62586-transistores (1)

APOSTILA DE ELETRÔNICA GERAL 1.1

UNIDADE I - TRANSISTORES

1.1 - TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO (TBJ OU BJT)

- CONSTITUIÇÃO:

figura 1

O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas que consiste em duas camadas externas de material tipo N e uma camada interna de material tipo P ou duas camadas externas de material tipo P e uma camada interna de material tipo N. O primeiro é chamado de transistor tipo NPN enquanto que o segundo é chamado transistor tipo PNP. A estas regiões ou camadas damos o nome de emissor, base e coletor.

Da união do cristal semicondutor do emissor com o cristal semicondutor da base resulta numa junção PN a qual recebe o nome de junção base-emissor. Da união do cristal semicondutor da base com o cristal semicondutor do coletor também resulta numa junção PN, sendo esta denominada junção base-coletor.

A relação entre a largura total e a camada do meio (base) é de aproximadamente 150/1, ou seja, as camadas externas são muito mais largas do que a camada do meio.

O nível de dopagem da camada do meio também é consideravelmente menor do que o das camadas externas (tipicamente 1:10 ou menos). Este baixo nível de dopagem aumenta a resistividade deste material, pois limita o número de portadores livres de carga elétrica.

- SIMBOLOGIA

figura 2

Na figura 2 foi mostrada a simbologia utilizada para os transistores PNP e NPN, assim como o sentido das correntes de emissor, coletor e base.

Observe que a seta do emissor aponta no sentido da corrente do emissor, se considerarmos o sentido convencional, e em sentido oposto se considerarmos o sentido eletrônico de corrente. Observe também que a seta aponta para o semicondutor tipo N (emissor no transistor NPN e base no transistor PNP).

- POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR:

Polarizar um circuito transistorizado significa escolher os componentes (resistores) e as tensões contínuas de alimentação do circuito de modo a obter um certo valor para as tensões entre coletor e emissor (VCE), entre base e emissor (VBE) e entre coletor e base (VCB) e para as corrente de emissor, coletor e base (IE, IC e IB).

Ie

IcIb

E

C

B

TRANSISTOR NPN

Ie

IcIb

E

C

B

TRANSISTOR PNP


- FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR

Nos circuitos da figura 3 a fonte de tensão VCC polariza a junção base-coletor do transistor em sentido inverso e a junção base-emissor em sentido direto. A polarização inversa da junção base-coletor faz que sua resistência seja muito maior do que a resistência da junção base-emissor e a maior parte da tensão da fonte VCC

fica na junção base-coletor. A tensão na junção base-emissor, apesar de ter a polaridade correta, é muito pequena e não possui intensidade suficiente para vencer a barreira de potencial desta junção, que é de 0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio. Isto faz com que o transistor não conduza e as corrente de emissor, coletor e base sejam praticamente nulas.

Para que o transistor funcione é preciso conectar uma segunda fonte de tensão, conforme mostrado na figura 4. Esta fonte de tensão polariza a junção base-emissor no sentido direto, tanto em polaridade quanto em intensidade, resultando em uma redução da barreira de potencial desta junção, conforme pode ser visto pintado de cinza na figura 4a. Com a redução da barreira de potencial, um grande número de elétrons se difundem (se deslocam) da região de emissor para a base.

À medida que os elétrons se deslocam do emissor para a base, novos elétrons entram na região de emissor, provenientes do terminal negativo das fonte VBB e VCC, constituindo a corrente de emissor (IE). Nos circuitos da figura 4 a corrente de emissor foi representada saindo do emissor porque estamos trabalhando com o sentido convencional de corrente elétrica (deslocamento de cargas positivas).

Os elétrons que entram na base podem seguir dois caminhos: em direção ao coletor ou em direção ao terminal da base. O caminho em direção ao terminal da base é estreito e longo, apresentando elevada resistência.

C

E

B

figura 3.a figura 3.b

N

P

N

+_

+_

+

VCC

_

RC

E

C

B +

VCC

_

RC

figura 4a figura 4.b

VCC

N

P

N

+_

+_

IE

IC

IB

+

_+

VBB

_

RC

RB

C

E

B

VCC

IE

IC

IB

+

_+

VBB

_

RC

RB

VBE

+_

VCE

+

_

VCB+

_


Por outro lado, o caminho em direção ao coletor é curto e largo apresentando baixa resistência (R=.l/S). Por este motivo, a maior parte dos elétrons que entram na região da base, vindos do emissor, se deslocam para a junção base-coletor, onde são acelerados pela barreira de potencial desta junção polarizada inversamente (ver explicação abaixo *). Quando chegam no coletor os elétrons são atraídos pelo terminal positivo da fonte VCC, constituindo a corrente de coletor (IC).

Dos elétrons que entram na base, provenientes do emissor, alguns se recombinam com as lacunas da base e o par elétron-lacuna desaparece. Porém, antes de haver a recombinação, o cristal semicondutor da base era eletricamente neutro, com a recombinação, esta neutralidade deixou de existir. Portanto, para que o cristal se mantenha eletricamente neutro, para cada elétron que se recombina com uma lacuna, um elétron deve deixar a base em direção ao terminal positivo da fonte VBB, constituindo a corrente de base. Quanto mais estreita e menos dopada for a base, menor será a probabilidade de haver recombinação de um elétron com uma lacuna e, consequentemente, menor será a corrente de base.

* A explicação para este fato é que a barreira de potencial da junção base-coletor, polarizada inversamente, impede os elétrons do coletor e as lacunas da base (portadores majoritários) de atravessarem a junção, porém não impede que os elétrons da base e as lacunas do coletor (portadores minoritários) se desloquem através da junção. Na realidade, a barreira de potencial desta junção polarizada inversamente força o movimento dos portadores minoritários de carga elétrica através da junção, conforme ilustrado na figura 5. Nesta figura pode-se observar a junção base-coletor polarizada inversamente e um elétrons que chegou na base vindo do emissor. Como o elétron possui carga negativa, ele será repelido pela carga negativa do lado P da junção e será atraído pela carga positiva do lado N da junção. Portanto, a barreira de potencial desta junção polarizada inversamente, além de não impedir que o elétron atravessasse a junção ainda atuou no sentido de forçar o movimento deste elétron através da junção.

Para explicar o funcionamento do transistor utilizou-se o transistor tipo NPN. O funcionamento do transistor PNP é exatamente o mesmo, com os papéis desempenhados pelos elétrons e pelas lacunas trocados, conforme mostra a figura 6. Observe nesta figura que as fontes que polarizam o transistor foram invertidas em relação à figura 4.

+

++

++

++

+

++

++

++

+

++

++

++

+

++

++

++

_+_+

_+

_+

_+_+

_+

_+

_+_+

_+

_+

Coletor - NBase - P

+

++

++

++

Figura 5


VCC

P

N

P

+

_+

_

IE

IC

IB

_

+

+

VBB

_

RC

RB

C

E

B

VCC

IE

IC

IB

+

_+

VBB

_

RC

RB

VBE

_

+

VCE

+

_VCB

+

_


- EQUAÇÕES PARA O TRANSISTOR

1º ) Aplicando-se a lei das correntes de Kirchoff ao transistor da figura 4, ou da figura 6, como se ele fosse um único nó, resulta:

IE = IB + IC (1)

Mas, a maior parte dos elétrons que entram na base alcança o coletor, portanto:

IC >> IB ( IB = 1 à 5 % de IE) (2)

2º ) Analisando-se as figuras 4.b ou 6.b, obtém-se:

VCE = VCB + VBE (3)

Porém, a junção base-emissor é sempre polarizada no sentido direto, de modo que a tensão VBE = 0,7 ou 0,3 V para transistores de Si e Ge, respectivamente.

- GANHO DE CORRENTE DO TRANSISTOR ( ou HFE):

Por definição: (4)

Uma vez que IC é muito maior do que IB, resulta que >> 1. Para transistores de baixa potência (ICMÁX

pequena) varia de 50 à 400. Para transistores de potência (ICMÁX grande) varia de 2 à 20.

- EFEITO DA VARIAÇÃO DA TENSÃO VBB NO FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR:

Uma vez que a tensão entre base e emissor é praticamente constante, um pequeno aumento na tensão da fonte VBB, nos circuitos das figuras 4 ou 6, produzirá um pequeno aumento na corrente de base. Este pequeno aumento na corrente de base produzirá grande aumento na corrente de coletor pois IC = .IB (equação 4). Este grande aumento na corrente de coletor resultará em um grande aumento da tensão sobre o resistor RC (VRC = RC.IC). Analisando-se as figuras 4 e 6, vê-se que a tensão de saída (VCE) é igual à tensão da fonte VCC descontada a queda de tensão sobre o resistor RC (VRC), ou seja:

VSAÍDA = VCE = VCC - VRC = VCC - RC.IC (5)

O grande aumento da tensão no resistor de coletor (VRC) causará grande redução na tensão de saída do circuito (VCE), o que comprova o efeito amplificador do transistor pois esta grande variação da tensão de saída foi causada por uma pequena variação da tensão de entrada (VBB) do circuito.

Análise semelhante pode ser feita quando a tensão da fonte VBB diminuir.

- REGIÕES DE OPERAÇÃO DO TRANSISTOR:

1º ) REGIÃO ATIVA

Quando o transistor é polarizado na região ativa, uma variação na corrente de entrada do circuito (corrente de base) produz uma variação proporcional na corrente de saída (corrente de coletor) e uma variação inversa na tensão de saída (VCE), ou seja, se a corrente de coletor aumenta, a tensão de saída diminui (ver equação 5).

O transistor polarizado na região ativa apresenta corrente de coletor e tensão entre coletor e emissor diferentes de zero, portanto, a potência dissipada pelo transistor (IC x VCE ) também é diferente de zero, ou seja:

( 0 < VCE < VCC )

Na região ativa a junção base-coletor é polarizada inversamente.

VCE 0

IC 0

P 0


2º ) REGIÃO DE SATURAÇÃO

Nos circuitos das figuras 4 e 6 se a corrente de coletor aumenta, a tensão no resistor de coletor (VRC) aumenta e a tensão entre coletor e emissor (VCE) diminui. Se a corrente de coletor aumentar muito, o valor da tensão VCE será reduzido para aproximadamente 0 V. Como a tensão VCE não pode diminuir mais, pois sua intensidade já está próxima de 0 V, a corrente de coletor não pode mais aumentar. A partir deste ponto, se a corrente de base aumentar, a corrente de coletor não aumentará, e o transistor estará operando na região de saturação. Portanto, ao contrário da região ativa, na região de saturação, uma variação da corrente de base não produz variação na corrente de coletor.

Dividindo-se a corrente de coletor pelo ganho de corrente (β) do transistor (equação 4) obteremos o valor da corrente de base que coloca o transistor operando no limite entre a região de saturação e a região ativa. Se a corrente de base for maior do que este valor, o transistor estará operando na região de saturação, caso contrário estará operando na região ativa.

O transistor polarizado na região de saturação apresenta corrente de coletor (IC) diferente de zero e tensão entre coletor e emissor (VCE) aproximadamente nula. Assim, na região de saturação, a potência dissipada pelo transistor é aproximadamente igual à zero ( P = VCE x IC 0 x IC 0 ).

Na região de saturação a junção base-coletor é polarizada diretamente com uma tensão de aproximadamente 0,5 V.

3º ) REGIÃO DE CORTE

Polarizar um transistor na região de corte significa fazer com que sua corrente de coletor seja nula. A tensão de saída (VCE) neste caso é igual à tensão da fonte, pois a queda de tensão no resistor RC é nula. Para levar um transistor ao corte devemos adotar o seguinte procedimento:

a ) Transistor de Silício:

Para polarizar um transistor de silício na região de corte (IC = 0) é necessário curto-circuitar a entrada do circuito com a massa ou abrir o circuito de base, como mostrado na figura 7. Em qualquer dos dois casos tem-se IB

= 0 e, consequentemente IC = 0, ou seja, o transistor não conduz.

b ) Transistor de Germânio:

Para fazer com que o transistor de Germânio fique cortado, é preciso aplicar à Junção base-emissor uma tensão reversa da ordem de 0,1 V. Com a base aberta (Ib=0), pode-se ter uma corrente de emissor e de coletor de valor considerável, principalmente em temperatura elevada.

VCE 0

IC 0

P 0

+

VCC

_VBE = 0

VCE

+

RB

RC

_

+

_IB = 0

IC = 0

+

VCC

_VBE = 0

VCE

+

RB

+VBB

_

RC

_

+

_IB = 0

IC = 0



Na região de corte a corrente de coletor (IC) é nula e a tensão entre coletor e emissor (VCE) = VCC, portanto, a potência dissipada pelo transistor é nula (P = VCE x IC = VCC x 0 = 0 ).

Quando o transistor funciona como amplificador, normalmente é polarizado na região ativa. Quando utilizado na construção de portas lógicas (NOT, AND, OR, ETC.) ou como dispositivo de chaveamento (liga-desliga), o transistor opera nas regiões de corte e de saturação, pois nestas regiões a potência dissipada é aproximadamente nula.

- POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR COM UMA FONTE DE TENSÃO (POLARIZAÇÃO DE BASE FIXA):

O circuito da figura 4.b poderia ser redesenhado com as fontes de tensão de mesmo valor e teríamos o circuito mostrado na figura 8.

O potencial do ponto A em relação à massa é igual ao potencial do ponto B em relação à massa, ou seja VA

= VB = VCC, portanto, se retirarmos a fonte de tensão VBB e ligarmos o ponto A ao ponto B, o circuito não sofrerá nenhuma alteração quanto ao funcionamento, VA continuará sendo igual à VB que é igual à VCC, apenas que, agora, uma única fonte estará fornecendo as correntes de coletor e de base. O circuito resultante está mostrado nas figuras 9.a e 9.b para os transistores NPN e PNP, respectivamente.

Nos circuitos mostrados na figura 9, a corrente de base é fixa (constante) e seu valor depende apenas da fonte Vcc e do resistor Rb. Por este motivo, este tipo de polarização recebeu o nome de “polarização de base fixa”.

VCE = VCC

IC = 0

P = 0

VCC

+

_

IB

IC

IE

B

C

E

RB

saída

RC

+

VBB = VCC _

A B

+

_

IB

IC

IE

B

C

E

RB

saída

RC

VCC

_

+

IB

IC

IE

B

C

E

RB

saída

RC

VCC

figura 9.a – Transistor NPN figura 9.b – Transistor PNP

figura 8


- CAPACIDADES MÁXIMAS DO TRANSISTOR:

Além do ganho de corrente, os fabricantes de transistores costumam informar em seus catálogos pelo menos 3 itens:

1º) A capacidade máxima de dissipação de potência (PCMÁX).2º) A corrente máxima de coletor (ICMÁX) que especifica o máximo valor de corrente permissível circulando do

emissor para o coletor.

Quando se pretende construir um circuito com transistores, deve-se escolher um transistor que tenha corrente e potência máxima superiores às do circuito no qual vai ser utilizado.

3º) A tensão máxima entre coletor e emissor (VCEMÁX)Devemos escolher o transistor de modo que a tensão (VCEMÁX) seja maior do que a tensão da fonte de

alimentação VCC.

- CONFIGURAÇÃO DARLINGTON:

Um único transistor nos oferece, em geral, um baixo ganho de corrente e, quando necessitamos de um ganho elevado, a solução é utilizar o circuito da figura 10 onde temos dois transistores ligados em configuração Darlington.

figura 10

IC2 = 2.IB2 mas IB2 = IE1

IE1 IC1 = 1.IB1 portanto

O circuito mostrado na figura 10 pode ser encontrado em um único invólucro, como se fosse um único transistor, apresentando 3 terminais, base, coletor e emissor.

Conforme podemos ver na figura 10, para o transistor Dárlington VBE = VBE1 + VBE2, portanto, VBE = 1,4 V (0,7 + 0,7 V) se o transistor for de silício.

- Desvantagens da configuração Darlington:

- Aumenta a tensão VCE de saturação e a tensão entre base e emissor.- Reduz a velocidade de chaveamento.

IC1

Tr1

Tr2

IB1

IE1 = IB2

IE2

IC2

I

B

E

C

IC2 = 1.2.IB1 I


- EXEMPLOS DE APLICAÇÕES DOS TRANSISTORES:

1o-) INTERFACEAMENTO DE UM CIRCUITO DIGITAL COM RELÉ UTILIZANDO TRANSISTOR:

- Funcionamento do circuito:

a) Com nível lógico 1 na saída da porta lógica:

Nível lógico 1 na saída de um circuito digital significa que temos tensão positiva na saída deste circuito em relação à massa, conforme mostrado na figura 11.a. Esta tensão polariza diretamente a junção base-emissor do transistor (positivo na base P e negativo no emissor N) levando-o ao estado de saturação e fazendo com que ele se comporte como chave fechada entre coletor e emissor (VCESAT = 0,2 V). Temos, portanto, um circuito fechado, composto pelo transistor, fonte e bobina do relé, por onde circula a corrente de coletor do transistor (IC), corrente esta que excita a bobina do relé, fazendo com que seu contato comute, ou seja, passe da posição 1 para a posição 2, ligando a carga por ele comandada. O diodo está inversamente polarizado pela tensão da fonte e não conduz.

b) Com nível lógico 0 na saída da porta lógica.

Rb

D1

+ 5 Vcc

+VCC

-

7408+

_VOUT = 0

+

_

VBE = 0

IC = 0 pois o transistor está no corte

+

1

2ID

_

Rb

D1

+ 5 V

+VCC

-

7408+

_VOUT

+

_VBE N

P

1

2

IC

+

_

figura 11.a

figura 11.b


Nível lógico 0 na saída de uma porta lógica significa ausência de tensão na sua saída em relação à massa. Portanto, não há tensão para polarizar diretamente a junção base-emissor do transistor, levando-o ao estado de corte. Neste estado o transistor se comporta como uma chave aberta entre coletor e emissor (VCE = VCC), interrompendo a corrente que circula pela bobina do relé. Ao ser interrompida a corrente da bobina do relé seu contato comutador passa da posição 2 para a posição 1 novamente, desligando a carga por ele comandada.

No instante que o transistor interrompe a corrente de coletor, na bobina do relé é induzida uma força eletromotriz com polaridade tal a se opor à redução desta corrente, ou seja, a bobina do relé se comporta como uma fonte de tensão. Conforme se pode ver na figura 11.b, esta tensão polariza diretamente o diodo, curto-circuitando os terminais da bobina, o que proporciona um caminho fechado para que a corrente da bobina do relé (ID) continue circulando com o mesmo sentido que antes. Ao circular pelas resistências dos fios, do diodo e da própria bobina esta corrente causa perdas por efeito joule, reduzindo a energia armazenada no campo magnético da bobina do relé até que ela se reduza a zero, quando então a corrente ID também é nula. Se não houvesse o diodo em paralelo com a bobina do relé, a força eletromotriz, induzida nos terminais da bobina no instante do desligamento do transistor, poderia ser intensa o suficiente para danificar o transistor ou a isolação da bobina do relé.

2o-) REGULADOR SÉRIE DE TENSÃO COM TRANSISTOR

A–) UTILIZANDO DIODO ZENER COMO ELEMENTO DE REFERÊNCIA:

O circuito da figura 12 é um melhoramento do circuito regulador de tensão com diodo zener, visto no semestre anterior. O transistor neste circuito é denominado de elemento de controle e, por estar em série com a carga, este circuito é denominado de regulador de tensão série. O diodo zener atua como elemento de referência de tensão.

- FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO:

No circuito mostrado na figura 12, o resistor R e o diodo zener formam um regulador de tensão, do tipo que estudamos no semestre anterior. Se o diodo zener está no estado ligado, temos uma tensão constante nos seus terminais. Como a tensão entre base e emissor do transistor também é constante e, sendo a tensão na carga a diferença entre a tensão do zener e a tensão entre base e emissor, tem-se na carga uma tensão constante, mesmo que ocorram variações da tensão de entrada do circuito e/ou da corrente de carga.

A diferença entre a tensão de entrada (VIN) e a tensão de saída (VOUT) é a tensão nos terminais do transistor (VCE). Se a tensão de entrada aumenta, a tensão no resistor R, a tensão VBC e a tensão VCE também aumentam, compensando a variação de tensão na entrada do circuito de modo a manter a tensão na carga constante. Porém, para que a tensão VCE possa variar, o transistor precisa estar operando na região ativa. A tensão que polariza a junção base-emissor do transistor no sentido direto, colocando-o na região ativa, é a tensão do diodo zener (VZ ).

- VANTAGEM DO REGULADOR SÉRIE DE TENSÃO EM RELAÇÃO AO REGULADOR DE TENSÃO COM DIODO ZENER ESTUDADO NO SEMESTRE ANTERIOR:

A vantagem do regulador série de tensão em relação ao regulador de tensão com diodo zener, que estudamos no semestre anterior, é que a carga do regulador de tensão (formado pelo resistor R e o diodo zener) é a corrente de base do transistor que é muito menor do que a corrente de carga do circuito ( I E ), resultando na utilização de um diodo zener de menor potência.

R

RL

+

_

VOUT

+

_

VIN+

_

VZ

+_VCE

VBE

_

+

figura 12


B–) UTILIZANDO REGULADOR DE TENSÃO EM CIRCUITO INTEGRADO COMO ELEMENTO DE REFERÊNCIA:

Podemos utilizar o transistor para aumentar a capacidade de corrente de um circuito regulador de tensão em CI (tensão de saída fixa ou ajustável), conforme mostrado na figura 13

- FUNCIONAMENTO:

A tensão na carga é igual à tensão na saída do regulador de tensão descontada da diferença de potencial entre base e emissor, ou seja:

VL = VOUT - VBE

Mas a tensão de saída de um circuito regulador de tensão (VOUT) e a tensão entre base e emissor de um transistor (VBE) são constantes, portanto, a tensão na carga (VL) também é constante.

Observe que a corrente de carga circula praticamente toda pelo coletor do transistor. No regulador de tensão temos apenas a corrente de base do transistor que é muito menor do que a corrente da carga (IE).

Na figura 13, C1 é um capacitor eletrolítico de alumínio que tem função de filtro, ou seja, manter a tensão na entrada do regulador de tensão acima da tensão mínima que ele precisa para funcionar. C2 é um capacitor de tântalo de, no mínimo 0,1 microfarad, sua função é eliminar possíveis variações da tensão de saída (supressor).

- CONCLUSÃO:

Os reguladores de tensão lineares, como os mostrados nas figuras 12 e 13 desta unidade, apresentam baixo rendimento (30 a 50 %) e grandes dimensões. Isto se deve a dois fatores:

1o - O transistor opera na região ativa, ou seja, a tensão entre coletor e emissor do transistor e a corrente de coletor são diferentes de zero. Portanto, a potência dissipada pelo transistor também é diferente de zero. A elevada dissipação de potência no transistor torna necessária a utilização de dissipadores de calor de grandes dimensões, aumentando o volume da fonte.

2o - O circuito trabalha com baixa frequência o que exige a utilização de capacitores com elevada capacitância e grandes dimensões, o que torna a fonte volumosa.

Por apresentar baixo rendimento e grandes dimensões o regulador de tensão linear só é economicamente viável para potência de saída de até 10 W.

3o – PONTE H PARA ACIONAMENTO DE MOTORES:

É um circuito utilizado para controlar a velocidade e o sentido de rotação de um motor elétrico a partir de sinais gerados por circuitos digitais (microcontrolador, temporizador 555, etc.). A saída destes não suporta a corrente necessária e nem possui a tensão adequada para acionar um motor, é necessária uma unidade de potência que possa alimentá-lo convenientemente.

Quando ligamos um motor DC à uma fonte de tensão contínua observamos que ele gira numa velocidade constante e numa única direção. Para alterarmos o sentido da rotação do motor, basta apenas ligar os terminais

VL

+

_

RL

VOUT

+

_

C1

C2

VBE

+

_

VIN

+

_

I IC IE = IL

IBREGULADOR DE TENSÃO

figura 13


do motor de forma invertida. Para que não seja necessário fazer essa operação manualmente, podemos utilizar uma ponte H. Pode-se criá-la facilmente com a finalidade de controlar o sentido da rotação de um motor utilizando chaves simples, relés ou transistores. Uma ponte H básica é composta por 4 chaves mecânicas ou eletrônicas posicionadas formando a letra “H”, sendo que cada uma localiza-se num extremo e o motor é posicionado no centro, conforme mostrado na figura 14.

Para que o motor funcione, basta acionar um par de chaves diagonalmente opostas, o que faz a corrente fluir do pólo positivo para o negativo atravessando o motor e fazendo-o girar. Para inverter a rotação, desligamos essas chaves e acionamos o outro par de chaves, o que faz a corrente circular no motor em sentido contrário ao anterior invertendo sua rotação, conforme mostrado na figura 15. Deve-se tomar o cuidado de não acionar as duas chaves de um mesmo lado pois isto ocasionaria um curto-circuito na fonte.

Para que o motor possa ser acionado por um microcontrolador, ou outro circuito digital, devemos substituir as chaves mecânicas por chaves eletrônicas, como por exemplo: transistores, mosfets ou tiristores. Na figura 16 foi mostrado o circuito de uma ponte H construída com transistores.

MOTORCC

+VCC

_

figura 14

MOTORCC

+ VCC

figura 15.a

MOTORCC

+ VCC

figura 15.b


- FUNCIONAMENTO:

Quando tivermos nível lógico 1 na saída digital 1 do circuito microcontrolado, a base do transistor 3 (NPN) será positiva em relação à massa e ao emissor, polarizando a junção base-emissor deste transistor diretamente e levando-o ao estado de condução, conforme mostrado na figura 17. Ao mesmo tempo, a base do transistor 1 será positiva em relação à massa. Porém, como o emissor do transistor 1 também é positivo em relação à massa, e com potencial igual ao da base, a tensão na junção base-emissor é nula fazendo com que o transistor 1 não coduza. Deste modo, não há o perigo de se ligar os dois transistores do mesmo lado da ponte o que causaria um curto circuito na fonte.

Se na saída digital 2 do circuito microcontrolado tivermos nível lógico 0, não haverá tensão suficiente para polarizar diretamente a junção base-emissor do transistor 4 e este não conduzirá. Porém, nível lógico 0 na saída digital 2 fará com que a base do transistor 2 (PNP) tenha potencial negativo em relação ao emissor , levando-o ao estado de condução.

Portanto, nível lógico 1 na saída 1 e 0 na saída 2 do circuito microcontrolado faz com que os transistores 2 e 3 conduzam e a corrente no motor circule da direita para a esquerda fazendo-o girar em um determinado sentido. Esta situação está mostrada na figura 17 onde podemos ver o caminho da corrente identificado pela linha grossa.

Da mesma forma, se na saída digital 1 tivermos nível lógico 0 e na saída digital 2 tivermos nível lógico 1, os transistores 1 e 4 é que estarão conduzindo e a corrente no motor circulará da esquerda para a direita, fazendo-o girar em sentido contrário ao anterior.

Se tivermos nível lógico igual nas duas saídas digitais apenas os dois transistores superiores ou os dois transistores inferiores estarão conduzindo e a tensão nos terminais do motor será nula fazendo com que ele não parta.

Se o motor estiver funcionando e as saídas digitais passarem a ter o mesmo nível lógico, para que a corrente no motor continue circulando no mesmo sentido e com a mesma intensidade que antes, a bobina do motor induzirá nos seus terminais uma fem com polaridade contrária a anterior. Esta fem polarizará um dos diodos da ponte diretamente e a máquina terá sua velocidade reduzida lentamente. Esta situação foi mostrada na figura 18 onde se supôs que os transistores 2 e 3 estavam conduzindo e as saídas digitais passaram para nível lógico 0, levando os transistores 1 e 2 para o estado de condução. Como a corrente não pode circular do coletor para o emissor no transistor PNP 1, a fem induzida pela bobina do motor CC polarizou diretamente o diodo em paralelo com o transistor T1 fornecendo um caminho fechado para que a corrente do motor continuasse circulando no mesmo sentido que antes.

OBS: Quando o negativo da fonte é aterrado, como na figura 16, o transistor NPN conduz com nível lógico 1 na base e o transistor PNP com nível lógico 0.

figura 16

MOTORCC

+

VCC

_

R

R

R

R

CIR

CU

ITO

MIC

RO

CO

NT

RO

LA

DO

SAÍDA DIGITAL 1

SAÍDA DIGITAL 2

T1

T4

T2

T3


OBS: A ponte H com transistores, mostrada nas figuras anteriores, só pode ser utilizada se a tensão da fonte VCC for igual ou inferior à tensão nas saídas digitais quando estas estiverem em nível lógico 1. Caso contrário, quando uma das saídas for para nível lógico 1 teremos dois transistores de um mesmo lado da ponte (esquerdo ou direito) conduzindo o que curto-circuitará a fonte, danificando os transistores e a própria fonte.

A ponte H também pode ser utilizada para acionar motores de corrente alternada. Neste caso, os pares de transistores são acionados alternadamente, ora T1 e T4 conduzem ora T2 e T3 conduzem. Isto faz com que a corrente no motor circule ora num sentido, ora em sentido contrário. Variando-se a velocidade de chaveamento dos transistores, podemos variar a frequência da corrente alternada que a fonte CC entrega para o motor e, consequentemente, sua velocidade. Este circuito é chamado de conversor ou inversor de frequência e é amplamente utilizado para variar a velocidade dos motores de indução monofásicos e trifásicos. Neste último caso a ponte é constituída de 3 pares de transistores. A fonte de tensão contínua VCC é a tensão alternada da rede retificada, através de retificadores monofásicos ou trifásicos, controlados ou não. A tensão da rede, após ser retificada é filtrada por circuito de filtro.

figura 17

MOTORCC

+

VCC

_

R

R

R

R

CIR

CU

ITO

MIC

RO

CO

NT

RO

LA

DO

SAÍDA DIGITAL 1

SAÍDA DIGITAL 2

T1

T4

T2

T3

I +_

+

+ V 0

_

+_

figura 18

MOTORCC

+

VCC

_

R

R

R

R

CIR

CU

ITO

MIC

RO

CO

NT

RO

LA

DO

SAÍDA DIGITAL 1

SAÍDA DIGITAL 2

T1

T4

T2

T3

I + _

0 0

+_


Na tabela abaixo temos um resumo do funcionamento da ponte H.

Se a tensão da fonte que alimenta o motor for diferente da tensão de saída em nível lógico 1 do circuito digital, devemos acrescentar quatro transistores NPN ao circuito, conforme mostrado na figura 19.

Quando a saída digital 1 (SD1) vai para nível lógico 1, a junção base-emissor dos transistores 5 e 7 é polarizada diretamente levando estes transistores ao estado de condução. A condução do transistor 5 fará com que a base do transistor 1 (PNP) tenha potencial negativo em relação ao emissor, levando-o ao estado de condução. Por outro lado, a condução do transistor 7 fará com que a base do transistor 3 (NPN) tenha potencial nulo em relação ao emissor, levando-o ao estado de corte. Se a saída digital 2 (SD2) estiver com nível lógico 0 o os transistores 6 e 8 estarão no estado desligado. Estando o transistor 6 desligado(chave aberta), não haverá tensão para polarizar a junção base-emissor do transistor 2 (PNP) que também ficará no estado desligado. Se o transistor 8 estiver desligado, a base do transistor 4 (NPN) terá potencial positivo em relação ao emissor, levando-o ao estado de condução. Portanto, a corrente no motor irá circular da esquerda para a direita no circuito da figura 19.

Fazendo-se a mesma análise com a saída digital 1 em nível lógico 0 e a saída digital 2 em nível lógico 1, conclui-se que os transistores 2, 3, 6 e 8 estarão conduzindo e os transistores 1, 4, 5 e 7 estarão desligados, levando a corrente no motor a circular da direita para a esquerda.

SAÍDA DIGITAL 1 SAÍDA DIGITAL 2 EFEITO

1 0 Rotação em determinado sentido

0 1 Rotação em sentido contrário

0 0 Não parte, ou pára suavemente

1 1 Não parte, ou pára suavemente

figura 19

MOTORCC

+

VCC

_

R1

R1

T1

T4

T2

T3

T5

R2

SD1 SD2

T7

R2

+ VCC

R1

R1

R2

R2

T6

T8

+ VCC


4o-) REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA FLUORESCENTE:

A lâmpada fluorescente tem se tornado uma importante fonte de iluminação artificial devido ao seu grande tempo de vida útil e à sua alta eficiência, quando comparada com as lâmpadas incandescentes. Entretanto, estas lâmpadas apresentam características de impedância negativa, o que requer dispositivos que atuem limitando a sua corrente, para evitar a sua destruição por corrente excessiva. Além disto, tais lâmpadas requerem elevadas tensões para sua ignição. Estes problemas têm sido resolvidos pela utilização de um reator magnético.

Apesar de seu baixo custo, estes reatores apresentam grande peso e volume, baixo fator de potência e efeito denominado de “flickering” (oscilação). Quando as lâmpadas fluorescentes são acionadas em altas frequências sua eficiência luminosa aumenta, o ruído audível e o “flickering” são eliminados (Brioschi, R.O. e outros). Entretanto, isto requer o uso de um reator eletrônico, como o mostrado na figura 20, para acionar as lâmpadas. Este circuito foi retirado de uma lâmpada fluorescente comercial de 14 W fabricada pela Home Depot.

Quando o circuito é energizado, a tensão é retificada pelo retificador em ponte, formado pelos diodos D1 à D4, e filtrada pelo capacitor de 10 μF. Quando o circuito é energizado pela primeira vez, o capacitor de 100 μF, 63 V começa a se carregar através do resistor de 470 KΩ. Quando a tensão neste capacitor atinge 32 V, o diac passa para o estado de condução e a tensão do capacitor polariza o transistor Q2 que passa agora para o estado de condução. A corrente então flui através do transistor Q2, do enrolamento superior do transformador T1, da bobina L2, do filamento da esquerda da lâmpada fluorescente, do capacitor de 4,7 nF, do filamento da direita da lâmpada fluorescente e do capacitor de 0,1 μF. A intensidade desta corrente é limitada pela indutância L2 e pela resistência dos filamentos. A circulação de corrente no enrolamento superior do transformador T1 induz tensão nos outros dois enrolamentos deste transformador. A tensão destes enrolamentos polariza a junção base-emissor do transistor Q1

no sentido direto, que começa a conduzir, e polariza a junção base-emissor do transistor Q2 no sentido inverso, levando-o ao corte. Quando o transistor Q1 chega ao estado de condução, os capacitores de 0,1 μF e de 4,7 nF, conectados na lâmpada fluorescente FL1, começam a se descarregar e a corrente passa a fluir em sentido contrário ao anterior, através dos filamentos da lâmpada, do reator L2, do enrolamento superior do transformador T1 e do transistor Q1. A circulação de corrente no enrolamento superior do transformador T1 novamente induz tensão nos outros dois enrolamentos deste transformador, mas com polaridade contrária a anterior o que leva o transistor Q2 ao estado de condução e o transistor Q1 ao estado de corte.

Quando a corrente no indutor L2 inverte de sentido, é induzida uma tensão nos terminais deste indutor que produz a partida da lâmpada fluorescente. A reatância indutiva do indutor L2 também limita a corrente que circula pela lâmpada após a sua ignição, quando sua resistência diminui bastante, impedindo a destruição da lâmpada.

Quando a lâmpada liga, a maior parte da corrente flui diretamente entre os filamentos ao invés de através deles. Somente uma pequena parcela desta corrente flui através dos filamentos para mantê-los aquecidos.

O resistor de 47 Ω conectado na entrada do circuito atua como fusível. O indutor L1 e o capacitor de 0,1μF atuam como filtro passa baixa impedindo que a tensão de alta frequência, gerada pelo circuito eletrônico, se propague pela rede elétrica e interfira no funcionamento de outros equipamentos.

O capacitor de 470 pf e o resistor de 470 KΩ em paralelo com Q1 impedem que os dois transistores liguem ao mesmo tempo o que provocaria um curto-circuito na fonte.

O transistor DK 43 é um transistor projetado especificamente para chavear circuitos utilizados na construção de reatores eletrônicos.


Q1

Q2

DK43

DK43

470 pF 1 kV

470 KΩ 470 KΩ

1N 4005

1 μF250 V

4,7 nF1,2 KV

10 Ω

100 nF 63 V

10 Ω

DIAC 32 V D33

L2

150 T

3 T

3 T

3 T

T1

D1D2

D3D4

1N 4005

47Ω

0,1 μF250 V 10 μF

200 V

L1

REDE 127 V

50/60 HZ

FL1

figura 20


- IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS E DO TIPO DE UM TRANSISTOR:

A identificação dos terminais e do tipo de um transistor pode ser feita consultando-se o catálogo ou o manual do fabricante. Na falta deste, com o auxílio de um multiteste, podemos utilizar alguns procedimentos que, em geral, nos permitem determinar o tipo e identificar os terminais do transistor.

a-) Identificação do tipo e do terminal da base do transistor:

O transistor possui 3 terminais, conforme mostrado na figura 21, que chamaremos de terminais 1, 2 e 3. Para identificar a base do transistor, devemos proceder da seguinte maneira:

1º- Colocar a chave seletora do multiteste na posição x 10 ohm. 2º- Conectar as ponteiras do multiteste a um par de terminais do transistor de cada vez, conforme indicado na tabela abaixo.

1 2 3 + - + - + - - + - + - +

3º- Se o transistor estiver em bom estado, duas situações poderão ocorrer:

- Com o pólo positivo da bateria do multiteste em um dos terminais do transistor, e o negativo em qualquer um dos outros dois terminais o instrumento indicou baixa resistência. Neste caso, o terminal do transistor onde se encontra o pólo positivo da bateria do multiteste é a base e o transistor é do tipo NPN. Esta situação está mostrada na figura 22.a, onde temos as duas junções polarizadas no sentido direto. - Com o pólo negativo da bateria do multiteste em um dos terminais do transistor, e o positivo em qualquer um dos outros dois terminais o instrumento indicou baixa resistência. Neste caso, o terminal do transistor onde se encontra o pólo negativo da bateria do multiteste é a base e o transistor é do tipo PNP. Esta situação está mostrada na figura 22.b, onde temos as duas junções polarizadas no sentido direto.

OBS: No multiteste analógico, a ponteira que tem polaridade positiva é a preta (comum), pois é neste terminal que está conectado o pólo positivo da bateria interna do instrumento, a ponteira vermelha tem polaridade negativa. No multiteste digital normalmente não há esta inversão.

b-) Identificação dos terminais coletor e emissor do transistor:

Uma vez identificado o terminal de base e o tipo do transistor (NPN ou PNP), podemos identificar os terminais de coletor e de emissor procedendo da seguinte maneira:

1o- Colocar a chave seletora do multiteste na posição x 1 Kohm. 2º- Conectar as ponteiras do multiteste entre os terminais desconhecidos do transistor, conforme mostrado na figura 23. 3º- Medir a resistência do transistor segurando com uma das mãos o terminal da base, e com a outra mão o terminal do multiteste que corresponde à polaridade da base no sentido direto (positiva NPN – negativa PNP) conforme mostrado na figura 23. Repita a medição invertendo os terminais do multiteste. 4º- Na medição em que o multiteste indicar menor resistência (maior deflexão do ponteiro), o terminal do multiteste que corresponde a polaridade da base indicará o terminal de coletor e o outro será o emissor.

figura 21

N P N

- +

+ -

figura 22.a

P N P

+ -

- +

figura. 22.b

1 2 3


– VERIFICAÇÃO DO ESTADO DE FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR:

Para saber se um transistor está em bom estado, basta medir a resistência das duas junções (base-emissor e base-coletor) nos dois sentidos (direto e inverso). Se tivermos baixa resistência nas duas junções quando polarizadas no sentido direto e elevada resistência nas duas junções quando polarizadas no sentido inverso, o transistor está em bom estado, caso contrário, está danificado.

1.2-) TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO (JFET):

- ESTRUTURA INTERNA:

- FUNCIONAMENTO:

Aplicando-se o terminal positivo da bateria no terminal dreno (D) e o negativo no terminal fonte (S), conforme mostrado na figura 25, haverá o deslocamento de elétrons livres do canal (semicondutor tipo N) em direção ao positivo da bateria, constituindo a corrente de dreno (ID) e de elétrons do negativo da bateria em direção ao terminal fonte constituindo a corrente de fonte (IS). Na figura 25 estas correntes foram representadas com sentido contrário porque utilizamos o sentido convencional de corrente elétrica. Portanto, ao contrário do transistor BJT, que é normalmente desligado, o JFET é normalmente ligado, ou seja, basta alimentarmos os terminais dreno e fonte para haver circulação máxima de corrente (componente saturado). Seu comportamento se assemelha ao das válvulas triodo.

Para que se possa controlar a intensidade da corrente de dreno (ID) é necessária a utilização de uma segunda bateria que deve ser colocada entre gate e fonte (VGS), cuja função é polarizar inversamente as duas junções PN formadas pela união do semicondutor tipo N do canal com o semicondutor tipo P das regiões de porta, conforme mostrado na figura 26. Isto faz com que a região de depleção se estenda ainda mais para dentro do canal, reduzindo sua espessura e aumentando sua resistência. O aumento da resistência do canal provoca uma redução na corrente de dreno. Se a tensão VGS tiver grande intensidade, o canal se fecha completamente e as correntes de dreno e de fonte caem a zero (componente em corte).

NPN

B

mãos

- +

PNP

B

mãos

- +

figura 23

O JFET é constituído por um canal, que pode ser de material tipo N ou material tipo P, em cujas extremidades são colocados dois terminais, que recebem a denominação de fonte (source) e dreno (drain), conforme mostrado na figura 24. As regiões hachuradas são construídas com semicondutor oposto ao do canal e são conectadas a dois terminais que recebem a denominação de porta (gate). Os terminais de porta normalmente são interligados. O canal é fracamente dopado enquanto que as regiões de porta são fortemente dopadas. A região em negrito, entre o canal e as regiões de porta, é denominada região de depleção. Esta região é isenta de portadores de carga elétrica e apresenta uma barreira de potencial (ddp) da ordem de 1 V. Ela é maior dentro do canal devido à menor dopagem deste em relação às regiões de porta.

PORTA (G)PORTA (G)

FONTE (S)

DRENO (D)

CA

NA

L

figura 24

ID

IS

G G

D

S

CA

NA

L N

+

VDD

_

R

figura 25


Como a junção PN formada entre gate e canal é polarizada inversamente, a corrente de porta é muito menor do que a corrente de base dos transistores bipolares, o que é uma vantagem do JFET. A corrente de porta de um JFET é da ordem de 10-13 A.

O funcionamento do JFET de canal P é exatamente igual ao funcionamento do FJET de canal N , com os papéis desempenhados pelos elétrons e pelas lacunas trocados. As fontes que polarizam o JFET devem ser invertidas em relação à figura 26.

- SÍMBOLO:

Da mesma forma que no transistor bipolar de junção, no JFET a seta sempre aponta para o semicondutor tipo N. Portanto no JFET de canal N a seta aponta para o canal (figura 27.a) e no JFET de canal P a seta aponta para a região da porta (semicondutor N – figura 27.b).

1.3-) TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – METAL ÓXIDO SEMICONDUTOR (MOS-FET):

O MOS-FET é um componente bastante utilizado na construção de circuitos integrados, pois suas características nos permitem construir circuitos muito mais complexos e versáteis do que os construídos com simples transistores de junção.

- ESTRUTURA INTERNA (ver figura 28):

O MOS-FET é constituído de uma região de elevada resistividade (pouco dopada), denominada substrato e de duas regiões de baixa resistividade (muito dopada) denominadas canal. O semicondutor utilizado na construção do canal é oposto ao semicondutor do substrato. Se o canal for do tipo N, o substrato será do tipo P e vice-versa. Sobre o conjunto é depositada uma fina camada de SiO2 (dióxido de silício), que é um material isolante, na qual são feitos dois orifícios para que tenhamos acesso direto às regiões denominadas por canal, nas quais são conectados dois contatos denominados de fonte (S) e dreno (D). Um terceiro contato, denominado gate (G) é conectado à estrutura canal + substrato, porém permanece isolado desta através da fina camada de material isolante (SiO2).

G G

D

S

CANAL N

+

VDD

_

R

ID

IS

_

VGS

+figura 26

G

D

S

figura 27.a – JFET de canal N figura 27.b – JFET de canal P

G

D

S

CANAL CANAL

S G D

SUBSTRATO

figura 28


- FUNCIONAMENTO:

Se o terminal gate do MOSFET estiver aberto, ou se curto-circuitarmos o terminal gate (G) com o terminal fonte (S) a diferença de potencial entre os dois terminais (VGS) será igual a zero. Ainda que uma tensão seja aplicada entre o dreno e a fonte, não haverá circulação de corrente pois a junção PN (J2) estará polarizada inversamente (figura 29.a).

Aplicando-se uma tensão positiva no gate em relação à fonte, conforme mostrado na figura 29.b, os elétrons livres que estão presentes no semicondutor tipo P serão atraídos pelo pólo positivo de VGS, deslocando-se em direção à camada isolante de SiO2. As lacunas serão atraídas pelo pólo negativo de VGS, deslocando-se em direção contrária (oposta à camada isolante). Os elétrons que se acumulam próximo à camada isolante do gate formam um canal condutor tipo N que permite a circulação de corrente entre o dreno e a fonte. Por este motivo, este tipo de MOS-FET é chamado de MOS-FET de canal N O MOS-FET continuará ligado (conduzindo corrente entre o dreno e a fonte) enquanto tivermos tensão entre o gate e a fonte com valor e polaridade apropriados, quando esta tensão for retirada o MOS-FET desligará.

A corrente no gate é igual à zero pois há uma camada isolante de S iO2 entre o terminal de gate e o canal tipo N, por este motivo, dizemos que o MOS-FET é acionado por tensão, contrário ao BJT que é acionado por corrente e necessita de uma quantidade de energia para ser acionado muito maior do que o MOS-FET. Durante a comutação, ou seja, quando o MOS-FET passa do estado desligado para ligado, ou vice-versa, teremos uma pequena corrente no gate devido à carga ou descarga do capacitor de gate que é formado pelo contato metálico de gate, camada isolante de SiO2(dielétrico) e semicondutor tipo P. Esta corrente é de curtíssima duração (no máximo algumas centenas de nanosegundos).

Além do MOS-FET de canal N existe também o MOS-FET de canal P, cuja estrutura é igual à do MOS-FET de canal N, porém, os semicondutores são invertidos (troca N pelo P e P pelo N).

Os circuitos digitais da família CMOS utilizam transistores MOS-FET tipo N e MOS-FET tipo P. Uma vez que estes transistores são complementares, agrega-se a letra C à palavra MOS resultando na palavra CMOS.

- SÍMBOLO:

- VANTAGENS DO MOSFET EM RELAÇÃO AO BJT:

a-) Devido à elevada resistência entre gate e fonte a corrente de gate é nula o que faz com que o MOS-FET necessite de muito menos energia para ser ligado do que o BJT.b-) Menor perda de energia durante a comutação.c-) Menor tempo de comutação, o que permite que trabalhe com frequência mais elevada.

fonte (source)

dreno

porta (gate)

MOS-FET CANAL N

fonte (source)

dreno

porta (gate)

MOS-FET CANAL PFigura 30

CANAL N CANAL N

S G D

SUBSTRATO P

- VDD +

J1 J2

Figura 29.a

CANAL N CANAL N

S G D

SUBSTRATO P

- VDD +

- VGS +

CANAL N INDUZIDO

Figura 29.b


- DESVANTAGEM DO MOSFET EM RELAÇÃO AO BJT:

a-) O BJT consegue acionar cargas de potência superior ao MOS-FET.b-) O BJT é mais barato e é mais fácil de se obter do que o MOS-FET.c-) O BJT não é tão sensível à eletricidade estática quanto o MOS-FET.

OBS: 1-) O MOS-FET estudado neste capítulo é do tipo intensificação. Existe ainda o MOS-FET tipo depleção que não será estudado. Maiores informações sobre o MOS-FET podem ser obtidas nos livros de eletrônica.

2-) O MOS-FET pode ser utilizado nos mesmos circuitos construídos com o BJT, com as vantagens descritas anteriormente.

EXERCÍCIOS

1) Desenhe o símbolo e indique o nome dos terminais e o sentido das correntes do transistor NPN.

2) Desenhe o símbolo e indique o nome dos terminais e o sentido das correntes do transistor PNP.

3) A seta utilizada na simbologia dos componentes eletrônicos, aponta sempre na direção de que tipo de semicondutor, N ou P?

4) O que significa "polarizar um transistor"?

5) Faça o desenho mostrando a estrutura interna do transistor NPN com as fontes de polarização. Indique no desenho o sentido das correntes, a barreira de potencial das junções base-emissor e base-coletor e o nome de cada camada semicondutora.

6) Explique o funcionamento do transistor NPN cuja estrutura interna foi desenhada no exercício 5.

7) Faça o desenho mostrando a estrutura interna do transistor PNP com as fontes de polarização. Indique no desenho o sentido das correntes, a barreira de potencial das junções base-emissor e base-coletor e o nome de cada camada semicondutora.

8) Explique o funcionamento do transistor PNP cuja estrutura interna foi desenhada no exercício 7.

9) Defina ganho de corrente de um transistor. Quais os símbolos comumente utilizados para representá-lo?

10) Entre que valores se encontra o ganho de corrente de um transistor:a) De baixa potência?b) De elevada potência?

11) Qual é o nome das regiões de operação do transistor que estudamos?

12) Como devemos proceder para levar um transistor de silício à região de corte? Explique os dois modos.

13) Se houver variação na corrente de base do circuito transistorizado, o que podemos afirmar em relação à variação da corrente de coletor se o mesmo estiver polarizado:

a) Na região ativa?b) Na região de saturação?

14) Que efeito o aumento da corrente de coletor terá sobre a tensão entre coletor e emissor do transistor? Explique.

15) Que valores terão a corrente de coletor (IC), a tensão entre coletor e emissor (VCE) e a potência dissipada pelo transistor (PC) se o transistor estiver polarizado:a) Na região ativa?b) Na região de saturação?c) Na região de corte?

16) Em que região (ões) de operação o transistor vai operar quando funcionar:a) Como chave (liga-desliga)?b) Como porta lógica?c) Como amplificador?


17) Calcule as correntes de polarização e o potencial do coletor em relação à massa (Vc) do circuito com polarização de base fixa mostrado na figura 9.a sendo dados: Vcc = 20 V, Rb = 400 K, Rc = 2,0 K e = 100.

18) Refaça o exercício anterior considerando que o transistor foi substituído por outro com = 180.

19) Calcule o valor do resistor de coletor que levará o transistor do exercício 17 à saturação (VCE = 0 V).

20) Calcule o valor da tensão da fonte, a corrente de base e o ganho de corrente do transistor do circuito com polarização de base fixa mostrado na figura 31.

21) Calcule o valor do resistor de base, a corrente de coletor e o potencial do coletor em relação à massa (Vc) do circuito com polarização de base fixa mostrado na figura 32.

22) Quais os três fatores que precisamos levar em consideração quando vamos escolher um transistor?

23) Faça o desenho de dois transistores ligados em configuração Darlington e indique o sentido das correntes.

24) Quais as vantagens e as desvantagens da configuração Darlington?

25) Faça o desenho mostrando o interfaceamento de um circuito digital com um relé através de um transistor amplificador tipo NPN.

26) Explique o funcionamento do circuito do exercício anterior:a) Com a saída da porta lógica em nível lógico 1.b) Com a saída da porta lógica em nível lógico 0.

figura 31

5 mA

_

+

IB

B

C

E

330 KΩ 820

VCC

_

+

4,9 V

+

_

12 μA

IC

IE

B

C

E

RB 2,7 K

11 V

= 150

figura 32


27) Faça o desenho mostrando o interfaceamento de um circuito digital com um relé através de um transistor amplificador tipo PNP. Dica: O coletor do transistor deve ser ligado na massa.

28) Explique o funcionamento do circuito do exercício anterior:a) Com a saída da porta lógica em nível lógico 1.b) Com a saída da porta lógica em nível lógico 0.

29) Explique o funcionamento do diodo D1 no circuito do exercício 25.

30) Para acionar um relé cuja bobina possui tensão nominal igual à 6 V e resistência de 80 é necessário utilizar um transistor, conforme mostrado na figura 11.

Determine:a) O valor da tensão da fonte (V1) necessária para alimentar o circuito.b) As características mínimas (Vce máx e Icmáx) que o transistor deve possuir. Utilize o apêndice 1 (pág 30) e verifique se é possível construir este circuito utilizando o transistor BC 548.c) O valor máximo que o resistor Rb deve possuir, considerando-se que = 100 a 200.

31) Repita o exercício anterior para um relé de 12 Vcc e R = 200,0

32) Faça o desenho de um circuito regulador série de tensão com transistor e diodo zener, saída positiva, e indique o sentido das correntes e a polaridade das tensões.

33) Qual é a vantagem do circuito regulador série de tensão com transistor em relação ao regulador de tensão sem transistor que estudamos no semestre anterior?

34) Calcule as correntes, as tensões e o rendimento do circuito regulador de tensão mostrado na figura 12 . O resistor R é de 100 , o transistor possui Hfe () igual à 100, o diodo é de 12 V, o resistor de carga e a tensão de entrada são, respectivamente:a) VIN = 15V e RL = 500 . b) VIN = 15V e RL = 100 . c) VIN = 18V e RL = 100 .

35) Explique o funcionamento do circuito anterior:a) Com carga constante e tensão de entrada aumentando.b) Com tensão de entrada constante e corrente de carga aumentando.

36) Faça o desenho mostrando as ligações que devemos fazer para aumentar a capacidade de corrente de um regulador de tensão com saída positiva em circuito integrado (série 78XX) utilizando transistores NPN.

37) Faça o desenho mostrando as ligações que devemos fazer para aumentar a capacidade de corrente de um regulador de tensão com saída negativa em circuito integrado (série 79XX) utilizando transistores PNP.

38) Cite duas desvantagens dos circuitos reguladores de tensão mostrados nas figuras 12 e 13. Quais os dois fatores que causam estas desvantagens?

39) Qual é a função de uma ponte H?

40) Faça o desenho de uma ponte H construída com transistores e explique o seu funcionamento considerando-se que temos nível lógico 0 na saída digital 1 e nível lógico 1 na saída digital 2. Indique no desenho com linha mais grossa o trajeto percorrido pela corrente no circuito.

41) Considere no exercício anterior que as duas saídas digitais passaram para nível lógico 1 e explique o funcionamento do circuito. Faça o desenho indicando com linha mais grossa o trajeto percorrido pela corrente no circuito.

42) Considere no exercício 40 que as duas saídas digitais passaram para nível lógico 0 e explique o funcionamento do circuito. Faça o desenho indicando com linha mais grossa o trajeto percorrido pela corrente no circuito.

43) No que se refere à tensão de alimentação VCC quais as condições que ela deve satisfazer para que possamos utilizar o circuito do exercício 40?

44) Explique de que forma a ponte H pode ser utilizada para alimentar um motor de corrente alternada. Do que depende a frequência da tensão fornecida ao motor?

45) Explique o funcionamento do reator eletrônico mostrado na figura 20.46) Quais as vantagens de se alimentar as lâmpadas fluorescentes em alta frequência?


47) Qual é a função do indutor L1 e do capacitor de 0,1 μF do circuito da figura 20?

48) Faça o desenho da estrutura interna de um JFET:a-) de canal N.b-) de canal P.

49) Desenhe o símbolo e identifique os terminais de um JFET:a-) de canal N.b-) de canal P.

50) O que significa dizer que um JFET é “normalmente ligado”? Pode-se dizer o mesmo do BJT? Por que?

51) Faça o desenho de um JFET de canal N com as respectivas fontes de alimentação.

52) Explique o funcionamento do JFET do exercício 51.

53) Faça o desenho de um JFET de canal P com as respectivas fontes de alimentação.

54) Explique o funcionamento do JFET do exercício 53.

55) A corrente de gate de um JFET é maior ou menor do que a corrente de base de um transistor? Justifique sua resposta.

56) Faça o desenho de um MOSFET de canal N com as respectivas fontes de alimentação.

57) Explique o funcionamento do MOSFET do exercício 56.

58) Faça o desenho de um MOSFET de canal P com as respectivas fontes de alimentação.

59) Explique o funcionamento do MOSFET do exercício 58.

60) Faca o desenho do símbolo do MOSFET:a-) de canal N.b-) de canal P.

RESPOSTAS

17) IB = 48,25 A; IE IC = 4,825 ma; VC = 10,35 V

18) IB = 48,25 A; IE IC = 8,685 mA; VC = 2,63 V

19) RC = 4,15 K

20) VCC = 9 V; IB = 25,15 mA; β = 198,8

21) RB = 858,3 K; IC = 1,8 mA; VC = 6,14 V

30) a) VCC = 6 V b) Vcemáx. ≥ 6 V e Icmáx. ≥ 75 mA c) Rb ≤ 5,73 K

31) a) VCC = 12 V b) Vcemáx. ≥ 12 V e Icmáx. ≥ 60 mA c) Rb ≤ 7,17 K

34) a) VR = 3 V; VZ = 12 V; VL = 11,3 V; VCE = 3,7V; IR = 0,03 A; IZ = 29,77 mA; IL = 22,6 mA; IB = 226 mA; η = 32,37 % b) VR = 3 V; VZ = 12 V; VL = 11,3 V; VCE = 3,7V; IR = 0,03 A; IZ = 28,87 mA; IL = 113 mA; IB = 1,13 mA; η = 59,53 % c) VR = 6 V; VZ = 12 V; VL = 11,3 V; VCE = 6,7V; IR = 0,06 A; IZ = 58,87 mA; IL = 113 mA; IB = 1,13 mA; η = 41,0 %

AULA PRÁTICA


1a TAREFA- MATERIAL NECESSÁRIO:

- Alguns transistores- Multiteste

- OBJETIVO:

- Identificar os terminais, o tipo e as condições dos transistores.

- PROCEDIMENTO:

1o) Faça o desenho no caderno do transistor e anote sua referência (número)2o) Identifique, utilizando o multiteste, o tipo de transistor e os terminais coletor, emissor e base, anotando o

resultado no caderno.

2a TAREFA

- MATERIAL NECESSÁRIO:

- 1 relé de 6 V- 1 transistor BC 548- 1 placa protoboard- 1 multiteste- 1 fonte de tensão contínua- 1 placa com diodos- 1 resistor de carbono de 680 , 1/8 de W- 1 conjunto de cabos com pino banana

- OBJETIVO:

Permitir que os alunos verifiquem na prática a possibilidade de acionamento de um relé e de cargas de maior potência a partir da aplicação de uma tensão contínua e de pequena intensidade na base de um transistor.

- PROCEDIMENTO:

1o) Ajuste a tensão da fonte contínua para 6,0 V e corrente de 100 mA.2o) Monte o circuito mostrado na figura abaixo.3o) Anote na tabela o estado do relé ligado ou desligado.4o) Conecte o resistor de base (entrada do circuito) ao positivo da fonte e repita o 3o passo.5o) Curto-circuite os terminais base e emissor do transistor e repita o 3o passo.

3a TAREFA

1 K

D1

+6 V-

BC 548

1

2

+

_

RB

ESTADO DA BASERELÉ ABERTACONECTADA EM + 6V LIGADA NA MASSA



- 1 motor CC de 6 V,- 2 transistores BC 548,- 2 transistores BC 558,- 1 placa protoboard,- 1 multiteste,- 1 fonte de tensão contínua,- 4 resistores de carbono de 10 K, 1/8 de W,- 1 conjunto de fios.

- OBJETIVO:

Comprovar o funcionamento da ponte H para o acionamento de motores elétricos.

- PROCEDIMENTO:

1o) Ajuste a tensão da fonte contínua para 5,0 V e a corrente para 100 mA.2o) Monte o circuito da figura abaixo. Se tiver dúvida peça ajuda ao professor.3o) Conecte a saída digital 1 em + 5 V (nível 1) e a saída digital 2 no comum (nível 0).4o) O motor girou? Em caso afirmativo, em que sentido? ____________________________5o) Desligue a fonte e conecte as duas saídas digitais em 5,0 V (nível 1). 6o) Ligue a fonte. O motor partiu? _______________.7o) Desligue a fonte e conecte as duas saídas digitais no comum da fonte (nível 0). 8o) Ligue a fonte. O motor partiu? _______________.9o) Desligue a fonte e conecte a saída digital 2 em + 5 V (nível 1) e a saída digital 1 no comum (nível 0).10o) O motor girou? Em caso afirmativo, em que sentido? ____________________________. Igual ou contrário ao sentido do 4o passo? _________________________.11o) Compare os resultados obtidos com a teoria estudada em aula.

OBS: 1-) Mantenha as saídas digitais conectadas em + 5 V (nível lógico 1) ou no comum (nível lógico 0), caso contrário os dois transistores de um dos lados da ponte H poderão conduzir o que pode queimar a fonte ou os transistores (se a fonte não tiver limitador de corrente).

2-) Uma vez que a corrente solicitada pelo motor utilizado é muito pequena, comparada com a corrente máxima dos transistores, e, para agilizar a realização desta tarefa, não utilizamos diodos em paralelo com os transistores.

4a TAREFA

MOTORCC

+

VCC

_

10 KΩ

10 KΩ

10 KΩ

10 KΩ

CIR

CU

ITO

MIC

RO

CO

NT

RO

LA

DO

SAÍDA DIGITAL 1

SAÍDA DIGITAL 2

T1

T4

T2

T3

1 K

10 K

0,5 V VBB

VCC = 12 V

IC

IB VCE



- Computador com software PSIM ou outro simulador de circuitos eletrônicos.

- OBJETIVO:

- Verificar o comportamento do circuito em que o transistor opera nas regiões de corte, ativa e saturação.

- PROCEDIMENTO:

1o) Desenhe no computador o circuito abaixo.2o) Faça a simulação do circuito e anote o valor das correntes de coletor e base e da tensão VCE.3o) Altere a tensão da fonte VBB de acordo com a tabela e repita o 2o passo.4o) Após fazer a simulação do circuito com todos os valores da tensão VBB da tabela, identifique as regiões de operação do transistor.

5o) Ajuste a tensão da fonte VBB para 2,0 volts e a tensão VCC de 12 V para 20 V. Anote, abaixo, os resultados obtidos e compare-os com os resultados anteriores.

IB = __________________ IC = __________________ VCE = __________________

Responda: A variação da tensão da fonte de 12 para 20 V, ocasionou variação em qual(is) grandeza(s)?

6o) Meça com o voltímetro a tensão entre base e emissor para três valores da tensão VBB.

5a TAREFA

VBBIBICVCEREGIÃO 0,50,60,70,80,91,01,52,02,53,03,13,23,3

3,43,5

VBB1,0 V2,5 V3,5 VVBE

Conclusão: Quando a tensão VBB variou, houve variação proporcional da tensão VBE?



- Computador com software PSIM ou outro simulador de circuitos eletrônicos.

- OBJETIVO:

- Mostrar como o transistor pode ser utilizado para aumentar a potência que uma fonte de tensão pode fornecer.

- PROCEDIMENTO:

1o) Desenhe no computador o circuito mostrado na figura .2o) Faça a simulação do circuito e anote na tabela o valor das correntes e das tensões. Considere a tensão de entrada e o resistor de carga com os valores indicados na tabela.

3o) Responda:a-) De que forma o circuito compensou o aumento da tensão de entrada?b-) De que forma o circuito compensou o aumento da corrente da carga?c-) Que grandeza se manteve constante nos três ensaios?

APÊNDICE 1.1 – CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS TRANSISTORES DA SÉRIE TIP NPN

figura 1

VIN

+

_IZ

IB

IR

VL

VCE

VR

R = 100 RL

12 V

IL

= 100

GRANDEZAVIN = 15 V VIN = 18 V

RL = 500 RL = 100 RL = 100

VR

VZ

VL

VCE

I

IR

IZ

IB

IL


Tipo Vce (V) Ic (max) (A) hFE (min) Pd (W) fT (MHz)

TIP29 40 1 20 30 3

TIP29A 60 1 20 30 3

TIP29B 80 1 20 30 3

TIP29C 100 1 20 30 3

TIP31 40 3 20 40 3

TIP31A 60 3 20 40 3

TIP31B 80 3 20 40 3

TIP31C 100 3 20 40 3

TIP33 40 10 20 80 3

TIP33A 60 10 20 80 3

TIP33B 80 10 20 80 3

TIP33C 100 10 20 80 3

TIP35 40 25 25 125 3

TIP35A 60 25 25 125 3

TIP35B 80 25 25 125 3

TIP35C 100 25 25 125 3

TIP41 40 6 20 65 3

TIP41A 60 6 20 65 3

TIP41B 80 6 20 65 3

TIP41C 100 6 20 65 3

APÊNDICE 1.2 – CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS TRANSISTORES DA SÉRIE TIP PNP

Tipo Vce (V) Ic (max) (A) hFE (min) Pd (W) fT (MHz)

TIP30 40 1 20 30 3


TIP30A 60 1 20 30 3

TIP30B 80 1 20 30 3

TIP30C 100 1 20 30 3

TIP32 40 3 20 40 3

TIP32A 60 3 20 40 3

TIP32B 80 3 20 40 3

TIP32C 100 3 20 40 3

TIP34 40 10 20 80 3

TIP34A 60 10 20 80 3

TIP34B 80 10 20 80 3

TIP34C 100 10 20 80 3

TIP36 40 25 25 125 3

TIP36A 60 25 25 125 3

TIP36B 80 25 25 125 3

TIP36C 100 25 25 125 3

TIP42 40 6 20 65 3

TIP42A 60 6 20 65 3

TIP42B 80 6 20 65 3

TIP42C 100 6 20 65 3

Significado dos parâmetros:

Vce é a tensão máxima entre o coletor e o emissor. Quando essa especificação é acompanhada de “o” (open) como em Vceo, significa a tensão máxima entre coletor e emissor quando a base está aberta.

Ic é a corrente máxima de coletor. Trata-se da corrente contínua máxima que o componente pode conduzir.

hFE é o ganho estático de corrente, normalmente especificado para uma tensão entre coletor e emissor de 10 V

quando o componente conduz uma corrente de 1 A.

Pd é a potência máxima que o componente pode dissipar quando montado num dissipador ideal.

fT é a frequência de transição, ou seja, a frequência em que o ganho de corrente do componente cai para 1. Além

dessa frequência o componente deixa de amplificar os sinais.

APÊNDICE 1.3 – CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS TRANSISTORES DA SÉRIE BC, BD E 2N

Código Polaridade Vce. máximo (volts)

Ic máximo (ampéres)

Potência Total (watts)

hFE (mín-máx)

BC107 NPN 45 0,1 0,3 110-450BC108 NPN 20 0,1 0,3 110-800BC109 NPN 20 0,1 0,3 200-800BC177 PNP 45 0,1 0,3 75-260BC178 PNP 25 0,1 0,3 125-500BC179 PNP 20 0,1 0,3 125-500


BC237 NPN 45 0,1 0,3 110-450BC238 NPN 20 0,1 0,3 110-800BC239 NPN 20 0,1 0,3 20-800BC307 PNP 45 0,1 0,3 75-475BC308 PNP 25 0,1 0,3 75-475BC309 PNP 20 0,1 0,3 125-475BC327 PNP 45 0,5 0,8 100-600BC328 PNP 25 0,5 0,8 100-600BC337 NPN 45 0,5 0,8 100-600BC338 NPN 25 0,5 0,8 100-600BC368 NPN 20 1,0 1,0 85-375BC369 PNP 20 1,0 1,0 85-375BC375 NPN 20 1,0 0,8 60-340BC376 PNP 20 1,0 0,8 60-340BC546 NPN 65 0,1 0,5 110-450BC547 NPN 45 0,1 0,5 110-800BC548 NPN 30 0,1 0,5 110-800BC549 NPN 30 0,1 0,5 200-800BC550 NPN 45 0,1 0,5 200-800BC556 PNP 65 0,1 0,5 75-250BC557 PNP 45 0,1 0,5 75-475BC558 PNP 30 0,1 0,5 75-475BC559 PNP 30 0,1 0,5 125-475BC560 PNP 45 0,1 0,5 125-475BC635 NPN 45 1,0 1,0 40-250BC636 PNP 45 1,0 1,0 40-250BC637 NPN 60 1,0 1,0 40-160BC638 PNP 60 1,0 1,0 40-160BC639 NPN 80 1,0 1,0 40-160BC640 PNP 80 1,0 1,0 40-160BD115 NPN 180 0,15 6,0 acima de 22BD135 NPN 45 1,0 8,0 40-250BD136 PNP 45 1,0 8,0 40-250BD137 NPN 60 1,0 8,0 40-250BD138 PNP 60 1,0 8,0 40-250BD139 NPN 80 1,0 8,0 40-250BD140 PNP 80 1,0 8,0 40-2502N3055 NPN 70 15,0 115,0 20-70

62586-transistores (1)

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