ; Re = 0,3Rd ; R f =
I EQ 2
I CQ 2
VT + =
VT −
VCC − VBEQ 2 − VRc
Re
.VCC
( Re + Rd + Rb )
⎡
Rb ⎤
⎢VCC + (VBE . R )⎥.Re .Rc
c ⎦
⎣
=
[Rb .Rc + Rb .Re + Rc .( Rd + Re )]
Exemplo numérico : projetar um disparador de Schimitt para Ic = 10mA, beta = 200 e Vcc
= 12 V. Colocar os valores comerciais para os resistores e determinar o limiar superior,
inferior e a histerese.
Prof. Corradi
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Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Anexo 5 –
Análise de Sensibilidade ( Estabilidade e Compensação )
Supondo que o TjB seja substituído por outro de mesmo tipo, os parâmetros sofrerão um certo
desvio, principalmente de β, que pode variar até três vezes de valor para uma dada corrente de
coletor. Deste modo, mantendo-se a corrente de base constante pela rede de polarização de
entrada obtém-se uma significativa variação da corrente de coletor. Um outro fator
extremamente importante é a instabilidade da polarização devido as variações da temperatura.
Com isso, a utilização de circuitos realimentados de polarização devem ser preferivelmente
utilizados, minimizando este problema. Até este momento, o ponto de operação ( Q ), foi
definido para uma dada temperatura ambiente, É necessário que diferentes circuitos de
polarização possam ser comparados quando a sensibilidade em relação as variações das
correntes de fuga, por exemplo. Estas correntes fornecidas por I CBO sendo muito maiores nos
transistores de germânio, que são multiplicados por ( β + 1 ) para configurações emissorcomum e coletor-comum ( resistor de coletor reduzido à zero Ohms ), alterando p ponto Q. O
desvio causado pela temperatura ou substituição de transistores na polarização deve ser o
menor possível, forçando uma menor variação do ponto Q na reta de carga. As fontes de
instabilidade da corrente de coletor são basicamente três:
a. Corrente de saturação reversa I CBO que aumenta com a temperatura, dobrando de valor a
cada 10ºC;
b. Tensão base-emissor ( Vbe ), que decresce na faixa de 2,5 mV/ºC, tanto para silício como
para germânio;
c. Ganho de corrente estático ( β ), que aumenta com a temperatura.
A característica de transferencia de qualquer circuito polarizador é obtida combinando-se:
1- No circuito de base - equaciona-se utilizando a Segunda lei de Kirchhoff ( LKT );
2- Característica de saída para a corrente de coletor considerando-se a temperatura I C = β .I B + (β + 1).I CBO .
Desta forma passaremos a estudar a estabilidade dos circuitos polarizadores quanto à β. A
estabilidade de β é definida como sendo uma relação entre a variação na corrente de coletor e
a variação no próprio valor de β. Assim a variação percentual da corrente de coletor é K vezes
a variação percentual em β; matematicamente temos:
ΔI C
⎛ Δβ
I
ΔI
K = C então podemos escrever : C = K ⎜⎜
Δβ
IC
⎝ β
β
⎞
⎟⎟.
⎠
Obs.: Se K é zero, uma variação em β não produz qualquer mudança na corrente de coletor.
Isso é ideal. O pior caso é um valor unitário para K; neste caso, uma certa mudança percentual
Prof. Corradi
98
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
em β produz a mesma mudança percentual na corrente de coletor. Um exemplo numérico:
Dados: β(min) = 50, β(max) = 150, β(tip) = 100; temos então um Δβ = ±50, para β = 100 temos:
I C = 1 mA e ΔI C = ± 0,5 mA , então :
0 ,5 x10 −3
⎛ 50 ⎞
= K⎜
⎟ ⇒ K =1
3
1x10
⎝ 100 ⎠
Obs.: Podemos verificar que tal circuito é o pior caso para a estabilidade de beta (β). Você deve
recordar da polarização de base fixa comentada anteriormente, naquele momento já havíamos
comentado que o circuito era extremamente dependente das variações de beta e neste ponto
comprovamos as informações transmitidas.
Análise do circuito de estabilidade de beta ( β )
Estamos interessado na estabilidade do ponto de operação e sabemos que o mesmo é
determinado pela análise do circuito dc, assim iremos fazer uma análise mais detalhada em um
circuito com realimentação e verificar a estabilidade de forma geral.
-
circuito para análise: Realimentação do emissor.
Observe o circuito abaixo, aplicando LKT a malha de entrada temos:
VCC = VRB + VBE + VRE
VCC = I B .RB + VBE + I E .RE
VCC = I B .RB + VBE + (I C + I B )RE
VCC − VBE = I B .RB + I B .RE + I C .RE
VCC − VBE = I B (RB + RE ) + I C .RE
VCC − VBE =
IC
β
(RB + RE ) + I C .RE ⇒ eq. A
Obs.: Se o transistor for substituído teremos novos valores de β e corrente de coletor, então
teremos: (β + Δβ ) e (I C + ΔI C ) , assim substituindo estas variações na equação A temos:
Prof. Corradi
99
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
VCC − VBE =
(ΔI C + I C ) (R
(Δβ + β )
B
+ RE ) + (ΔI C + I C ).RE ⇒ eq. B
Subtraindo a equação A da equação B temos:
0=
(ΔI C + I C ) (R
(Δβ + β )
ΔI C
IC
=
Δβ
β
B
+ RE ) − (RB + RE )
IC
β
+ (RE .ΔI C )
1
1 + (β + Δβ )
RE
RB + RE
[β (RB + RE ) + β .RE (β + Δβ )]ΔI C = (RB + RE ).I C .Δβ
Resolvendo em termos de ΔI C / I C , temos:
ΔI C
Δβ
RB + RE
=
.
(RB + RE ) + β .RE + Δβ .RE β
IC
Dividindo toda a equação por (RB + RE ) , temos:
Prof. Corradi
100
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
ΔI C
1
=
I C 1 + (β + Δβ ).
ΔI C
IC
=
Δβ
β
RE
RB + RE
.
Δβ
β
1
1 + (β + Δβ ).
RE
RB + RE
Podemos observar que o primeiro termo da equação nada mais é do que o fator K, assim
temos que:
K=
1
1 + (β + Δβ ).
RE
RB + RE
Isto representa o fator de estabilidade de beta para todos os circuitos transistorizados.
Tabela para os circuitos polarizadores:
Polarização de base
Resistor do emissor = ZERO
Pol. Com realimentação do
“ deduzido no exemplo”
emissor
Pol. Com realimentação do
Rb = Rb ; Re = Rc
coletor
Divisor de tensão
Rb = R1//R2 e Re = Re
K=1
Equação acima
Se houver um R’e fica Re =
Rc + R’e
Correntes de fuga
I CBO - corrente de coletor à base com o emissor aberto;
I CEO - corrente de coletor à emissor com a base aberta.
De regras anteriores podemos escrever : I CEO = I CBO + β .I CBO ⇒ I CEO =
(β + 1).I CBO .
Regras básicas:
a.
I CBO dobra para cada aumento de 10ºC nos TjB’s;
b. então se o aumento da temperatura em ºC é ΔT, o numero de vezes que I CBO dobra é N
então : N = ΔT / 10;
c.
e a corrente de fuga na temperatura mais alta é
d. e consequentemente temos : I 'CEO =
Prof. Corradi
I 'CBO = 2 N .I CBO ;
(β + 1).2 N .I CBO .
101
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Sensibilidade de temperatura
Trata-se de uma relação entre a variação da corrente de coletor e a corrente de fuga, ou seja:
S=
ΔI C
, a dedução desta expressão foge do escopo desta apostila; deixamos a cargo do
ΔI CBO
estudante o desenvolvimento da mesma, assim temos como solução a expressão abaixo:
S=
RE + RB
R
RE + B
1+ β
Compensação de polarização
Escolhida uma determinada polarização dentre as vistas anteriormente, podemos melhorar a
sua estabilidade utilizando-se de características não lineares e de sensibilidade a temperatura
de alguns dispositivos. Estas são denominadas técnicas de compensação. Diferentemente das
técnicas de estabilização de um ponto Q, que mantém a corrente de coletor e a tensão entre
coletor e emissor com a menor variação possível em função da escolha dos resistores de uma
determinada configuração de polarização, a compensação utiliza, diodos e transistores para
melhorar ainda mais o fator de estabilidade.
Compensação por termistores ( dispositivos visto no anexo sobre sensores )
a) Controle de tensão do emissor:
b) Controle de tensão na base:
Prof. Corradi
102
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
c) Compensação utilizando diodos:
d) Compensação de I CBO .
Prof. Corradi
103
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Pesquisa:
1-
Faça uma pesquisa sobre um circuito estabilizador de tensão com saída variável e com
proteção contra curto-circuito, mas que utilize somente resistores, diodos, diodos zener e
transistores.
2-
Faça uma pesquisa sobre as características elétricas dos seguintes circuitos integrados
reguladores de tensão: 7805, 7905, 7812, 7912 e LM 317. Mostrar três exemplos práticos:
uma fonte de tensão positiva, uma fonte de tensão simétrica e uma fonte de tensão
ajustável empregando estes dispositivos.
3-
Faça uma pesquisa sobre fonte de corrente estabilizada que utilize apenas um diodo
zener, um transistor e resistores de limitação e polarização.
Prof. Corradi
104
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
ANEXO 6 –
Características básicas dos principais componentes utilizados nesta apostila
1- Código de cores para resistores de 4 e 5 faixas
Se seu resistor tem quatro faixas, as primeiras duas faixas são números, a terceira faixa é o
multiplicador, e a Quarta faixa é a tolerância, e se seu resistor tem cinco faixas, as primeiras
três são números, a Quarta faixa é o multiplicador, e a quinta faixa é a tolerância. Se não existir
a faixa para a tolerância, a tolerância é de ± 20% do valor do resistor. Nota – atualmente devido
ao avanço tecnológico você não irá encontrar resistores com essa tolerância, somente em
equipamento muito antigos em torno de mais de 20 anos. Assim para encontrar o valor do
resistor você deve tomar os primeiros números e multiplicar pelo fator de multiplicação e assim
você terá o valor do resistor em Ohms.
Prof. Corradi
105
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
2- Diodos Semicondutor
Características:
Diodos de Germânio
Código
I F (mA)
VRRM (V )
Uso
AA 119
AAZ 18
OA 70
OA 95
AA 113
AA 116
AA 117
1N 34
1N 60
35
180
50
50
25
45
500
15
40
45
20
22,5
115
65
30
115
60
50
Detetor de AM – discriminador FM e TV
Uso geral e comutação
Detetor de vídeo
Uso geral
Detetor AM/FM
Detetor AM/FM
Uso Geral
Uso Geral
Uso Geral
Prof. Corradi
106
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Principais encapsulamento:
I F [A ]
1
V RRM [V ]
50 - 100
1N4001
(50V)
1N4002
(100V)
200
400
600
800
1N4003
1N4004
1N4005
1N4007
1000
1200
1600
(DO-7)
12
12F20”
12F100”
(DO-4)
12FR20’
12FR100’
40
40HF10”
40HF60”
(DO-5
40HFR10’
40HFR60”
“ – Cátodo rosqueado
‘ – Ânodo rosqueado
Importante: - As correntes de condução direta citadas nos dispositivos de montagem
rosqueada são os valores nominais máximos. As informações do fabricante devem sempre ser
consultadas já que, em alguns casos, os dispositivos precisam ser resfriados a ar
artificialmente para que a corrente nominal máxima citada possa ser obtida.
Prof. Corradi
107
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
DIODOS ZENER
Tolerância de 5%
Principais encapsulamento
Fabr.
V Z N [V ]
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
Philips
National National
Cod.
Cod.
Cod.
BZX79C BZX55C BZX85C
400 mW 500 mW
1,3 W
2V4
2V7
3V0
3V3
3V3
3V3
3V6
3V6
3V6
3V9
3V9
3V9
4V3
4V3
4V3
4V7
4V7
4V7
5V1
5V1
5V1
5V6
5V6
5V6
6V2
6V2
6V2
6V8
6V8
6V8
7V5
7V5
7V5
Philips
Cod.
BZV85C
1,3 W
Philips
Cod.
BZT03C
3W
_
Cod.
1N53
5W
33B
5V1
5V6
6V2
6V8
7V5
7V5
35B
36B
37B
38B
39B
41B
42B
43B
8,2
9,1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
44B
46B
47B
48B
49B
13
13
13
13
13
13
50B
15
15
15
15
15
15
52B
16
16
16
16
16
16
53B
Prof. Corradi
Semicron Semicron
Cod.
Cod.
BZY93C BZY91C
20 W
75 W
7V5#
7V5R
8V2
9V1
10
11
12#
12R
13#
13R
15#
15R
16
10
12
15#
15R
108
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
18
18
18
18
18
18
55B
20
20
20
20
20
20
57B
22
24
22
24
22
24
22
24
22
24
22
24
59B
27
27
27
27
27
27
61B
30
33
36
39
30
33
36
39
30
33
30
33
36
30
33
36
39
30
33
36
39
63B
64B
65B
66B
43
47
51
56
62
68
75
43
47
51
56
62
68
75
82
91
100
43
47
51
56
62
68
75
82
91
100
110
120
130
150
160
180
200
220
270
47
56
75
120
130
150
160
180
200
220
270
68B
69B
70B
72B
73B
74B
75B
77B
78B
79B
18#
18R
20#
20R
22
24#
24R
27#
27R
30
33
36
39#
39R
43
47
51
56
62
68
75
18
24
30
33
36
43
47
51
68
75
83B
84B
86B
88B
# DISPONÍVEL DA FORMA NORMA ( CÁTODO ROSQUEADO )
SUFIXO “R” INDICA TIPO COM POLARIDADE INVERTIDA (REVERSE).
Seleção de Zeners de potência como diodos supressores de surto
Os zeners de potência das séries BZY93 e BZY91 descritos acima são extremamente rápidos
no ceifamento, comutam em menos de 5 ns e, portanto, são recomendados para o uso em
supressores de transientes bem como reguladores de tensão.
Os supressores são normalmente escolhidos com uma tensão de separação igual à tensão de
regime estável da linha na qual serão usados. A tensão de separação é a tensão reversa
máxima que pode ser aplicada sem provocar dissipação reversa significativa.
Nota: Na prática, a tensão de separação de um dispositivo é “ 3 estágios abaixo” na série da
tensão zener exibida no sufixo. Por exemplo, um BZY91-C15 deve ser usado como regulador
de tensão numa linha de 15 V, e como supressor de transiente numa linha de 11 V.
Prof. Corradi
109
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Outros Zeners:
500 mW
Tipo
1N746
1N747
1N748
1N749
1N750
1N751
1N752
1N753
1N754
1N755
1N756
1N757
1N758
1N962
1N759
1N964
1N965
1N966
1N967
1N968
1N969
1N970
1N971
1N972
1N973
encapsulamento DO-35
Zz @ Iz
Iz (mA)
max (Ω)
20
28
20
24
20
23
20
22
20
19
20
17
20
11
20
7
20
5
20
6
20
8
20
16
20
17
11,5
9,5
20
50
9,5
13
8,5
16
7,8
17
7
21
6,2
25
5,6
29
5,2
33
4,6
41
4,2
49
3,8
58
Diodos Zener
Tensão
Zener
VZn
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
8,2
9,1
10
11
12
13
15
16
18
20
22
24
27
30
33
1W
Tipo
1N4728
1N4729
1N4730
1N4731
1N4732
1N4733
1N4734
1N4735
1N4736
1N4737
1N4738
1N4739
1N4740
1N4741
1N4742
1N4743
1N4744
1N4745
1N4746
1N4747
1N4748
1N4749
1N4750
1N4751
1N4752
encapsulamento DO-41
Zz @ Iz
Iz (mA)
max (Ω)
76
10
69
10
64
9
58
9
53
8
49
7
45
5
41
2
37
3,5
34
4
32
4,5
28
5
25
7
23
8
22
9
19
10
17
14
15,5
16
14
20
12,5
22
11,5
23
10,5
25
9,5
35
8,5
40
7,5
45
Teste da junção PN com ohmímetro
Prof. Corradi
110
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Transistores
Principais encapsulamento
Prof. Corradi
111
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Teste com ohmímetro
Algumas dimensões dos principais encapsulamento ( em mm )
Prof. Corradi
112
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Nomenclatura de Transistores
Identificação dos transistores e outros dispositivos semicondutores ( Código Europeu )
Exemplo: código com duas letras, três números e uma letra final – ( BC 548C )
1- Significado da primeira letra:
A : dispositivo com uma ou mais junção constituído por cristais de germânio;
B : dispositivo com uma ou mais junções constituído por cristais de silício;
C : dispositivo constituído de cristais de arsenieto de gálio ( GaAs );
D : dispositivo constituído de cristais de antimoneto de índio;
R : dispositivo com junções que utilizam materiais como empregados em células
fotocondutoras e geradores de efeito Hall ou materiais compostos; por exemplo Sulfeto de
Cádmio.
2- Significado da Segunda letra:
A : diodos detetores, diodos de comutação e diodos de baixo sinal;
B : diodos varicap ( diodos de capacitância variável );
C : transistores para áudio freqüência de baixa potência;
D : transistores para áudio freqüência de média potência;
E : diodo túnel;
F : transistores para rádio freqüência de baixa potência;
G : diversos, miscelâneas, dispositivos múltiplos;
H : prova de campos magnéticos ( sensores );
Prof. Corradi
113
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
K : gerador Hall;
L : tiristores de rádio freqüência de potência;
N : foto acoplador;
P : foto dispositivo ( detetor de radiação );
Q : gerador de radiação ( diodos emissores de luz );
R : SCR de baixa potência, dispositivo de controle e comutação;
S : transistores para comutação de baixa potência;
T : tiristores de potência;
U : transistores de comutação de potência;
X : diodos varicap ( multiplicadores );
Y : diodos retificadores;
Z : diodos de referência ou reguladores ( zeners ); com a terceira letra W indica que o
dispositivo é um supressor de transientes.
Obs.: Os números após as duas primeiras letras são utilizados apenas para ordenação; sem
significado técnico. Exemplo: de 100 à 999 – destinados a dispositivos comerciais.
3- Significado da ultima letra
Esta ultima letra tem a finalidade de indicar o ganho do dispositivo, para os transistores de
pequena potência, e para os de média potência indica a tensão entre o coletor e emissor com
base em aberto.
Transistores de baixa potência
Letra
A
B
C
-
hFE
125 à 260
250 à 500
450 à 900
-
Transistores de média potência
Letra
A
B
C
D
E
V CEO
100 V
200 V
300 V
400 V
500 V
Obs.: Norma Americana – Indicação: 1NXXX – diodos
2NXXX – transistores
Prof. Corradi
114