a teoria dos dispositivos eletrÔnicos 4 3. 1 - introdução · 4 capítulo – iii a teoria dos...
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Capítulo – III .......................................................................................................................... 4 A TEORIA DOS DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS ............................................................ 4 3. 1 - Introdução .......................................................................................................... 4
3. 2 - Princípios da Mecânica Quântica.................................................................................. 5
3.2.1 - Princípio da Incerteza e a dualidade onda-partícula.................................................... 5 3.2.2 - O modelo atômico dos Níveis de Energia e as transições eletrônicas ........................ 6 3.2.3 - A regra da quantização de Einstein-Planck................................................................. 6 3. 3 - Átomo de hidrogênio..................................................................................................... 7
3.3.1 - Níveis de Energia ........................................................................................................ 8 3.3.2 - Números quânticos...................................................................................................... 8 3. 4 - Átomos maiores- níveis de energia mais complexos .................................................... 9
3. 5 - O cristal ........................................................................................................ 10
3.5.1 - Rede de Bravais......................................................................................................... 10 3.5.2 - Níveis de energia muito próximos em uma rede e Bandas de Energia ..................... 11 3.5.3 - Princípio da Exclusão de Pauli.................................................................................. 12 3. 6 - Estatística Fermi - Dirac.............................................................................................. 13
3. 7 - Física dos Semicondutores .......................................................................................... 16
3.7.1 - Densidade de Portadores ........................................................................................... 16 3. 8 – Condução em Semicondutores ................................................................................... 18
Condutores, Semicondutores e Isolantes .............................................................................. 19 3.8.1 - Faixas ou Bandas de Energia .................................................................................... 19 Estrutura de um Semicondutor ............................................................................................. 21 3.8.2 - Cálculo da Corrente Máxima para o Germânio ........................................................ 23 Condutibilidade Intrínseca.................................................................................................... 23 3.8.3 - Semicondutor (Silício) Intrínseco e Extrínseco ........................................................ 25 3.8.3 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo - N........................................................ 25 O Cristal N............................................................................................................................ 27 Condução em um Cristal N .................................................................................................. 28 3.8.4 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo – P. ....................................................... 28 O Cristal P ............................................................................................................................ 30 Condução em um Cristal P ................................................................................................... 31 3.8.5 - Emissão por Semicondução ...................................................................................... 32 3.8.6 - Correntes nos Semicondutores .................................................................................. 33 3.8.7 - Correntes Deriva ....................................................................................................... 33 3.8.8 - Correntes de Difusão................................................................................................. 33 3.8.9 - Geração e combinação .............................................................................................. 34 Junção PN ............................................................................................................................ 34 Efeito de uma Tensão sobre a Junção................................................................................... 35 3. 9 - Dispositivos eletrônicos .............................................................................................. 36
3. 10 – Diodos semicondutores............................................................................................. 36
3.10.1 – Diodo semicondutor de junção - PN....................................................................... 37 3.10.2 – Características da junção - PN................................................................................ 38
2
3.10.3 - Polarização Direta ................................................................................................... 40 3.10.4 - Polarização Inversa ................................................................................................. 41 3. 11 – Diodo Zener ........................................................................................................ 42
3.11.1 - Regulador de tensão a diodo zener.......................................................................... 44 3. 12 – Diodos Especiais ...................................................................................................... 45
3. 7.1 - LED - Diodo Emissor de Luz.................................................................................. 45 3. 7.2 - Limitações de um LED ............................................................................................ 48 3. 8 – Diodos Emissores De Luz ( LEDs ) ........................................................................... 49
Dimensionamento do Resistor Limitador de Corrente & Característica I X V do Led........ 52 3. 9 – Fotoemissão e fotorecepção em junções pn ............................................................... 54
Absorção e Emissão de Luz em Materiais com Impurezas .................................................. 54 Fotodetetores ........................................................................................................................ 55 Fotodiodos ............................................................................................................................ 55 3.12.1 - Diodo Tunel ............................................................................................................ 57 3.12.2 - Diodo Varactor........................................................................................................ 57 3.12.3 - Diodo PIN ............................................................................................................... 57 3.12.4 - Diodo Impatt ........................................................................................................... 58 3.12.5 - Diodo Hot Carrie ou Diodo Schottky...................................................................... 58 3.12.6 - Diodo Lambda......................................................................................................... 58 3.12.7 - Diodo Gunn ............................................................................................................. 58 3. 13 - Retificadores ........................................................................................................ 59
Definições ............................................................................................................................ 59 3. 14 - Tipos de Retificadores:.............................................................................................. 60
Retificadores (monofásicos) de Meia Onda ......................................................................... 60 Retificador de Onda Completa (em ponte) ou Retificador (monofásico) de onda completa60 Retificador de Onda Completa (Trafo com Tomada Central (C.T.)) ................................... 61 3. 15 - Transistor ........................................................................................................ 62
3.8.1 - Antecedentes e ambiente histórico............................................................................ 62 Biografia dos Inventores....................................................................................................... 63 3.12.1 - Construção do Transistor Bipolar ........................................................................... 66 3.12.2 - Polarização das Junções .......................................................................................... 67 3.12.2 - Polarização de Transistores ..................................................................................... 69 3. 16 - Circuitos com Transistor ........................................................................................... 72
3.13.1 - Amplificação ........................................................................................................... 84 3.13.2 - Amplificadores ........................................................................................................ 84 3.13.3 - Configuração Emissor - Comum............................................................................. 72 3.13.4 - Efeito transistor ....................................................................................................... 74 3.13.5 - Características do transistor .................................................................................... 76 3.13.6 - Potências dissipadas: ............................................................................................... 77 3.13.8 – Montagem Coletor Comum.................................................................................... 78 3.13.9 – Montagem Base Comum ........................................................................................ 79 Circuitos práticos.................................................................................................................. 80 3.13.7 – Montagem Emissor Comum com Realimentação .................................................. 81
3
Determinação da reta de carga do transistor......................................................................... 82 3. 17 – Amplificadores Lineares – Circuitos Básicos .......................................................... 86
Acoplamento RC .................................................................................................................. 90 Acoplamento por Transformador ......................................................................................... 90 Acoplamento Direto ............................................................................................................. 90 Classificação dos Amplificadores lineares ........................................................................... 91
Amplificador Classe A ......................................................................................................... 91 Amplificador Classe B ......................................................................................................... 92 Amplificador Classe AB....................................................................................................... 92 Amplificador Classe C ......................................................................................................... 92 Amplificador Classe D ......................................................................................................... 93 Amplificador Classe G ......................................................................................................... 93 3. 18 – Amplificadores Operacionais ................................................................................... 94
3. 19 – Inversores ......................................................... Erro! Indicador não definido.
3. 20 - Comandos eletrônicos ................................................ Erro! Indicador não definido.
3. 21 - Tiristores, SCR, TRIAC.......................................................................................... 109
3. 22 – Circuitos Integrados................................................................................................ 114
3. 23 - Projetos de circuitos eletrônicos.............................................................................. 115
3. 24 – Exercícios e Problemas........................................................................................... 116
3. 25 – Referências Bibliográficas...................................................................................... 117
Capítulo – IV ......................................................................... Erro! Indicador não definido. FUNDAMENTOS DOS CIRCUITOS LÓGICOS E DOS MICROPROCESSADORES............................................................................................... Erro! Indicador não definido. 4. 1 - Introdução ...................................................................................................... 118
4. 2 - Circuitos lógicos ......................................................... Erro! Indicador não definido.
4. 3 - Memórias ......................................................... Erro! Indicador não definido.
4. 4 - Microprocessadores...................................................... Erro! Indicador não definido.
4. 5 - Computadores ......................................................... Erro! Indicador não definido.
4. 6 - Evolução dos computadores......................................... Erro! Indicador não definido.
Capítulo – V .......................................................................... Erro! Indicador não definido. PROJETOS DE ELETROELETRÔNICA ............................ Erro! Indicador não definido. 5. 1 - Introdução ......................................................... Erro! Indicador não definido.
5. 2 - Controladores (temperatura, voltagem, corrente, nível de líquidos (N2) e gases (GLP)
, etc) ......................................................... Erro! Indicador não definido.
5. 3 – Sensor de Gás, de Luz, de Barulho, etc ....................... Erro! Indicador não definido.
Referências Bibliográficas..................................................... Erro! Indicador não definido.
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Capítulo – III
A TEORIA DOS DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
RESUMO
Neste capítulo faremos um estudo da estrutura eletrônica dos átomos em um
sólido e estudaremos a teoria das bandas de energia com a finalidade de explicar as
propriedades eletrônicas dos materiais, em particular entender o funcionamento do diodo e
do transistor.
3. 1 - Introdução
A Mecânica Quântica e a Teoria do Estado Sólido proporcionaram ao homem
as descobertas mais importantes no campo da matéria sólida. A partir do desenvolvimento
dessas duas áreas da ciência foi possível explicar as propriedades de condutividade elétrica
dos materiais, utilizando o modelo de Bandas de Energia. Este modelo permitiu classificar
os materiais existentes na natureza como condutores, semicondutores e isolantes. Desta
forma, os dispositivos eletrônicos passaram a ser fabricados a partir de elementos de estado
sólido. Como conseqüência do desenvolvimento científico, particularmente, houve a
invenção do diodo e dos transistores, atualmente, fabricados a partir de elementos
semicondutores de Silício e Germânio, dando origem ao que chamamos hoje em dia de
Eletrônica do Estado Sólido em contraposição a precedente Eletrônica das Válvulas. A
partir daí, os dispositivos eletrônicos passaram a ser fabricados a partir de elementos de
estado sólido. Como conseqüência do desenvolvimento científico, particularmente, houve a
5
invenção do diodo e dos transistores, atualmente, fabricados a partir de elementos
semicondutores de Silício e Germânio.
3. 2 - Princípios da Mecânica Quântica
O desenvolvimento da Mecânica Quântica se deve a diferentes cientistas que
viveram em diferentes épocas entre eles estão o Matemático, Gauss - os Físicos Teórico-
Experimentais, Ernst Rutherford e Albert Einstein - os Físicos Teóricos, Niels Bohr e Paul
M. Dirac - e o Físico Teórico, Erwin Shröedinger. Este último foi o principal responsável
por esta moderna teoria.
A Mecânica Quântica é a área da física que trata das partículas no microcosmo
no interior dos átomos e das moléculas. Ela foi estabelecida a partir de uma série de
postulados e também por meio de uma equação fundamental chamada de Equação de
Schröedinger, a qual será vista rapidamente a seguir. Um dos postulados da Mecânica
Quântica é o chamado princípio da Incerteza de Heisenberg.
3.2.1 - Princípio da Incerteza e a dualidade onda-partícula
Uma das descobertas mais chocantes dentro da Mecânica Quântica foi a do
principio da incerteza de Heisenberg. Este principio pode se ilustrado através de um
experimento de dupla fenda conforme veremos a seguir.
Física Estatística (“Física não determinista”)
Figura - 3. 1. Experiência de difração de elétrons em dupla fenda.
6
Figura - 3. 2. Experiência de difração de elétrons em dupla fenda.
3.2.2 - O modelo atômico dos Níveis de Energia e as transições eletrônicas
De acordo com o modelo de Ruhterford e Bohr os elétrons no interior de um
átomo estão distribuídos órbitas semelhantes as órbitas planetárias do sistema solar.
Portanto os elétrons de uma órbita estão distanciados desigualmente do núcleo. Cada
elétron ocupa seu lugar fixo em sua órbita, ou seja, mantém uma distância fixa do núcleo.
Logo, a trajetória descrita por cada elétron possui seu próprio nível de energia. Desta forma
os átomos em um material possuem níveis de energia na distribuição dos seus elétrons.
Quando um elétron se move de uma órbita mais distante a uma mais próxima do núcleo, ele
libera energia. Para que um elétron possa se mover de uma órbita mais próxima do núcleo a
uma órbita mais distante, ele necessita receber uma determinada quantidade de energia.
Portanto, a energia de ligação dos elétrons é negativa e, se for dada a um elétron uma
energia de igual magnitude mas de sinal contrário, isto é positiva, o átomo libera o elétron
de sua órbita deixando-o livre.
3.2.3 - A regra da quantização de Einstein-Planck
Max Planck descobriu que a energia absorvida ou emitida pelos elétrons na
forma de calor ou luz (fótons) em um átomo acontece somente em quantidades múltiplas de
um valor fundamental, hv, dado por:
7
E = nhv (3. 1)
onde h = 6,67 x 10-34J.s e v é a freqüência da radiação emitida ou absorvida pelo átomo.
A unidade usada para medir a quantidade de energia necessária para que um
elétron se mova de um a outro nível de energia, se chama quantum ou fóton. Estes elétrons
podem transitar de um nível para o outro por efeitos de calor ou temperatura e luz e campos
elétricos e magnéticos.
Nós sabemos que, quando uma quantidade de energia na forma de um campo
elétrico, E, é aplicado a um material, este produz o movimento das suas cargas elétricas. A
variação da energia cinética dessas cargas pode ser associada ao trabalho realizado pelo
campo elétrico, isto é, uma quantidade de energia injetada em um sistema produz trabalho,
cuja unidades são:
)()()(
eVvoltelétronergsergs
JJoulesUnidades (3. 2)
Os átomos em um material possuem níveis de energia na distribuição dos seus
elétrons. Estes elétrons podem transitar de um nível para o outro por efeitos de calor ou
temperatura e luz e campos elétricos e magnéticos.
3. 3 - Átomo de hidrogênio e a teoria quântica dos níveis de energia
O átomo mais simples que se conhece é o átomo de hidrogênio. Ele foi o
primeiro a ser explicado pela Mecânica Quântica pelo cientista Erwin Schröedinger quando
na ocasião propôs a sua equação fundamental.
A equação de Schröedinger é dada por:
)()()(2
22
rErrVm nnn
(3. 3)
De acordo com a Mecânica Quântica a energia do átomo de hidrogênio é dada
por:
8
22
4
2 nmeEn
(3. 4)
A energia necessária para se ionizar o átomo de hidrogênio que contém apenas
um único elétron, desde sua posição orbital até o infinito é dado pela expressão (3. 4) acima
e vale
eVEn 6,13 (3. 5)
3.3.1 - Níveis de Energia
Um diagrama esquemático dos níveis de enrgia do átomo de hidrogênio de
acordo com a expressão (3. 4) é mostrado na Figura - 3. 3.
Figura - 3. 3. Níveis de energia do átomo de hidrogênio de acordo com a Mecânica Quântica
3.3.2 - Números quânticos
Ao se distribuir os elétrons no átomos de acordo com os princípios da MQ estes
elétrons passam a ocupar níveis de energia bem definidos por meio dos números quânticos
fornecidos pela solução da equação de Schröedinger para aquele átomo em particular.
Os diferentes números quânticos existentes os quais são chamados de: n –
Principal; l – Azimutal; ml - Magnético; ms – Spin, determinam o estado energético de uma
partícula em um átomo. Seus intervalos de variação são dados por:
9
n = 1,2,3, ... (3. 6)
para o número quântico principal
l = 0, 1, ..., n-1 (3. 7)
para o número quântico azimutal
ml = -l, ..., +l (3. 8)
para o número quântico magnético, e
ms = - ½ ; + ½ (3. 9)
para o número quântico spin.
3. 4 - Átomos maiores- níveis de energia mais complexos
O nivel de energia dos elétrons no interior dos átomos em um material definem
além das propriedades elétricas as propriedades óticas desse material. Conforme for a
radiação eletromagnética incidente sobre o átomo do material será a sua transição desde um
nível mais baixo de energia para um nível mais alto de energia. Se a radiação incidente
possui uma valor de energia diferente daquele do intervalo determinado pelos níveis de
energia do átomo, este pode não perceber esta radiação sendo totalmente transparente a ela,
caso contrário, isto é quando a radiação incidente é igual a algum intervalo dos níveis de
energia do átomo, a energia incidente é totalmente absorvida. Por exemplo, o vidro
bloqueia a radiação ultravioleta mas deixa passar a radiação infravermelha.
Aos níveis de energia estão também associados ao tamanho dos átomos, isto é,
átomos maiores apresentam níveis de energia mais complexos. Contudo, os átomos na
natureza não aparecem isoladamente, eles estão presentes em um material sólido na forma
de um cristal.
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3. 5 - O cristal
O cristal na verdade é um arranjo ordenado de átomos (sólido) de maneira
periódica, os quais podem apresentar diferentes geometrias classificadas pelas 14 redes de
Bravais.
3.5.1 - Rede de Bravais.
Na natureza existem 14 diferentes tipos de redes cristalinas nas quais os
átomos ou as moléculas das substâncias podem se ordenar para formar uma estrutura
periódica.
Exemplos: 3 tipos de geometria que são comuns nos sólidos. Esta geometria,
dependente das ligações que por sua vez dependem dos elétrons de valência.
a) cúbicas simples (CS) b) cúbico de corpo centrado (CCC) c) cúbico de Face centrada (CFC) O monocristal – é quando a organização é perfeita por todo o cristal e o
policristal – consiste de grande número de pequenos cristais orientados aleatoriamente. O
arranjo geométrico é chamada de rede cristalina.
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A estrutura cristalina do silício e do germânio, que são os materiais mais
comumente utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos é a cúbica de face centrada
com dois átomos por sítio da rede formando uma estrutura semelhante a do diamante.
fcc diamante (3. 10)
3.5.2 - Níveis de energia muito próximos em uma rede e Bandas de Energia
Ao se reunir um número enorme de átomos numa rede cristalina os níveis de
energia de átomos vizinhos se sobrepõem uns aos outros formando uma faixa quase
contínua, a qual é denominada de Bandas de Energia, ou seja, essas bandas são formadas de
níveis de energia muito próximos.
Há basicamente dois tipos de bandas de energia. Uma formada pela
aproximação dos níveis de energia de valência do material da qual faz parte a ligação
química que mantém os átomos unidos formando a rede cristalina, chamada de banda de
valência e outra formada pelos níveis de energia disponíveis para a condução de elétrons ao
redor da rede cristalina, chamada de banda de condução.
Figura - 3. 4. Bandas de energia presente em uma estrutura cristalina qualquer.
A largura do Gap de energia do Silício é de 1,09eV e do Germânio é de 0,72eV.
ligações (sigma) – banda de valência. (3. 11)
12
ligações (pi) – banda de condução. (3. 12)
Figura - 3. 5. Fusão de orbitais atômicos na formação das ligações químicas dos sólidos.
3.5.3 - Princípio da Exclusão de Pauli
O princípio da exclusão de Pauli permite distinguir as partículas que seguem a
estatística de Fermi-Dirac daquelas que seguem a estatística de Bose-Einstein. Ele
estabelece que uma partícula, no caso um elétron, não pode possuir o mesmo estado
quântico determinado pelos número quânticos: n, l, ml, ms, ou seja, “Um ou mais elétrons não podem ter o mesmo conjunto de n.º quânticos”
Uma conclusão importante que pode ser tirada desse fato é que uma banda de
energia completa não conduz.
Por outro lado, a ativação térmica dos elétrons nos materiais também produz
um movimento destes, da banda de valência para a banda de condução. Conforme é
ativação térmica ou a radiação fornecida ao átomo é também a transição dos seus elétrons.
Uma forma de se medir este grau de agitação dos átomos e da transição dos seus elétrons
devido a temperatura é por meio da unidade de energia fornecida pelo teorema da
eqüipartição térmica de Boltzmann, ou seja, este teorema diz que para cada grau de
liberdade de uma partícula esta recebe uma quantidade de energia dada por ½KT de
energia, conforme o exemplo abaixo:
eV; 0,025 401
KT (3. 13)
13
onde K = 1,38 10-23 Joules/Kelvin é a constante de Boltzmann e T é a temperatura
ambiente em Kelvin (300oK)
3. 6 - Estatística Fermi - Dirac
É importante saber quantos elétrons estão na banda de condução. Devemos
calcular a probabilidade de um nível de energia. “E” está realmente ocupado e será
chamado F(E).
Seja agora N(E)dE o número de elétrons por unidade de volume entre E e E +
dE, então N(E)dE pode ser escrito como o produto de (E)dE, ou seja, dos estados de
energia permitidas por unidade de volume (densidade de estados) vezes a probabilidade que
o nível esteja preenchido, ou seja F(E).
dEvagas
nEFcm
vagasEdEcm
onENo
)(
3)( 3 (3. 14)
3
21
23
27
2h
EmE (3. 15)
Para as bandas de valência e de condução , onde m massa do elétron; h constante de
Planck. Quanto a F(E), chega-se a:
1
1
kt
EfE
eEf (3. 16)
onde Ef é uma constante chamada energia de Fermi e corresponde a metade da energia do
gap.
14
Figura - 3. 6. Nível de energia de Fermi par um material sólido.
A medida que se aumenta a temperatura os elétrons vão ganhando energia e vão
passando para um nível de energia maior que a “Energia de Fermi”.
Figura - 3. 7.
15
Figura - 3. 8.
Um rigoroso tratamento matemático leva a um resultado entre a Energia de
Fermi, Ef, e a Energia do Gap, Eg, dado por:
Ef = ½ Eg (3. 17)
onde Eg é a energia do gap.
Figura - 3. 9.
16
3. 7 - Física dos Semicondutores
Vamos a partir de agora aplicar os conhecimentos da MQ, da Mecânica
estatística e da Física do Estado Sólido para explicar o comportamento dos eletros no
interior dos semicondutores.
3.7.1 - Densidade de Portadores
Supondo a energia na Banda igual ao potencial elétrico, E = na camada
superior de valência teremos que a densidade de portadores, (E), é dado por:
3
21
23
27
2h
EgEmE
(3. 18)
O número de elétrons será entre (E, E + dE)
N(E)dE = (E) F(E)dE (3. 19)
Figura - 3. 10. Gráfico da energia, E, em função da função, F(E), e da densidade de energia, (E).
17
Figura - 3. 11. Gráfico do número de portadores, N(E), na banda de condução em função da energia, E, desses portadores.
dEe
hEEm
dEEN
EF
KTEE
E
g
f
)()(
3
21
23
27
1
1.)(2
)(
(3. 20)
dE
e
EECdEENKT
EEgf
1
1.)()( 21
(3. 21)
dEeEECdEEN KTEE
g
f
.)()( 21
(3. 22)
Sendo Ef = Eg/2
18
Eg
ktEg
eh
KTmdEENN 23
23
25
)(2)( (3. 23)
KTEg
eATN 22/3 . (3. 24)
onde
3
2/32/5 )(2h
KmA
(3. 25)
ou
2/33
15 )(10.6,4 Kcm
eletronsA o (3. 26)
logo
KTEg
eATN 22/3 (3. 27)
Na temperatura ambiente o número de portadores, N, na Banda de Condução
para o Silício é:
Ns = 1010 elétrons/cm3 (3. 28)
E para o Germânio é:
Ng = 1013 elétrons/cm3 (3. 29)
3. 8 – Condução em Semicondutores
De acordo com a condutividade elétrica dos materiais estes podem ser
classificados em:
Condutor (Metal) - é aquele que oferece maior facilidade a passagem de corrente elétrica
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Semicondutores - é um material que apresenta uma condutividade entre a alta
condutividade dos condutores e a baixa condutividade dos isolantes.
Isolante - é aquele que oferece maior dificuldade a passagem de corrente elétrica. Contudo,
o isolante sob certas condições específicas pode se tornar um condutor. Ex. vidro quente.
Isto pode ser explicado por meio do Modelo das Faixas de Energia ou Teoria da Bandas.
Condutores, Semicondutores e Isolantes
Os materiais encontrados na natureza podem ser classificados, segundo o
comportamento elétrico, em: isolantes, condutores e semicondutores.
Os condutores são materiais que apresentam grande número de elétrons livres,
por exemplo: cobre, alumínio, ouro, etc. Os isolantes são materiais que não apresentam
elétrons livres, por exemplo: mica, papel, plástico, etc. Os semicondutores são materiais
que não apresentam comportamento de isolante nem de condutores, isto é, não são nem
bons isolantes nem bons condutores.
A resistividade de um condutor, à temperatura ambiente, é da ordem de 10-5
cm e de um isolante é aproximadamente 107 cm. Nos semicondutores a resistividade
varia de 10-3 cm a 105 cm. O fator que influencia muito a estrutura dos
semicondutores é a temperatura. Ao contrário do que se observa nos condutores, a
resistividade de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura pois com o
acréscimo da energia térmica mais elétrons livres são obtidos.
Outra propriedade interessante que os semicondutores apresentam é a
fotocondutividade, que é a propriedade que um material possui de produzir maior ou menor
quantidade de elétrons livres, e, portanto maior ou menor resistência à corrente elétrica, em
função da intensidade luminosa incidente.
Nos semicondutores a fotocondutividade aumenta com o aumento da intensidade da
iluminação incidente, pois elétrons são liberados pelas interações fotoelétricas com os
átomos da rede cristalina.
3.8.1 - Faixas ou Bandas de Energia
Geralmente em um sólido observa-se 3 faixas de energia principais. No
primeiro gráfico apresenta-se um semicondutor onde a Energia do Gap (Banda Proibida)
20
está entre as energias do condutor e do isolante. No segundo gráfico apresenta-se um metal
ou condutor onde a Energia do Gap (Banda Proibida) é muito estreita. No terceiro gráfico
apresenta-se um isolante onde a Energia do Gap (Banda Proibida) é muito grande quando
comparada com a dos outros materiais nesta classificação.
De acordo com o Modelo de Bandas um material pode ser classificado em
condutor, semicondutor, e isolante conforme é a largura do seu Gap de energia em relação
a escala de temperatura, KT. A Figura - 3. 12.
Figura - 3. 12. Classificação dos materiais quanto a sua característica elétrica intrínseca.
De acordo com a Figura - 3. 12 temos que:
A energia luminosa ou térmica gera um número igual de elétrons e lacunas na
estrutura atômica de uma substância semicondutora. O número de elétrons e lacunas
presentes em uma substância, em qualquer momento, é diretamente proporcional à
quantidade de energia luminosa ou térmica presente.
O número de elétrons na banda de condução para o Germânio é da ordem de
NCB = 1,5 1013 elétrons/cm3 (Ge) (3. 30)
e para o Silício
NCB = 8,6 109 elétrons/cm3 (Si) (3. 31)
21
Figura - 3. 13. Estrutura atômica do cristal semicondutor intrínseco de Silício puro.
Estrutura de um Semicondutor
Um átomo se compõe de um núcleo e de uma eletrosfera. Cada elétron possui
carga negativa e se move, dentro da eletrosfera, em trajetórias médias denominadas órbitas
eletrônicas. Os elétrons da camada externa são os responsáveis pelas ligações entre os
átomos do material.
O átomo de silício possui três camadas nas quais 14 elétrons estão distribuídos
da seguinte forma:
2 elétrons na primeira camada,
8 elétrons na segunda camada e
4 elétrons na terceira camada.
O átomo assim constituído se apresenta neutro e, para simplificarmos a sua
representação, utilizaremos o esquema apresentado pela figura 1 que evidencia os quatro
elétrons de valência. Essa representação pode ser utilizada também para o átomo de
germânio pois apresenta a seguinte distribuição eletrônica: 2, 8, 18, 4.
22
Figura - 3. 14.
Os elétrons de valência podem ser afastados do átomo através de acréscimos de
energia, por exemplo, térmica, luminosa, elétrica, aumentando o número de elétrons livres e
variando a condutividade do cristal.
O silício cristaliza-se no sistema cúbico e apresenta quatro elétrons na última
camada, cada um dos quais, combinando com um elétron de quatro átomos adjacentes,
constitui por sua vez elétrons de configuração energética muito estável que recebem o
nome de ligação covalente, conforme mostra a figura 2.
Figura - 3. 15.
Dessa forma, cada átomo é associado àquele que o circunda. O cristal é um isolante
perfeito à temperatura de zero absoluto, 00k = -2730c, não apresentando nenhum elétron
livre, entretanto tal fato não é verificado à temperatura ambiente.
Por elevação da temperatura ou por incidência de radiação luminosa aparecem
vibrações entre os átomos que podem causar rupturas das ligações covalentes.
23
Esta ruptura provoca a liberação de um elétron assim como deixa uma falha
com o surgimento de uma ligação incompleta. O elétron se transforma em elétron livre e a
falha pode simbolizar uma carga positiva (ausência de carga negativa) que é denominada
lacuna.
3.8.2 - Cálculo da Corrente Máxima para o Germânio
O movimento irregular dos elétrons e das lacunas em uma substância
semicondutora, como resultado da excitação luminosa ou térmica, se chama “corrente
intrínseca”. A corrente intrínseca contribui para o fluxo da corrente eletrônica quando se
aplica uma diferença de potencial elétrico à substância semicondutora.
Supondo-se, para o Germânio, uma velocidade de aproximadamente, V 4 104
cm/s e um campo elétrico, E = 10 V/cm, em uma área = 1 mm1 mm = 1 mm2 temos uma
corrente, I, de aproximadamente
mAI 96,0 (3. 32)
Ao se considerar a condutividade elétrica dos materiais semicondutores é
preciso imaginar soluções para aumentar os portadores de carga na banda de condução com
a finalidade de aumentar a corrente e dar ao material as aplicações necessárias. As possíveis
soluções para isso são:
1) Aumentar a temperatura – não é uma solução viável visto que não é permanente, pois
depende das condições externas.
2) Excitação com ondas eletromagnéticas, E = hv, (radiação, luz, etc). Esta solução só é
utilizada em casos especiais
3) Dopagem com elementos de valência. Esta é a solução adotada na construção de
dispositivos eletrônicos.
Condutibilidade Intrínseca
Quando uma diferença de potencial é aplicada em um semicondutor, as lacunas
se movem em direção oposta à dos elétrons livres e com a mesma velocidade praticamente.
Esse deslocamento é na realidade o deslocamento de elétrons livres no sentido da tensão
24
aplicada; aparentemente as lacunas se deslocam em sentido contrário à da tensão aplicada,
conforme mostre a figura 3.
Figura - 3. 16.
À temperatura ambiente existe um determinado número de elétrons livres e de
lacunas móveis. A velocidade de produção de elétrons livres e de lacunas móveis depende
da temperatura e a condutividade do cristal depende do número de elétrons e de lacunas.
A condutividade de um cristal de silício à temperatura ambiente é pequena
poisa aparição de um elétron livre implica imediatamente uma lacuna e a taxa de
recombinação é extremamente grande.
Com a adição controlada de determinadas impurezas, a condutividade do cristal
de silício ou de germânio pode ser bem controlada.
Figura - 3. 17. Denomina-se dopagem o processo de adição controlada de impurezas específicas ao cristal puro do semicondutor.
As dopagens podem ser do tipo N ou do tipo P.
No cristal do tipo N foram injetadas impurezas que favoreceram o aparecimento
de elétrons livres e no cristal de tipo P foram colocadas impurezas que favoreceram o
surgimento de lacunas.
25
As impurezas que produzem o cristal de tipo N são impurezas pentavalentes,
por exemplo: arsênico, antimônio ou fósforo.
Para a produção do cristal do tipo P são utilizadas as impurezas trivalentes, por
exemplo: boro, alumínio ou índio. Nos cristais do tipo N a condução é feita,
essencialmente, por elétrons livres e nos cristais de tipo P a condução é feita por lacunas
móveis.
3.8.3 - Semicondutor (Silício) Intrínseco e Extrínseco
Os cristais de germãnio ou silício quando encontrados em seu estado natural,
recebe a denominação de intrínseco. Após passarem pelo processo de dopagem, a fim de se
obter os cristais tipo-N e tipo-P, passam a ser denominados de extrínsecos.
Os átomos que perdem elétrons passam a ser denominados íons positivos
(cátions) e os átomos que recebem elétrons se tornam íons negativos (anions). São os
átomos das impurezas ou dopantes que fornecerão os íons para a estrutura do material.
As lacunas são portadores majoritários no cristal tipo-P e portadores
minoritários no cristal tipo-N e vice-versa.
Os elétrons são portadores majoritários no cristal tipo-N e portadores
minoritários no cristal tipo-P e vice-versa.
3.8.3 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo - N
O material semicondutor tipo-N é obtido introduzindo-se impurezas
pentavalentes na estrutura cristalina do silício ou do germânio. Impurezas pentavalentes são
aqueles elementos químicos adicionados a estrutura cristalina do semicondutor (natural ou
intrínseco), que apresentam 5 elétrons na sua última camada de valência. O material tipo -
N (germânio ou silício) ou doador é aquele que apresenta um excesso de elétrons em sua
estrutura cristalina. Os elementos químicos ou impurezas pentavalentes comumente usados
como doadores são: O Antimônio (Sb), Boro (B), o Arsênio (As) e o Fósforo (P).
26
Figura - 3. 18. Estrutura atômica do cristal semicondutor extrínseco tipo-N, dopado com Arsênio.
Obs.: O “gap” do Germânio é menor do que o do Silício. A 70ºC o Germânio
tem uma corrente reversa da ordem de 100 mA.
Figura - 3. 19. Níveis de energia dos cristais de Silício puro e do Silico dopado com Arsênio.
27
Figura - 3. 20. Níveis de energia do cristal semicondutor extrínseco tipo-N, dopado com Arsênio.
Como os portadores da maioria das cargas em um semicondutor tipo-N são os
eletrons, quando se aplica uma diferença de potencial ao mesmo, falamos do fluxo da
corrente como sendo o movimento dos elétrons entre os pólos negativo e positivo da fonte
de potencial.
O Cristal N
Considerando um cristal de germânio puro e injetemos átomos de arsênio nesse
cristal. Sendo o arsênico um elemento pentavalente, ao se fixar na estrutura do cristal, por
meio de quatro ligações covalente, aparecerá um quinto elétron fracamente ligado ao seu
núcleo, conforme mostra a figura 4.
Figura - 3. 21.
28
O arsênico recebe a denominação de doador. Uma vez fixo as estrutura, o
quinto elétron fracamente ligado será deslocado e a região ficará ionizada positivamente.
Assim o cristal N apresentará regiões positivas fixas e elétrons livres. Em um
típico cristal semicondutor de tipo N, os portadores majoritários são elétrons livres.
Condução em um Cristal N
Consideremos o cristal de germânio de tipo N nas condições da Figura - 3. 22.
Figura - 3. 22.
Ao ligarmos o interruptor, verificaremos a passagem de uma corrente de
elétrons livres em direção ao pólo positivo da bateria, não importando se houve ou não
inversão de polaridade.
Não ocorre nenhum fenômeno de retificação em cristal de germânio de tipo N.
3.8.4 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo – P.
O material semicondutor tipo-P é obtido introduzindo-se impurezas trivalentes
na estrutura cristalina do silício ou do germânio. Impurezas trivalentes são aqueles
elementos químicos adicionados a estrutura cristalina do semicondutor (natural ou
intrínseco), que apresentam 3 elétrons na sua última camada de valência. O material tipo - P
(germânio ou silício) ou aceitador é aquele que apresenta uma falta ou uma deficiência de
elétrons em sua estrutura cristalina. Os elementos químicos ou impurezas trivalentes
comumente usados como aceitadores são: O Alumínio (Al), o Gálio (Ga), e o Índio (In).
29
Figura - 3. 23. Estrutura atômica do cristal semicondutor extrínseco tipo-B, dopado com Boro.
GaAs : (Arseneto de Gálio) tem resposta melhor que o Silício em altas freqüências (muito usado em microondas).
Figura - 3. 24. Níveis de energia dos cristais de Silício puro e do Silico dopado com Boro
30
Figura - 3. 25. Niveis de energia do cristal semicondutor extrínseco tipo-P, dopado com Boro.
Como os portadores da maioria das cargas em um semicondutor tipo-P são as
lacunas, quando se aplica uma diferença de potencial ao mesmo, falamos do fluxo da
corrente como sendo o movimento das lacunas entre os pólos positivo e negativo da fonte
de potencial.
Na prática imagina-se a corrente no germânio tipo-N como sendo um fluxo de
elétrons, e a corrente no germânio tipo-P como sendo um fluxo de lacunas. Contudo, tanto a
substância tipo-P quanto a tipo-N são eletricamente neutras.
O Cristal P
Consideremos um cristal de germânio puro e injetemos átomos de índio nesse
cristal. Sendo um elemento trivalente, o índio só poderá oferecer três elétrons para as
ligações covalentes da estrutura, originando portanto uma lacuna. O índio recebe o nome de
aceitador. A temperatura ambiente são produzidos elétrons intrínsecos e estes são presos
nas lacunas produzidas pelas impurezas, fechando a última camada em oito elétrons e
fazendo com que a região fique ionizada negativamente, conforme Figura - 3. 26.
31
Figura - 3. 26.
As lacunas aparecem na captura do elétron intrínseco, pois este ao ser liberado
produz uma lacuna. Em um típico cristal P, cujos portadores majoritários são lacunas
móveis e apresenta regiões negativas fixas na estrutura.
Condução em um Cristal P
Consideremos a situação apresentada pela Figura - 3. 27.
Figura - 3. 27.
Ao ligarmos o interruptor S, verificaremos a passagem de uma corrente de
lacunas móveis em direção ao pólo negativo da bateria, não levando em conta se houve ou
não inversão da polaridade da bateria.
32
Não ocorre nenhum fenômeno de retificação em um cristal de germânio de tipo
P.
3.8.5 - Emissão por Semicondução
Os metais possuem uma condutividade elétrica muito elevada, isto, é
conseqüência do acentuado grau de liberdade de seus átomos periféricos e também, função
da concentração de elétrons livres. Para os condutores esta concentração é muito elevada,
sendo da ordem de 1022 elétrons/cm3. Para os isolantes ou não condutores, a concentração
de elétrons é da ordem de 1012 elétrons/cm3.
Figura - 3. 28. Emissão por semicondução
O elétron que abandona um determinado átomo desloca-se deixando uma
lacuna conforme mostra a Figura - 3. 28. Este mesmo elétron vai ocupar mais adiante outra
lacuna, surgida com o deslocamento de outro elétron de covalência de outro átomo e assim
por diante. Desta forma, enquanto os elétrons (carga negativa) vão se deslocando para um
lado, para a direita por exemplo, as lacunas ou buracos (cargas positivas) deslocam-se em
sentido contrário, para a esquerda.
Em um semicondutor puro, ou intrínseco o número de lacunas é igual ao
número de elétrons livres. Os elétrons são os portadores de cargas negativas e as lacunas
são portadoras de cargas positivas. Tomando-se por base o germânio ou silício e
empregando-se uma técnica altamente especializada, consegui-se elaborar dois tipos de
cristais, um deles rico de elétrons altamente livres denominado cristal tipo-N e o outro rico
em lacunas denominado cristal tipo-P.
Cristal tipo-N: elétrons portadores majoritários e buracos ou lacunas
portadores minoritários.
33
Cristal tipo-P: elétrons portadores minoritários e buracos ou lacunas
portadores majoritários.
3.8.6 - Correntes nos Semicondutores
O processo de condução de corrente elétrica envolve o movimento de cargas
elétricas sob a ação de algum tipo de força. É necessário que; para que um material possa
conduzir corrente elétrica ele deve conter cargas elétricas livres, isto é, cargas que tenham
mobilidade.
A corrente será tanto maior quanto maior for a quantidade de cargas livres em
movimento e quanto maior for a sua velocidade.
][; AtqI
(3. 33)
Ou seja, q, é o numero de cargas que atravessam um volume no intervalo de tempo, t,
que é o tempo que a carga leva para atravessar este volume dado por uma determinada
secção transversal de área A.
3.8.7 - Correntes Deriva
Se a força aplicada ao material for devida a um campo elétrico fornecido por
uma fonte de alimentação, dizemos que a corrente é da deriva (ou condução).
3.8.8 - Correntes de Difusão
Existem outras possibilidades de manter as cargas em movimento. Como por
exemplo, quando elas se espalham procurando uniformizar a densidade numa determinada
região.
34
Figura - 3. 29. Processo de difusão, em um material homogêneo, ativada por uma diferença de temperatura, T, entre os ponto A e B do material esquematizado acima.
Considere os lados opostos A e B de um material. Se temos muitas cargas no
lado A e poucas no lado B, então teremos movimento de cargas de A para B, tendendo a
uniformizar as concentrações, logo essa corrente é chamada de corrente de difusão.
3.8.9 - Geração e combinação
Fornecendo-se energia (luz, calor, campo elétrico, etc) ao semicondutor, alguns
elétrons soltam-se dos seus átomos e formam os chamados elétrons livres, que passam da
banda de valência para a banda de condução. Certas ligações são desfeitas e a falta de
elétrons de uma ligação é chamada lacuna ou buraco. Quanto mais energia é fornecida,
maior é o número de ligações desfeitas. Esse processo chama-se geração (aparecimento de
elétrons e lacunas correspondentes). Ao fazermos cessar a energia do material os elétrons
voltam para a ligação e desaparecem tanto os elétrons como as lacunas. Esse processo
chama-se recombinação.
Junção PN
Junção PN é uma região muito fina de um monocristal na qual a condutividade
passa da condutibilidade de tipo P à condutibilidade de tipo N.
Consideremos um monocristal de germânio que contenha as dopagens de tipo P
e tipo N, como mostra a Figura - 3. 30.
35
Figura 8
Figura - 3. 30.
Ao serem colocados em contato os cristais P e N, ocorrerá uma difusão de
lacunas móveis e de elétrons livres.
Os elétrons livres da região N, ao se encontrarem com as lacunas móveis da
região P, farão a recombinação dos pares elétron-lacuna e farão também com que surja uma
região essencialmente positiva fixa no cristal n e uma região essencialmente negativa fixa
no cristal P. A tensão existente entre essas duas regiões recebe o nome de barreira de
potencial.
Efeito de uma Tensão sobre a Junção
- Sentido de Condução:
Ao ser estabelecido um circuito onde a região N é submetida a um potencial
positivo de uma bateria e a região P ao negativo, observa-se que a tensão externa e se opõe
à barreira de potencial da junção PN. Esta oposição enfraquece a barreira e faz com que
elétrons passem da região N à região P, estabelecendo-se uma corrente no circuito.
Podemos, portanto concluir que, quando a região P estiver em potencial mais alto do que a
região N, a junção é dita polarizada diretamente e o cristal permite a passagem da corrente,
isto é, ele conduz.
- Sentido de Bloqueio:
36
Se as regiões N e P forem ligadas a uma bateria com a polaridade inversa ao
descrito acima, a tensão externa estará reforçando a barreia de potencial.
Desse modo os elétrons não atingirão a região P se esta estiver em potencial mais baixo que
a região N. A junção estará polarizada inversamente e o cristal não conduzirá.
Na prática, porém, aparece uma corrente muito pequena proveniente de lacunas
e elétrons livres produzidos por agitação térmica próximos da junção PN. Essa corrente é
da ordem de 10µA no silício, porém será tanto maior quanto maior for a temperatura. Essa
corrente recebe o nome de corrente de saturação inversa ou corrente de fuga.
3. 9 - Dispositivos eletrônicos
Vamos agora estudar os diferentes dispositivos eletrônicos construídos de
material sólido semicondutor
O embasamento teórico feito até agora nos permitirá a partir de agora entender
o funcionamento eletrônico dos dispositivos semicondutores. Portanto, vamos estudar os
diferentes dispositivos eletrônicos construídos de material sólido semicondutor.
Os diodos e transistores são feitos de material semicondutor tais como o silício
e o germânio.
3. 10 – Diodos semicondutores
A palavra diodo significa di = dois e odos = pólos ou eletrodos este nome
provém da válvula eletrônica que consistia em uma ampola de gás utilizada com a mesma
finalidade que o diodo semicondutor de estado sólido inventado anos mais tarde.
Figura - 3. 31. Equivalência entre o diodo de ampola de gás (válvula eletrônica) e o diodo semicondutor.
37
3.10.1 – Diodo semicondutor de junção - PN
Devemos lembrar que, quando os átomos da impureza substituem os átomos de
germânio ou silício, apenas os elétrons praticamente livres fornecidos pelas impurezas
pentavalentes e os buracos fornecidos pelas impurezas trivalentes podem se deslocar sob o
efeito de um campo elétrico.
Figura - 3. 32. Estrutura atômica da junção
No cristal-N existem muito mais elétrons que no tipo-P, assim como no cristal-
P existem mais buracos ou lacunas que no lado N. Consequentemente, terá início um
processo de difusão dos elétrons do cristal-N para o cristal-P, e de lacunas do cristal-P para
o cristal-N.
Figura - 3. 33. Junção PN e a formação da barreira de potencial
Os elétrons e os buracos que se recombinam deixaram próximos a junção, íons
positivos e íons negativos resultantes do arrancamento dos elétrons e dos buracos,
respectivamente. Estes íons são chamados de cargas descobertas e a região em torno da
junção onde se formarem estas cargas descobertas é denominada de região de transição ou
região de barreira de potencial.
38
3.10.2 – Características da junção - PN
Logo que é formada a junção-PN, tem-se início o processo de difusão das
cargas elétricas. À medida que os elétrons e buracos vão se recombinando na junção, vão
surgindo as cargas descobertas que tendem a impedir a passagem de novos portadores e
este processo continuará até que haja um equilíbrio termoquímico entre os cristais.
Lembrando-se que tanto na região-P como na região-N pares de elétrons-
buracos estão sempre sendo gerados por quebra de ligações covalentes, e sempre se
recombinado, completando as ligações covalentes descobertas. As cargas descobertas dão
origem a uma d.d.p. de valor Vo. Esta d.d.p. pode ser esquematicamente representada por
uma bateria.
A medida que as cargas descobertas vão se formando e aglomerando-se em
torno da junção, elas começam a repelir a injeção de novos portadores. Esta é a causa,
porque o processo de difusão não prossegue indefinidamente.
Os átomos das impurezas do lado-P tornam-se não neutro, tendo em excesso
uma carga negativa para cada átomo, logo ele passa a ser um íon negativo. Quando os
elétrons do lado-N vão para o lado-P, eles deixam as impurezas com um elétron a menos e
daí o átomo deixa de ser neutro, passando a ter mais carga positiva, então ele se torna um
íon positivo. Essas cargas elétricas criam um campo elétrico e esse campo elétrico tem um
sentido dirigido das cargas positivas para as negativas. Esse campo elétrico irá empurrar os
elétrons de P para N e lacunas de N para P criando uma corrente de deriva. Aparece então
uma situação de equilíbrio dinâmico, em que cada vez que passar um eletron a mais para o
lado P ele irá aumentar a carga fixa e isto aumentará o campo que irá dificultar a passagem
de elétrons de N para P. Conclusão sem fornecer energia externa a corrente resultante neste
caso é zero. Conclusão, sem fornecer energia externa (bateria) a corrente resultante é nula
(zero).
39
Figura - 3. 34.
Ed d = V (3. 34)
Ge 0,2 V (3. 35)
Si 0,6 V (3. 36)
Concentrações iguais:
dP = dN (3. 37)
Em geral:
][][
pn
dd
N
P
(3. 38)
Onde [n] é a concentração de portadores N e [p] é a concentração de portadores P.
40
Figura - 3. 35.
3.10.3 - Polarização Direta
Com recursos externos, pode-se neutralizar facilmente a ação da barreira de
potencial na junção-PN. Para isso, basta aplicar uma fonte, isto é, uma bateria com seus
terminais ligados às extremidades da junção. Na polarização direta liga-se o pólo negativo
da bateria no cristal-N e o pólo positivo no cristal-P. Ao se ligar a fonte, os portadores
começarão a se deslocar na junção da seguinte maneira. Os elétrons livres do cristal-N são
repelidos pelo pólo negativo da bateria e se deslocam para a junção, enquanto que as
lacunas do cristal-P são repelidos pela ação do pólo positivo da bateria, e se deslocam em
sentido contrário aos elétrons em direção à junção.
Para que haja injeção dos portadores é necessário que o potencial da bateria
seja maior que o efeito produzido pela barreira de potencial. Uma vez que os elétrons do
lado-N serão repelidos pelo terminal negativo da bateria e os buracos do lado-P serão
repelidos pelo terminal positivo da bateria em direção à junção, isto fará com que o efeito
de barreira de potencial seja diminuído consideravelmente. Diminuído o efeito da barreira,
a corrente aumentará bastante.
O número de portadores que na maioria tenderão a atravessar a junção para este
tipo de ligação (polarização direta) nos fornecerá uma corrente de valor alto a qual
denominamos de corrente direta.
41
3.10.4 - Polarização Inversa
Na Figura - 3. 35 vemos que:
E d = VT = 0,6 V + 10 V (3. 39)
Corrente reversa na temperatura ambiente
IR = 10-6 A - Ge (3. 40)
IR = 10-8 A - Si (3. 41)
70°C 100 A p/ o Ge (3. 42)
e
70°C 1A p/ o Si (3. 43)
A corrente intrínseca cria na junção-PN uma região de “esvaziamento” ou “
depressão”, a qual esta constituida de portadores da maioria das cargas.
Na junção-PN do germânio, a região de depressão resulta do movimento de
elétrons e lacunas através da junção.
O campo elétrico que se estabelece na região de depressão impede o movimento
de elétrons e lacunas através da junção.
Quando se aplica uma diferença de potencial á junção-PN dizemos que a
mesma está polarizada.
Quando se liga o terminal positivo da bateria no semicondutor tipo-N e o
terminal negativo no semicondutor tipo-P da junção-PN dizemos que a mesma está
polarizada inversamente e o contrário dizemos que a junção-PN está polarizada
diretamente.
42
Curva característica do Diodo
Figura - 3. 36. Curva característica do diodo semicondutor.
A corrente elétrica em um material é dada pela lei de ohm, na seguinte versão:
EJ
(3. 44)
onde J é o fluxo de corrente elétrica, , é a condutividade elétrica e E é o campo elétrico
aplicado.
Considerando que o fluxo é também dado por:
vneJ (3. 45)
onde n é a densidade volumétrica de portadores de cargas e v é a velocidade destes
portadores, igualando-se (3. 44) com (3. 45) temos que a condutividade elétrica pode ser
expressa como:
Evne
(3. 46)
Definindo-se a grandeza:
43
Ev
(3. 47)
Como sendo a mobilidade dos portadores, tem-se que:
ne (3. 48)
Considerando que um cristal semicondutor tipo-P (dopado com impureza
pentavalente) onde os portadores majoritários são as lacunas e os portadores minoritários
são os elétrons, podemos escrever a condutividade elétrica como sendo:
np nene (3. 49)
Onde p e n são as mobilidades elétricas dos portadores majoritários (lacunas) e
minoritários (elétrons), respectivamente.
3. 11 – Diodo Zener
Diodos Zener são semicondutores especialmente construídos para trabalhar
com tensão reversa igual ou maior que a tensão de ruptura da junção-PN.
Uma alta tensão de polarização reversa faz com que o diodo alcance a região de
ruptura e conduza uma alta corrente reversa. Após o ponto de ruptura, uma pequena
variação na tensão reversa ocasiona grandes variações na corrente reversa. Ultrapassando
esse ponto, diz-s e que o diodo está operando em sua “região de ruptura zener”. Nesse caso
a corrente que passa pelo diodo é inferida como a “corrente zener”, IZ.
Os valores típicos de tensão zener (Vz) podem variar desde alguns volts até
centenas de volts. Os mais comuns de baixa tensão são de 3,1V; 4,7V; 5,1V; 6,2V; 9,1V.
Estes representam os valores nominais de tensão reversa sobre o diodo, quando a corrente
zener é um valor especificado, chamado de corrente de teste zener (IZt). È necessário
especificar os valores máximos e mínimos da tensão de ruptura. O que é dado em
porcentagem de tolerância com 20%, 10%, 5%, 1%.
As especificações de potência são dadas a uma dada temperatura, por exemplo,
a 25oC a capacidade de dissipação de potência é de 400mW.
44
Existem diodos zener com capacidade de dissipação de até 50W. A capacidade
de potência diminui para uma maior temperatura e aumenta para baixa temperatura.
É necessário se limitar também a corrente reversa máxima que pode fluir em
um diodo zener chamada “máxima corrente zener”, IZmax.
zenerTensãoPotênciaIZ max (3. 50)
Outra importante característica é a impedância zener Zz.
IVZZ
0 (3. 51)
A variação de corrente considerada deve está acima e abaixo do valor da
corrente de teste, IZt.
3.11.1 - Regulador de tensão a diodo zener
Geralmente os circuitos de estado sólido requerem tensões contínuas constante
sem qualquer variação.
Uma fonte de tensão alimentada pela rede de C. A. apresenta variação de tensão
de saída quando tensão da rede varia, ou ainda, quando são ligados cargas de diferentes
valores de resistência.
Um diodo zener polarizado reversamente incluído no circuito de saída da fonte
mantém a tensão de saída em um valor constante igual a tensão zener, VZ.
O valor do resistor em série, RS, permite um fluxo de corrente suficiente para o
diodo zener trabalhar em sua região de ruptura. A tensão C. C. não regulada precisa ser
maior que a tensão de ruptura zener do diodo utilizado.
Após ligada a carga, RL, a corrente através de RS será a soma das correntes pelo
diodo IZ e pela carga IL (L = load = carga).
LZS III (3. 52)
A corrente de carga é determinada pelo valor da tensão zener e da resistência
RL.
45
L
ZL R
VI (3. 53)
Se a carga, RL, aumenta a tensão sobre RL tenderá a aumentar mas o diodo
mantém constante a tensão sobre RL e assim, quando RL cresce de valor a corrente IL
diminui e IZ aumenta mantendo constante a corrente através de RS (IS = IL + IZ), logo
LLRL IRV . (3. 54)
O regulador de tensão a diodo zener mantém, assim uma tensão de saida
relativamente constante, ainda que ocorrerá uma mudança na tensão de entrada ou na
corrente de carga (corrente de saída).
3. 12 – Diodos Especiais
3. 7.1 - LED - Diodo Emissor de Luz
O led (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o próprio nome já diz,
é um diodo (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática
e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela
aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado "eletroluminescência".
Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à
junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a
energia possuida por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na
forma de calor ou fótons de luz.
No silício e no germânio, que são básicos nos diodos e transistores, entre outros
componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo
insignificante a luz emitida, e os componentes que trabalham com maior capacidade de
corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na
manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável.
Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio
(GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante
visíveis.
46
A figura 6 apresenta de forma simplificada uma junção P-N de um led e
demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área do
semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao
material semicondutor. Na ligação, os íons desse material dopante (íons "aceitadores")
removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas", portanto, o
semicondutor torna-se do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém
átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência.
Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o
semicondutor do tio N.
Na região de contato das duas áreas, elétrons e lacunas se recombinam, criando
uma fina camada isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde
temos apenas os íons "doadores" da região N e os íons "aceitadores" da região P, que por
não apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do material P dos outros
elétrons livres do material N.
Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial
mediante a aplicação de energia externa (polarização direta da junção). Aqui é preciso
ressaltar um fato físico do semicondutor: nesses materiais, os elétrons só podem assumir
determinados níveis de energia (níveis discretizados), sendo as bandas de valência e de
condução as de maiores níveis energéticos para os elétrons ocuparem.
A região compreendida entre o topo da de valência e a parte inferior da de
condução é a chamada "banda proibida". Se o material semicondutor for puro, não terá
elétrons nessa banda (daí ser chamada "proibida"). Como mostra a figura 7, a recombinação
entre elétrons e lacunas, que ocorre depois de vencida a barreira de potencial, pode
acontecer na banda de valência ou na proibida. A possibilidade dessa recombinação ocorrer
na banda proibida se deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela
introdução de outras impurezas no material.
Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de energia mais próximo
da banda de condução, pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos
leds, de modo a exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada
(comprimento de onda específico).
47
A luz emitida é monocromática, sendo a cor, portanto, dependente do cristal e
da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arseneto
de gálio emite radiações infravermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser
vermelha ou amarela, de acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com
dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou amarela.
Na figura 8, encontra-se o aspecto físico de alguns leds e o seu símbolo elétrico.
Em geral, os leds operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os
circuitos de estado sólido. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com
um tempo de vida útil de 100.000 ou mais horas.
Como o led é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização
direta é semelhante à de um diodo semicondutor (figura 9).
Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "código" de identificação para a
determinação externa dos terminais A (anodo) e K (catodo) dos leds.
Nos leds redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K
como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro
("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam
simultaneamente as duas formas de identificação.
Nos leds retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um
pequeno "alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam esse
terminal mais curto. Essas identificações são notadas na figura 10.
Mas, pode acontecer do componente não trazer qualquer referência externa de
identificação dos terminais. Nesse caso, se o invólucro for semitransparente, pode-se
identificar o catodo (K) como sendo o terminal que contém o eletrodo interno mais largo do
que o eletrodo do outro terminal (anodo). Além de mais largo, às vezes o catodo é mais
baixo do que o anodo (figura 11).
Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays
alfa-numérico (figura 12).
Há também leds bicolores, que são constituídos por duas junções de materiais
diferentes em um mesmo invólucro, de modo que uma inversão na polarização muda a cor
da luz emitida de verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda leds bicolores com três
terminais, sendo um para acionar a junção dopada com material para produzir luz verde,
48
outro para acionar a junção dopada com material para gerar a luz vermelha, e o terceiro
comum às duas junções. O terminal comum pode corresponder à interligação dos anodos
das junções (leds bicolores em "anodo comum") ou dos seus catodos (leds bicolores em
"catodo comum").
Embora normalmente seja tratado por led bicolor (vermelho+verde), esse tipo
de led é na realidade um "tricolor", já que além das duas cores independentes, cada qual
gerada em uma junção. Essas duas junções podem ser simultaneamente polarizadas,
resultando na emissão de luz alaranjada.
Geralmente, os leds são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização
ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses
painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca.
3. 7.2 - Limitações de um LED
Como o diodo, o led não pode receber tensão diretamente entre seus
terminais,uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada.
Assim, o uso de um resistor limitador em série com o led é comum nos circuitos que o
utilizam.
Tipicamente, os leds grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando
redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 20 mA e os pequenos (com
aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor (de 6 a 10 mA).
Vamos dimensionar o resistor limitador de corrente para "acender" dois leds,
um grande e um pequeno, com uma fonte de 12V, como mostra a figura 13.
Independentemente do led, note que a tensão sobre ele é da ordem de 2V,conforme a curva
característica da figura 9.
Assim:
(3. 55)
R1 = 12 - 2 R2 = 12 - 2 I1 I2
49
Adotamos I1=15 mA e I2=8mA:
(3. 56)
R1 = 12 - 2 = 10 = 680* 0 ,015 0,015
(3. 57)
R2 =12 - 2 = 10 = 1K2* 0,008 0,008 * aproximamos os resultados para os valores comerciais mais próximos.
Os leds não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo, podendo
danificarem-se com apenas 5V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por
tensão C.A., o led costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo
(figura 14), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - led - fica no corte,
limitando essa tensão reversa em torno de 0,7V (tensão direta máxima do diodo), ou seja,
em um valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique.
Figura - 3. 37. LED- Diodo emissor de luz.
3. 13 – Diodos Emissores De Luz ( LEDs )
A conversão de um sinal elétrico em um sinal luminoso é uma função de grande
importância na eletrônica. Sua aplicação mais elementar é em indicadores e mostradores
50
luminosos usados em equipamentos eletrônicos, aparelhos de som e vídeo, equipamentos
científicos e industriais, relógios, etc. Outra aplicação importante é na geração de imagens a
partir de um sinal eletrônico, como em cinescópios de computadores e aparelhos de
televisão. A partir da década de 1980, esta função adquiriu importância ainda maior com a
disseminação da comunicações ópticas. Nos sistemas de comunicação óptica, um sinal
elétrico que contém a informação a ser transmitida é convertido em sinal luminoso num
diodo emissor de luz ou num laser semicondutor. Este propaga através de uma fibra óptica
até o receptor, onde é convertido outra vez em sinal elétrico num fotodetector,
reproduzindo a informação original.
A emissão de luz numa lâmpada incandescente ocorre divido ao aquecimento,
um processo físico clássico. Os modernos dispositivos opto-eletrônicos operam com base
em processos quânticos de emissão de radiação, chamados processos de luminescência. A
luminescência é a emissão de fótons que ocorre quando um sistema quântico, como o
átomo, passa de um nível excitado para outro de menor energia. O sistema pode ser
colocado no estado excitado através de diversos métodos, tais como: absorção de luz (
fotoluminescência ); bombardeio com feixe de elétrons ( catodo-luminescência ); aplicação
de um campo ou corrente elétrica ( eletroluminescência ). A fotoluminescência é a base de
operação dos lasers de estado sólido. A catodo luminescência é o processo pelo qual os
cinescópios de aparelhos de TV e computadores produzem a luz, enquanto a
eletroluminescência ocorre nos diodos emissores de luz.
O funcionamento no diodo emissor de luz, o LED ( Light Emitting Diode ), é
baseado numa forma especial de eletroluminescência, produzida pela injeção de portadores
numa junção p-n. Quando uma junção p-n é polarizada no sentido direto, os buracos do
lado p e os elétrons do lado n movem-se em sentidos opostos em direção à região de
depleção. Os buracos injetados no lado n recombinam com elétrons que estão chegando na
região de depleção, enquanto os elétrons injetados no lado p recombinam com buracos que
lá se encontram. Desta forma, todos os elétrons e buracos que participam da corrente
recombinam nas imediações da região de depleção, numa camada de espessura Lp do lado
de p e Ln do lado de n. Se o semicondutor da junção tiver gap indireto, como Si ou Ge, além
dos fótons a recombinação produz fônons e, portanto, calor. Estão torna a emissão de luz
muito pouco eficiente nos semicondutores de gap indireto. Por outro lado se o
51
semicondutor tiver gap direto, a recombinação de cada par elétron-buraco resulta na
emissão de um fóton. A figura abaixo ilustra o processo de injeção de portadores
minoritários nos dois lados de uma junção p-n, produzindo recombinação de pares e
emissão de fótons por transições inter-banda. Este processo é extensamente eficiente na
conversão de energia elétrica em luz.
Figura - 3. 38.
Os LEDs que operam no visível são muito utilizados para fazer lâmpadas
indicadoras para painéis de equipamentos eletro-eletrônicos. Estas lâmpadas são feitas com
uma grande variedade de formatos e cores. A figura 2 mostra uma estrutura típica de uma
lâmpada de LED.
Figura - 3. 39.
O chip do LED é montado sobre um dos pinos metálicos utilizados como
terminal externo. O contato com o outro terminal é feito por um fio soldado no filme
52
metálico no lado da janela do LED. O conjunto é encapsulado num plástico colorido, cuja
parte superior forma uma lente para colimar parcialmente a radiação.
Os LEDs de infravermelho são utilizados em sistemas de comunicações ópticas.
Estes sistemas são baseados na transmissão de informação por meio de um feixe de luz
infravermelho, que propaga confinado em uma fibra óptica com diâmetro de alguns m. Os
LEDs com essa finalidade são feitos com uma estrutura conhecida pelo nome do inventor,
Burrus. Na estrutura do Led tipo Burrus, o contato metálico com o semicondutor é
confinado a uma região de diâmetro semelhante ao da fibra óptica. Isso faz com que a
região ativa de emissão de luz seja pequena, resultando num eficiente acoplamento com a
fibra óptica. A fibra é montada rigidamente na estrutura e presa por meio de resina de
epoxi, como mostrado na Figura - 3. 40.
Figura - 3. 40.
O circuito de alimentação dos LEDs são bastantes simples. Para a emissão de
luz com intensidade constante basta fazer circular no sentido direto do diodo uma corrente
constante. Nos sistemas de comunicações ópticas é preciso incorporar um circuito de
modulação da corrente para produzir as variações correspondentes na intensidade da luz.
Dimensionamento do Resistor Limitador de Corrente & Característica I X V do Led
53
Uma vez conhecido os limites de operação informados pelo fabricante ou
obtidos experimentalmente em laboratório, podemos, em uma etapa específica do projeto
do circuito determinar qual o resistor ideal a ser empregado para limitação da corrente no
LED. Na prática, podemos adotar o seguinte procedimento:
Especifica-se qual o brilho desejado em função de um brilho referencial, o que
é possível através de um gráfico característico do componente, relacionado a corrente
através do LED ( ID ) e brilho relativo do componente;
Uma vez identificado o Id associado ao brilho desejado, verifica-se a queda de
tensão no LED ( VD ) associada àquela corrente;
Calcula-se o valor da resistência R associada para um dado nível de tensão de
alimentação ( VA ) do conjunto LED-resistor, como ilustra a figura abaixo
Figura - 3. 41.
onde obtemos VA pela seguinte relação:
D
DA
IVVR
(3. 58)
É válido lembrar que, para cada valor de R em série ao LED, teremos uma
curva característica tensão corrente com grandes alterações na região de condução, situação
onde a resistência do LED começa a representar valores muito baixos em relação ao
resistor. Nesta região, o gráfico assume a inclinação característica da curva tensão corrente
do resistor ( a diferença é a não linearidade imposta pelo LED que possui um VD
aproximadamente constante). Na região de polarização reversa o gráfico não sofre grandes
54
alterações, pois, os níveis de corrente são muito baixos para se notar a queda de tensão no
resistor. A figura a seguir mostra o tipo de alteração sofrida no aspecto do gráfico.
Figura - 3. 42.
3. 14 – Foto-emissão e foto-recepção em junções pn
Absorção e Emissão de Luz em Materiais com Impurezas
Em cristais semicondutores contendo impurezas, a presença de níveis discretos
de energia entre as bandas de valência e de condução dá origem a importantes processos de
absorção e emissão de fótons. A Figura - 3. 43 ilustra processos de emissão em
semicondutores tipo p e tipo n.
Figura - 3. 43.
Em a um elétron da banda de condução passa para um nível vazio de impureza
aceitadora emitindo um fóton de energia ( Ec – Ea ). Em b um elétron no nível de impureza
55
doadora recombina com um buraco da banda de valência emitindo fóton de energia ( Ed –
Ev ).
Apesar do número de impurezas num sólido ser muito pequeno comparado com
o dos íons de cristal, os processos de emissão e absorção de fótons envolvendo níveis de
impurezas são muito importantes, especialmente nos semicondutores de gap indireto.
Devido a facilidade dos elétrons e buracos se recombinarem por este processo de emissão
de fótons, as impurezas são chamadas de centros de recombinação.
Fotodetetores
Fotodetectores são dispositivos que convertem luz num sinal elétrico. O
desenvolvimento dos fotodetectores e dos fotoemissores de semicondutor permitiu a
substituição das válvulas e lâmpadas a vácuo e deu um enorme impulso à opto-eletrônica.
os fotodetectores mais utilizados atualmente nas regiões visível e infravermelho próximo
são os fotodiodos e os foto-resistores de semicondutor. Nestes dois dispositivos, o
mecanismo fundamental de conversão de luz em corrente elétrica é a geração de pares
elétron-buraco por absorção de fótons. Este processo provoca uma diminuição na
intensidade da luz a medida que esta penetra no material.
Considerando que o semicondutor tem espessura tal que toda a radiação é
absorvida, a taxa de criação de pares elétron-buraco é determinada pela intensidade inicial
I0 da luz.
Fotodiodos
Fotodiodos são detectores de radiação nos quais o sinal elétrico é produzido
pela geração de pares elétron-buraco causada por absorção de fótons nas imediações da
região de depleção de uma junção p-n. Os elétrons e os buracos dos pares criados pela
radiação são acelerados em sentidos opostos pelo campo elétrico da junção. Como o campo
tem sentido do lado n para o lado p, os buracos são acelerados no sentido de n para p,
enquanto os elétrons movem-se no sentido p para n, como ilustrado na Figura - 3. 44.
56
Figura - 3. 44.
Isto resulta numa corrente gerada pela radiação no sentido n para p, que é o sentido reverso
da corrente na junção. Uma grande diferença dos fotodiodos para os foto-resistores é que
neles a foto-corrente é produzida sem a necessidade da aplicação de uma tensão externa.
A detecção da radiação nos fotodiodos pode ser feita em dois modos distintos
de operação: no modo fotovoltaico o fotodiodo opera com circuito aberto, e quando a
junção é iluminada aparece uma tensão entre os lados p e n que pode ser medida
externamente; no modo fotocondutivo o dispositivo é curto-circuitado, ou opera sob uma
tensão externa no sentido reverso. Nesta situação uma corrente flui no sentido reverso
quando a junção é iluminada. A escolha do modo de operação do fotodiodo depende de sua
aplicação.
Em qualquer modo de operação, o fotodiodo sob radiação comporta-se como
uma junção p-n cuja corrente tem duas componentes: a primeira é aquela que existe sem a
geração de pares por absorção de fótons. Ela é chamada de corrente de escuro e é dada por
)1( / TkeVse
beII (3. 59)
onde Is é a corrente de saturação reversa, e V a tensão na junção; a outra componente é
aquela produzida pelos pares elétron-buraco gerados pelos fótons absorvidos nas
proximidades da junção.
57
3.12.1 - Diodo Tunel
Ë utilizado em circuitos osciladores e seus símbolos são mostrados na Figura -
3. 45.
Figura - 3. 45.
A construção deste diodo é feita de forma que a variação de tensão positiva
produz uma corrente negativa (sentido contrario ao que deveria ser) possibilitando assim
uma resistência negativa.
IVR
(3. 60)
Ele utiliza o efeito quântico chamado de tunelamento de barreira de potencial
pelos portadores de carga e sua curva característica é mostrada na Figura - 3. 46.
Figura - 3. 46.
3.12.2 - Diodo Varactor
É um diodo que funciona em termos de sua capacitância. Ele é utilizado em
circuito de sintonia e seu símbolo é mostrado na Figura - 3. 47.
Figura - 3. 47. Diodo varactor ou varicap
A construção deste dispositivo permite que ele se comporte como um diodo em
função de sua capacitância.
A partir de agora estudaremos os diodo utilizados em altas freqüências.
3.12.3 - Diodo PIN
É utilizado em geradores de altas freqüências e seu símbolo é mostrado na
Figura - 3. 48.
Figura - 3. 48.
A construção deste diodo é feita acrescentando-se um material (cristal
semicondutor puro) intrínseco entre as junções p e n convencionais de um diodo comum.
58
Figura - 3. 49.
3.12.4 - Diodo Impatt ( Impact Avalanch Transit Time)
Este diodo é utilizado em geradores de altas freqüências ( 6,0GHz ou mais) e
seu símbolo é mostrado na Figura - 3. 50.
Figura - 3. 50.
A construção deste diodo permite a pasagem de ...
3.12.5 - Diodo Hot Carrie ou Diodo Schottky
É utilizado em geradores de altas freqüências e su símbolo é mostrado na
Figura - 3. 51.
Figura - 3. 51.
3.12.6 - Diodo Lambda
Ë utilizado em circuitos de alta freqüência como fusível eletrônico e també em
circuitos de chaveamento, como monitor automático de tensão de bateria e como memória,
etc. Seu símbolo é mostrado na Figura - 3. 52.
Figura - 3. 52.
A construção deste diodo é feita de forma que ele apresente uma tensão de
ruptura quando a polarização é direta. Sua curva característica é mostrada na Figura - 3. 53.
Figura - 3. 53.
3.12.7 - Diodo Gunn
Ë utilizado como geradores de RF e de microondas e seu símbolo é mostrado na
Figura - 3. 54.
59
Figura - 3. 54.
A construção deste diodo é feita de Arsenito de Gálio e produz o efeito GUNN
(efeito de ....) que é semelhante aos diodos de junção.
3. 15 - Retificadores
Definições
Eletrônica: Dispositivo termiônico ou semicondutor que apresenta condutibilidade
unilateral.
Eletrotécnica: Transdutor de energia elétrica que transforma um sistema de Corrente
Alternada (C.A.) em Corrente Unidirecional (Corrente Continua (C.C.)).
Retificadores são circuitos que têm a função de transformar uma corrente
alternada em contínua, através de dos dispositivos chamados diodo, o diodo é um
componente construído com um semicondutor (silício ou germânio); Ele possui certas
características (diodo polarizado direta ou indiretamente) que atuam na onda alternada,
transformando-a em contínua.
Os retificadores são conversores com semicondutores tanto válvulas não
controláveis (diodos munidos de dois eletrodos; um anodo e um catodo), como válvulas
controláveis (tiristores e transistores, que possuem um terceiro eletrodo, chamado de porta,
no caso do tiristor, ou de base, num transistor).As montagens são monofásicas para as
instalações de baixa potência (carga de acumuladores), ou polifásicas, para as instalações
de maior potência (comando de motores; alimentação de redes de transporte de corrente
continua).
Os diodos possuem propriedades retificadoras. Mas na verdade o que é que
isso significa?. Isso quer dizer que eles só deixam a corrente fluir em um único sentido,
sendo que o contrário é “impossível”. Essa propriedade dos diodos é largamente utilizada
nos retificadores.
60
3. 16 - Tipos de Retificadores:
Retificadores (monofásicos) de Meia Onda
Partindo de um transformador simples, basta acrescentar-lhe um diodo para
retificar a corrente em meia onda, onde só os semiciclos positivos são aproveitados e
transformados em uma corrente constante (contínua)A saída é uma tensão retificada de
meia onda.
Figura - 3. 55.
Retificador de Onda Completa (em ponte) ou Retificador (monofásico) de onda completa
Trata-se do tipo mais comum de circuitos retificadores. Apresenta quatro
diodos, dois dos quais conduzem ao mesmo tempo.Para um dado transformador ele produz
a maior tensão C.C. de saída com a menor ondulação (Ripple).Com o mesmo transformador
do exemplo anterior é possível fazer um retificador de onda completa. Sua vantagem é que
ele conduz os semiciclos positivos e os negativos, de um modo que haja uma tensão
contínua positiva durante os dois semiciclos. Durante cada semiciclo, sempre dois diodos
estão em condução e dois em corte:
61
Figura - 3. 56.
Retificador de Onda Completa (Trafo com Tomada Central (C.T.))
Trata-se de um retificador com derivação central no enrolamento do secundário
e dois diodos que funcionam como dois retificadores de meia onda “um de costas para o
outro”.Um diodo controla um semiciclo da saída e o outro o outro semiciclo.
Outro método usado para retificar uma corrente alternada é através de um
transformador que possua tomada central. Esses transformadores são facilmente
encontrados atualmente. Neles estão geralmente gravados "12 V + 12 V", por exemplo, o
que indica a tensão e o que não quer dizer que ele seja equivalente a um de 24 V. Para
realizar a retificação, basta colocar um diodo em cada um dos terminais e reservar o
terminal central para o negativo.A saída é uma tensão retificada de onda completa:
Figura - 3. 57.
Concluindo, retificadores são artifícios utilizados na eletrônica para transformar
a Corrente Alternada (C.A.) em Corrente Contínua (C.C.). Isso pode se dar de diversas
maneiras. Seja através de retificadores de meia onda ou de onda completa. Os retificadores
62
de onda completa dividem-se em dois tipos: Os que precisam de tomada central no
transformador e os que não a necessitam.
3. 17 – Transistor
O transistor é um dispositivo eletrônico construído de material sólido
semicondutor em três camadas e duas junções, usado para controlar fluxo de elétrons livres
por meio de tensões elétricas aplicadas aos três elementos dos materiais que formam suas
camadas. Ele foi inventado por volta da década de 50 pelos cientistas Bardeen e W.
Schockley nos laboratórios da Bell System Eletronics. O nome transistor deriva-se da
junção de duas palavras da língua inglesa, a saber:
resistorTransferistorTransTransistor (3. 61)
Este nome é atribuído por causa da sua principal propriedade de apresentar uma
baixa resistência de entrada, quando a junção correspondente se encontra polarizada
diretamente e uma alta resistência de saída, quando a junção correspondente se encontra
polarizada reversamente. Portanto, ele é um resistor não-ôhmico capaz de transferir tensão
da sua entrada para a sua saída de forma amplificada.
3.8.1 - Antecedentes e ambiente histórico
Antes de 1950 todo equipamento eletrônico utilizava válvulas, aquelas com
bulbo de baixo brilho que numa determinada [época dominaram a nossa indústria. O
aquecedor de uma válvula típica consumia muitos watts de potência. Por isso, os
equipamentos a válvula exigiam uma fonte de alimentação robusta e criavam uma boa
quantidade de calor que constituíam um problema a mais para os projetistas. O resultado
eram os equipamentos pesados e antiquados tão difundidos naquela época.
Em 1951, William Shockley, juntamente com Jonh Bardeen e Walter H.
Brattain, inventou o primeiro transistor de junção. Foi um desses grandes acontecimentos
que mudam todas as regras. Todos estavam ansiosos na época e previam que grandes
acontecimentos estavam para acontecer. Quando os fatos se concretizaram, as previsões
mais ousadas não estavam nem perto do novo mundo que estava para vir.
63
O impacto do transistor na eletrônica foi enorme. Além de iniciar a indústria dos
multibilhões de dólares dos semicondutores, o transistor contribuiu para todas as invenções
relacionadas, como os circuitos integrados, componentes optoeletrônicos e
microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos projetados hoje em
dia usam componentes semicondutores.
As mudanças foram mais perceptíveis nos computadores. O transistor não
revisou a indústria dos computadores, ele a criou. Antes de 1950 um computador ocupava
uma sala inteira e custava milhões de dólares. Hoje, um bom computador cabe numa
escrivaninha e custa, às vezes, menos de mil dólares.
Biografia dos Inventores
William Shockley nasceu em Londres, Inglaterra, em 13 de fevereiro de 1910. Filho de
Hillman Shockley, um engenheiro de Massachusetts e sua esposa Mary.
Figura - 3. 58. WILLIAM SHOCKLEY
A família retornou aos Estados Unidos em 1913 e William Jr. Foi educado na
California, onde obteve seu doutorado em 1932. Estudou no Instituto de Tecnologia de
Massachusetts onde obteve seu Ph.D. em 1936 com sua tese sobre a estrutura da banda de
energia do cloreto de sódio. No mesmo ano, trabalhou nos laboratórios da Bell Telephone
em um grupo liderado pelo Dr. C.J. Davissom, onde permaneceu até 1955. Demitiu-se do
cargo de diretor do departamento de física do transistor para começar como diretor do
laboratório de semicondutores Shockley da Beckman Instruments na Califórnia, onde
64
pesquisou o desenvolvimento e a produção de novos transistores e outros dispositivos
semicondutores.
As pesquisas de Shockey foram centradas nas bandas de energias dos sólidos,
teoria dos tubos de vácuo, alto difusão de Cooper, experimentos e teoria no domínio
ferromagnético, vários tópicos na física do transistor etc.
Seu trabalho rendeu-lhe muitas honras. Recebeu a medalha do mérito em 1946
pelo seu trabalho no Departamento de Guerra; o Morris Leibmann Memorial Prize do
Instituto de Engenharia de Radio em 1952; no ano seguinte o prêmio Oliver E. Buckley
Solid State Physics da Sociedade Americana de Física, dentre muitos outros.
Em adição a numerosos artigos científicos, Shockleu escreveu Elétrons and
Holes in Semiconductors (1950) e publicou Imperfections of Nearly Perfect Crystals
(1952). Também patenteou mais de 50 invenções.
Jonh Bardeen nasceu em Madison, Winsconsim em 23 de maio de 1908. Filho do Dr.
Charles R. Bardeen e Althea Harmer.
Figura - 3. 59. JONH BARDEEN
Bardeen freqüentou a Universidade de Madison por vários anos, mas após
graduar-se foi freqüentar um curso de engenharia elétrica na Universidade de Winsconsin
onde participou de vários trabalhos nas áreas de física e matemática. Após formado,
trabalhou no departamento de engenharia da Western Eletric Company em Chicago e ao
mesmo tempo em que prosseguiu seus estudos.
65
Em Winsconsin trabalhou como assistente de pesquisa na área de engenharia
elétrica por dois anos, dedicando-se a problemas matemáticos aplicados à geofísica e a
radiação de antenas. Foi durante esse período que obteve conhecimento da teoria quântica
através do professor J.H. Van Vleck.
Mais tarde trabalhou no Gulf Reserach Laboratories em Pittsburg, Pensilvânia
no desenvolvimento de métodos de interpretação de medidas magnéticas e gravitacional.
Este foi um período estimulante no qual os métodos geofísicos foram pela primeira vez
aplicados para prospecção de petróleo.
Devido ao seu interesse mas na ciência pura que aplicada, Bardeen deixou seu
trabalho no Gulf Laboratories em 1933 para fazer um trabalho de graduação em física
matemática na Universidade de Princeton. Sob a liderança do professor E.P. Wigner,
interessou-se primeiro pela física do estado sólido. Os próximos três anos ele passou
trabalhando como o professores Van Vlerck e Bridgman em problemas de coesão e
condutividade elétrica nos metais. Obteve seu Ph.D. em Princeton em 1936.
Os principais campos de pesquisa desde 1945 eram a condução elétrica em
semicondutores e metais, teoria da supercondutividade e difusão dos átomos em sólidos.
Em 1957, Bardeen e dois colegas, L.N.Cooper e J.R. Schrieffer, propuseram a primeira
explicação bem sucedida da supercondutividade.
Walter H. Brattain nasceu em Amoy, China em fevereiro de 1902. Filho de Ross R.
Brattain e Ottilie Houser, ele passou sua infância no estado de Washington e graduou-se no
Whitman College em 1924.
Figura - 3. 60. WALTER H. BRATTAIN
66
O Dr. Brattain foi membro da equipe técnica do Bell Laboratóries desde 1929.
O alvo principal das suas pesquisas foram as propriedades superficiais dos sólidos. Desde
cedo seu trabalho foi voltado para emissão termiônica e absorção de camadas no
tungstênio. Continuou no campo da retificação e foto-efeitos na superfície de
semicondutores, iniciando com o estudo da retificação na superfície do óxido de cobre.
Estudos similares foram feitos com o silício. Após a segunda guerra ele continuou na
mesma linha de pesquisa com o silício e o germânio.
O Dr. Brattain recebeu o título honorário de doutor em ciência da Universidade
de Portland em 1952, do Whitman College e Union College em 1955 e da Universidade de
Minesota em 1957. Em 1952 foi homenageado com a medalha Stuart Ballantine do
Franklin Institute, e em 1955 com a medalha Honh Scott.
Dr. Brattain é um membro da National Academy of Science e do Franklin
Institute; um associado da Sociedade de Física Americana e da Associação Americana para
o Avanço da Ciência.
3.12.1 - Construção do Transistor Bipolar
Basicamente existem dois tipos de junção uma chamada NPN e outra chamada
de PNP, representados conforme a Figura - 3. 61.
Figura - 3. 61. Construção e representação esquemática dos transistores de junção bipolares.
A construção destes dois tipos de junções é feita dopando-se o material
semicondutor (tetravalente) com impureza trivalente (Boro, etc), para obtenção do material
67
tipo-P, como aquele do emissor e do coletor do transistor PNP, ou dopando-se o material
semicondutor com impureza pentavalente (As, etc) para obtenção do material tipo-N como
aquele do emissor e do coletor do transistor NPN. Sendo que no transistor PNP a dopagem
P do emissor é maior do que a dopagem-P do coletor e no transistor NPN a dopagem-N do
emissor é maior do que a dopagem-N do coletor. Para lembrar fixemos a
Pnp: Dopagem-P do emissor > Dopagem-P coletor (3. 62)
Npn:Dopagem-N do emissor > Dopagem-N coletor (3. 63)
Obs.: No transistor o emissor é sempre mais dopado que o coletor (PNP; NPN).
Figura - 3. 62.
Nos transistores, os elétrons ora são portadores majoritários e ora são
portadores minoritários.
3.12.2 - Polarização das Junções
Como o transistor possui duas junções, há quatro maneiras diferentes de
aplicarmos tensões elétricas externas, mas existe uma só forma de polarizar o transistor de
maneira que ele opere nas condições desejadas, conforme mostra a Figura - 3. 63.
68
Figura - 3. 63. Diferentes formas de se polarizar um transistor a) forma correta para o transistor PNP e errada para o NPN; b) e c) forma errada para qualquer um deles; d) forma correta para o NPN e errada para o PNP.
Figura - 3. 64. Diferentes formas de se polarizar um transistor a) forma errada para o transistor NPN e correta para o PNP; b) e c) forma errada para qualquer um deles; d) forma errada para o PNP e correta para o NPN.
69
3.12.2 - Polarização de Transistores
Polarizar um transistor é impor o valor da corrente de coletor, IC. Essa
polarização será estabilizada se for feita imune a variações dde suas características e imune
a influência de temperatura. Portanto, a partir das Figuras Figura - 3. 63 e Figura - 3. 64
conclui-se que a junção Emissor-Base deve ser polarizada diretamente e a junção Base-
Coletor deve ser polarizada reversamente.
Para o transistor ampliar uma dada corrente, seja transistor NPN, ou PNP, é
necessário polarizar diretamente a junção Base-Emissor e inversamente a junção Base-
Coletor.
Na prática usamos apenas uma bateria e as tensões para polarizar as duas
junções são conseguidas por divisores resistivos de tensão. Polarizar o transistor é, pois,
determinar essas tensões e de modo que ele trabalhe com segurança, em sua região ativa. O
processo consiste em se escolher ou impor o valor da corrente de Coletor, IC, e o valor da
tensão Coletro-Emissor, VCE, a partir das condições de trabalho do circuito desejado e dos
dados do transistor, fornecidos pelo fabricante em forma descritiva ou por curvas
características. O ponto de operação do transistor (VCE, IC), também chamado ponto de
polarização ou ainda ponto quiescente, é tomado sobre a curva característica de saída do
transistor.
A determinação da curva característica de saída é feita para cada tipo de
polarização, por exemplo, para o transistor na montagem Emissor-Comum, a corrente de
Base é mantida fixa enquanto que a corrente de coletor varia em função da tensão Emissor-
Coletor, VCE. Para um outro valor de IB, a curva VCE x IC será diferente, e assim obtém-se
uma família de curvas.
Três importantes regiões são definidas observando-se as limitações de:
- Tensão inversa máxima Base-Emissor
- Corrente máxima Coletor-Emissor
- Tensão máxima Coletor-Base
- Potência máxima
- Temperatura máxima
A região de trabalho, também conhecida como região ativa ou linear,
compreende uma região na qual o transistor trabalha sem distorções. Dentro dessa região
70
devem ficar a reta de carga e o ponto de operação. A região de saturação introduz distorção
no sinal de entrada, pelo ceifamento dos semiciclos negativos na saída, e isso ocorre para
uma polarização com baixos valores de VCE, menores que VCEmin, chamado tensão de
saturação, VSAT.
Quando a distorção sofrida pelo sinal de entrada corresponde a um ceifamento
dos semicilos positivos, a polarização é feita na região de corte e corresponde a valores
altos de VCE.
Supondo inicialmente que a junção Emissor-Base é polarizada diretamente e a
junção Base-Coletor reversamente, conforme mostra a Figura - 3. 65, onde os resistores R1
e R2 servem para limitar a corrente a fim de não danificar o transistor.
Figura - 3. 65. Polarização: Base - Emissor - polarização direta e Base - Coletor - polarização reversa.
71
3. 18 – Tipos de transistor
Existem diferentes tipos de transistor quanto a sua construção física e
funcionamento. Dentre eles podemos citar:
O transistor de junção ou bipolar, o transistor de unijunção ou monopolar, o
transistor de efeito de campo ou FET (Field Effect Transistor) e o Transistor MOSFET (
Oxide Silicon Field Effect Transistor). Todos eles serão estudados neste curso em uma
oportunidade conveniente ao longos dos capítulos que se sucederão. Por enquanto vamos
continuar a descrever as propriedades e o funcionamento do transistor bipolar.
3. 19 – Funcionamento do transistor
Uma figura que ajuda a entender o funcionamento do transistor de junção
bipolar é a alavanca, conforme mostra a Figura - 3. 66.
Figura - 3. 66. Comparação do funcionamento do transistor de junção bipolar com a alavanca mecânica.
Assim como a alavanca mecânica, para pequenas oscilações de um lado, produz
grandes oscilações do outro; o transistor também para pequenas flutuações de tensão de
72
entrada produz grandes flutuações de tensão de saída, conservando a potencia, P = VI, nos
dois lados, assim como alavanca mecânica conserva o torque, T = F.l, onde F é a força e l é
o braço da alavanca.
A “entrada” e a “saída” de um transistor é chamada de emissor e coletor
respectivamente. O ponto de apoio da alavanca é chamado de base. Sua construção ou
montagem definitiva deve-se a Lee de Forest.
3. 20 - Circuitos com Transistor
Os equipamentos ou circuitos eletrônicos podem ser entendidos como sistemas
que realizam uma operação através de uma entrada e uma saída, conforme mostra a Figura -
3. 67. Neste caso os transistores podem exercer diferentes aplicações em sistemas elétricos
que transformam um sinal elétrico de entrada, fornecendo um sinal modificado em uma
saída.
Figura - 3. 67. Sistema com entrada e saída
O transistor pode ser utilizado em circuitos amplificadores de sinal elétrico,
chaveadores, osciladores, etc., conforme veremos a seguir
3. 21 – Montagens Básica do Transistor Bipolar
Os circuitos amplificados com transistor pode ser montados nas seguintes
configurações: 1) Emissor comum; 2) Coletor comum; 3) Base comum
3.13.3 - Configuração Emissor - Comum
De uma forma apropriada a configuração de Emissor-Comum pode ser
estabelecida conforme mostra a Figura - 3. 68, onde o terra fica no ponto comum do
circuito. Referência 0 Volts
73
Figura - 3. 68. Configuração Emissor-Comum, com resitências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.
Funcionamento:
Esta configuração funciona da seguinte forma:
Consideremos aqui o transistor PNP onde o sentido adotado para as correntes é
o sentido convencional, isto é, do pólo positivo para o pólo negativo e supondo portanto
que são as lacunas (ou buracos) que se movem formando uma “correntes de lacunas”.
Quando essas lacunas provenientes do emissor se dirigem para a base, elas entram na base e
uma parte delas se recombina na própria base e uma outra parte vai para o terminal da base.
O restante daquelas que não se recombinam formam um saldo de corrente, chamado de
corrente de base, IB.
Ao chegarem na base elas atingem a camada de depleção formada entre a base
e o coletor e portanto são aceleradas para o coletor, formando a corrente de coletor, IC. Isto
acontece porque a tensão V2 no coletor é muito maior do que V1 a tensão na base (V2 >>
V1). Logo para que a corrente de coletor, IC, seja muito maior do que a corrente de base, IB,
(IC >> IB), a base tem que ser muito fina em relação as junções do emissor e do coletor,
conforme mostra a Figura - 3. 69, para que haja uma maior densidade de portadores
majoritários (buracos) no emissor.
74
Figura - 3. 69.
“Correntes” de lacunas
1º) Entra na base e vai para o terminal da base. ( recombina-se no terminal) IB
2º) Recombina-se na base
3º) Atinge a camada de depleção e é aí acelerada para o coletor IC
V2 >> V1 (3. 64)
Para IC >> IB a base tem que ser muito fina em relação as junções de coletor e emissor.
3.13.4 - Efeito transistor
Logo, pela lei de Kirchhoff temos que:
IE = IB + IC (3. 65)
Por exemplo, considerando que 98 a 99% das lacunas vindas do emissor vão para o
coletor, logo dividindo a equação (3. 65) pela corrente total vinda do emissor, temos que:
75
1E
C
E
B
II
II (3. 66)
Portanto quando IC >> IB devido ao pequeno comprimento da base e a maior
densidade de portadores majoritários no emissor. 98% a 99% das lacunas do emissor vão
para o coletor. Logo 1 a 2% dos portadores majoritários do emissor forma a corrente de
base.
Chamando de a relação entre a corrente de coletor, IC, e a corrente de
emissor, IE:
E
C
II
(3. 67)
podemos escrever:
1E
B
II (3. 68)
ou ainda usando (3. 67) em (3. 64) temos que:
CBC III
(3. 69)
Logo
1B
C
II
(3. 70)
Chamando de a relação entre a corrente de coletor, IC, e a corrente de base, IB.
B
C
II
(3. 71)
temos que
1
(3. 72)
Portanto para = 0,98 a 0,99, temos:
76
p/ = 0,99 = 99 (3. 73)
p/ = 0,98 = 49. (3. 74)
Ou seja, o ganho de corrente base-coletor é grande para uma taxa de recombinação fixa.
Isto é obtido desde que se tenha uma corrente de emissor, IE, considerável. Por exemplo,
para IE < 1mA temos uma grande variação de . Portanto, é bem possível que a lacuna que
chegar na base se recombine na base, ou se não, passa para o coletor. Logo se as oscilações
de tensão são introduzidas entre o emissor e a base, elas se reproduzirão de forma
amplificada entre o coletor e o emissor gerando assim o efeito transistor. Para que isto
aconteça as características físicas do transistor devem ser:
IC >> IB (3. 75)
i) base estreita (ou fina). Devido ao pequeno comprimento da base em relação ao emissor
ii) a dopagem do emissor deve ser alta para que haja uma maior densidade volumétrica de
portadores majoritários neste emissor, lacunas ou buracos no caos do transistor PNP e
elétrons no caso do transistor NPN, iii) O coletor deve ser grande em relação a base de tal
forma que as potências dissipadas,
PBE = VBE.IE (3. 76)
e
PCB = VCB.IC, (3. 77)
onde
PCB >> PBE. (3. 78)
A taxa de recombinação (é fixa) desde que se tenha um IE considerável. Para IE
< 1mA temos uma grande variação no . Portanto e bem possível que a lacuna que passar
se recombine na base se passar para o coletor.
3.13.5 - Características do transistor
Base fixa; Dopagem do emissor alta; Coletor grande
77
3.13.6 - Potências dissipadas:
PBE = VBE IE (3. 79)
PCB = VCB IC (3. 80)
muito mais alta.
Figura - 3. 70.
Devemos polarizar o transistor da seguinte forma:
Figura - 3. 71.
78
Figura - 3. 72.
3.13.8 – Montagem Coletor Comum
O circuito do Transistor nesta montagem, está ligado de maneira que o Coletor
é ponto comum de referência, porque o sinal de entrada é aplicado entre a Base e o Coletor,
e a saída se obtém entre o Emissor e o Coletor.
Figura - 3. 73. Configuração Coletor-Comum, com resitências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.
A corrente de Emissor (saída) é muito maior que a corrente de Base (entrada) e,
portanto, há amplificação de corrente. Entretanto, a tensão de saída é ligeiramente menor
que a tensão de entrada, não havendo amplificação de tensão, a tensão de saída tende a
seguir a tensão de entrada, pelo que esta montagem é chamada de “Seguidor de Emissor”.
Amplifica apenas corrente enquanto que o ganho de tensão Av = 1.
79
Figura - 3. 74. Montagem Coletor Comum ou Seguidor de Emissor
O ganho em Potência é pequeno, entre 10 e 20dB, e é devido apenas á
amplificação de corrente. Por ser polarização reversa na entrada e direta na saída, a
resistência de entrada é grande e a de saída é pequena.
3.13.9 – Montagem Base Comum
Nesta montagem, a Base é usada como ponto comum de referência, ou seja,
está ligada de forma comum à entrada e Á saída. O sinal de entrada é aplicado entre o
Emissor e a Base, aparecendo o sinal de saída entre o Coletor e a Base. Esta configuração é
usada apenas em aplicações de altas freqüências.
Figura - 3. 75. Configuração Base-Comum, com resistências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.
O circuito Base Comum apresenta amplificação ou ganho de tensão grande e
ganho em corrente aproximadamente unitário, menor que 1 (um), consequentemente, o
ganho em potência assume valor médio, entre 20 e 30dB.
A resistência de entrada, nesta montagem, é pequena, da ordem de 50, pois a
junção Emissor-Base está diretamente polarizada. Como a saída (Coletor-Base) está
80
polarizada reversamente, a resistência de saída é grande, da ordem de 50K. O sinal de
saída está em fase com o sinal de entrada.
3. 22 – Determinação do ponto de operação de polarização do Transistor
Considere a curva característica do transistor dada pelo gráfico de IC versus VCE
mostrada na Figura - 3. 76.
Figura - 3. 76
Circuitos práticos
a) Polarização por Corrente de base constante ou polarização fixa.
A corrente de base é sempre constante nesta polarização, mas é pouco usada
porque, sendo o circuito dependente de , a variação de temperatura provoca variação no
ganho da corrente.
b) Polarização por corrente de Emissor constante
Esta polarização pode ser por realimentação série (ou realimentação de tensão),
por realimentação paralela (ou realimentação de corrente) e por realimentação mista.
A polarização por realimentação paralela, ou auto-realimentação, não dá bom
ganho e também é dependente de . A polarização por realimentação série é estável e
resulta em grande ganho. A polarização por realimentação mista também é estável e
apresenta bom ganho.
81
3.13.7 – Montagem Emissor Comum com Realimentação
Figura - 3. 77.
Figura - 3. 78.
82
Figura - 3. 79
Figura - 3. 80.
As vantagens deste circuito são: 1) Controle de ganho; 2) Estabilidade térmica.
OBSERVAÇÃO:
O ganho já não depende mais do transistor como no 1º caso. Ele depende das
relações entre as resistências g = 2k/1k = 2.
- Ganho de tensão; - Ganho de corrente; - Inversão do sinal; - Impedância de
entrada baixa; - Impedância de saída alta.
Determinação da reta de carga do transistor
a) Polarização por corrente de Base constante – Montagem Emissor Comum
83
Nas curvas características de saída (ou de Coletor), para esta montagem, a reta
de carga estática, ou reta de carga em c.c. será traçada pelos pontos:
PX = (IC = 0, VCE = VCC) e PY = (0, IC=VCC/RC) (3. 81)
pois se deduz que
VCC = VCE + VRC = VCE + ICRC (3. 82)
O ponto de Operação, ou ponto quiescente, Q, é escolhido de forma a dividir
VCC em duas partes iguais.
VCE(Q) ½VCC (3. 83)
A tensão de fonte, VCC, é escolhida. Escolhe-se ainda uma corrente de Coletor,
IC(Q) e se calcula
RC = VRC ICQ (3. 84)
Sendo
VRC = VCB - VCE(Q) (3. 85)
onde IC(Q) é lida na curva e RB é calculado a partir da equação
VCC = VRB VBE = RBIB +VBE (3. 86)
Como VBE é muito menor que VCC, pode-se desprezá-la nos cálculos:
VCC RB IB (3. 87)
RB = VCC/IB (3. 88)
A corrente IB ou é lida nas curvcas características ou é calculada pela relação:
IB = IC (3. 89)
b) Polarização a Corernte de Emissor Constante
84
Nesta polarização, deve-se observar que:
- RC será o maior possível, para melhorar o ganho;
- RE será tão pequeno quanto possível, pois um valor elevado de RE reduz a excursão
de tensão de saída;
3. 23 – Amplificadores
Em vários equipamentos como: computadores, rádios, periféricos, aparelhos de
som e equipamentos médicos encontramos transistores usados como amplificadores.
Configurações diversas amplificam sinais que podem ser desde baixas freqüências, como as
correspondentes aos sons captados por um microfone para a placa de som de seu PC, até
freqüências muito altas como num receptor de rádio de ondas muito curtas. A seguir
veremos diversos tipos de amplificadores, dando mais ênfase aos amplificadores de áudio e
rádio freqüências.
Um amplificador é um dispositivo que amplifica um sinal tornando sensível a
uma medida audível, por exemplo, conforme mostra a Figura - 3. 81..
Figura - 3. 81. Sinal amplificado proveniente de um microfone com saida em um alto-falante.
3.20.1 - Amplificação
Amplificação é o fenômeno no qual a d.d.p. ou a corrente de um circuito é
amplificada, ainda que mantendo-se a potencia inalterada, isto é constante, por causa da
conservação da energia no circuito.
Os tipos de amplificação em circuitos elétricos podem acontecer em termos de
tensão, corrente e potência.
Em tensão:
85
Vout = AvVin (3. 90)
se Av > 1 amplificação (3. 91)
in
outV V
VA
(3. 92)
Em corrente:
in
outI I
IA
(3. 93)
3.20.3 – Amplificador de Áudio
A finalidade de um amplificador de áudio é aumentar a intensidade de um sinal
de baixa freqüência, normalmente entre 15 e 15000Hz. Dpendendo das características do
sinal com que este amplificador deve trabalhar e da potência de saída que deve fornecer,
temos diversas possibilidades de configurações. Em muitos casos um único transistor não
consegue fornecer a potência necessária à finalidade desejada, de modo que o amplificador
deve ter diversas etapas que fazem a amplificação sucessiva dos sinais.
3. 24 – Características dos Amplificadores Lineares
Analisemos agora algumas características do amplificador
Impedância de Entrada
Esta característica nos diz com que tipo de sinal o amplificador trabalha. Os
sinais que devem ser amplificados por um amplificador podem ter diversas origens,
provindo de dispositivos que tenham impedâncias diversas.
86
Sensibilidade
Para que uma etapa amplificadora transistorizada ou mesmo um amplificador
completo funcione, é preciso que o sinal aplicado a sua entrada tenha uma intensidade
mínima, normalmente expressa em termos de volts, isso além de haver um casamento de
impedância. Se um amplificador tiver uma grande sensibilidade e a fonte de sinal fornecer
uma tensão maior do que ele precisa para completa excitação, a diferença pode compensar
um eventual descasamento de impedâncias
Impedância de Saída
Essa característica nos diz o que podemos ligar na saída do amplificador. Para
que possamos ligar um alto-falante, por exemplo, o amplificador deve ter uma baixa
imped6ancia de saída. A impedância é expressa em Ohms.
Potência ou amplitude do Sinal
Nos amplificadores que se desejam reproduzir um sinal de áudio, costuma-se
indicar a sua potência de saída, o que de certo modo nos permite avaliar o volume de som
que teremos para um ambiente. Essa potência é medida em Watts e existem designações
adicionais que nos dizem o modo como estes watts são obtidos. Assim, podemos falar em
watts RMS, se levarmos em conta que o amplificador está reproduzindo um som puro ou
um sinal senoidal. Se dermos a potência de pico, para o mesmo amplificador, teremos um
valor maior, conforme mostra a Figura - 3. 82.
Figura - 3. 82. Mesmo sinal especificado de maneiras diferentes.
87
Podemos falar em lugar de potência de pico, falarmos em potência pico a pico,
a qual dará um valor maior, mas que corresponde a mesma coisa. Ë por esse motivo, em
lugar de falar potência real ou RMS para amplificadores que daria um número pequeno,
muitos fabricantes preferem especificar seus aparelhos em termos de pico a pico ou mesmo
potencial musical o que faz crescer os números, dando a falsa impressão de que temos
aparelhos mais potentes.
Em função das características analisadas , veremos que os amplificadores que
trabalham com sinais de áudio podem ser divididos em diversos grupos que analisaremos a
seguir.
Pré-Amplificadores
Estes amplificadores que podem ter uma ou mais etapas de amplificação se
destinam a amplificar sinais de pequena intensidade como os de microfone e saídas de
rádio, etc. Normalmente são usados transistores de baixo n’vel de ruído e alto ganho como
os de BC549. Na Figura - 3. 83 temos um circuito deste tipo para uma configuração de
Emissor-Comum.
Figura - 3. 83
Uma característica importante deste tipo de circuito é que sendo projetado para
trabalhar com sinais de muito pequena intensidade e apresentando um alto ganho, ruídos
que sejam induzidos nos fios podem ser amplificados juntamente com o sinal
Drivers
Antes de chegarmos a potência máxima que desejamos para um sinal, para que
ele possa ser usado para excitar um alto-falante, pode ser necessário o uso de uma etapa de
amplificação intermediária. Esta etapa é denominada driver ou excitadora, conforme mostra
a Figura - 3. 84.
Figura - 3. 84
88
Dependendo do amplificador considerado esta etapa pode ter potências das
mais variadas. Num grande amplificador que tenha uma potência de saída de dezenas de
watts, a etapa de excitação pode ter alguns watts de saída, o que corresponde a um
verdadeiro amplificador de potência de pequeno porte.
Figura - 3. 85
Amplificadores de Potência
Estes são amplificadores dotados de uma ou mais etapas cuja finalidade é
excitar alto-falantes, por exemplo, com sinais de grande intensidade que podem ir desde
100mW para amplificadores alimentados por pilhas em sistemas de multimídia, até mais de
50W para amplificadores de sonorização de grandes ambientes.
Para estes amplificadores de maior potência ou ainda para suas etapas finais são
usados transistores de potência montados em radiadores de calor apropriados, conforme
mostra a Figura - 3. 86.
Figura - 3. 86. Transistor de potência montado em radiador de calor
89
Assim as configurações para todos os tipos de amplificadores que vimos tem
pontos em comum em que se ref3ere ao princípio de funcionamento mudando apenas o tipo
de sianl trabalhado, a pot6ncia e as características de entrada e saída.
3. 25 – Amplificadores Lineares – Circuitos Básicos
Uma amplificador linear se caracteriza por fornecer à saida um sinal sem
distorções, como sendo um retrato ampliado do sinal de entrada. Qualquer montagem
poderá definir um amplificador linear, sede que a correspondente polarização situe o
transistor em sua região linerar ou região de trabalho.
Diz-se amplificador de um estágio quando for constituido por um único
transistor, por exemplo:
No circuito:
VCC = tensão da bateria de polarização
RC, RE, R1, R2 = resistência de polarização
CB e CC = capacitores de acoplamento
CE = capacitor de desacoplamento (“by pass”)
Amplificador de vários estágios são constituidos por mais de um transistor,
sendo estágios interligados em cascata, no modo diferencial, no modo seguidor de emissor,
etc. Diz-se em cascata, quando o estágio seguinte ligado em série com o anterior, como
visto neste exemplo:
90
Ainda em cascata pode-se fazer a montagem a seguir, que apresenta uma
amplificação em larga faixa, com elevada tensão de saída:
Para se obter o produto das correntes, pode-se fazer conexão “Darlington” com
a qual se consegue alto ganho de corrente:
Também em cascata obtém-se um amplificador de dois estágios, tipo “par
complementar”.
Outro exemplo de amplificador de dois estágios podse ser o conhecido
amplificador diferencial, que exerce várias funções, de acordo com amontagem, entre ele
citamos duas:
a) amplificar uma diferença entre dois sinais de entrada (Figura – a)
b) fornecer dois sinais defasados em 180o, amplificados, a partir de um único sinla de
entrada (Figura – b).
O acoplamento entre os estágios amplificadores, ou entre o último estágio e a
carga, precisa ser escolhido de modo a fazer um perfeito casamento de impedâncias, a fim
de se garantir a máxima transferência de energia de um circuito para o outro.
Acoplamento RC
Este tipo de acoplamento é feito por meio da associação de um capacitor e um
resistor; é usado quando a impedância de saída de um circuito é praticamente igual á
impedância de entrada do circuito (estágio) seguinte.
Acoplamento por Transformador
Neste caso, uma alta impedância de saída de amplificador pode ser casada com
a carga de baixa impedância, através de relações diferentes de impedâncias de entrada e
saída do transformador.
Acoplamento Direto
Para circuitos que exigem resposta em baixas frequencias não se usam
capacitores nem transformadores, pois estes componentes podem cortar os sinais de mais
baixa frequencia. O acoplamento direto é também chamado de acoplamento CC, porque a
91
componente de corrente contínua usada na polarização não é bloqueada, como ocorre nos
outros casos.
Classificação dos Amplificadores lineares
Podemos classificar um amplificador com respeito a
a) CONFIGURAÇÃO DO CIRCUITO:
i) Amplificador “push-pull” balanceado ou parafase
ii) Amplficador “push-pull”não balanceado ou de simetria complementar
iii) Amplificador em ponte
b) SINAL DE SAIDA:
i) Amplificador de Tensão
ii) Amplificador de Corrente
iii) Amplificador de Potência
c) POLARIZAÇÃO:
i) Amplificador Classe A, B, C, D, AB, e G.
d) FREQUENCIA DE OPERAÇÃO:
i) Ampificador de Baixa Frequencia ou de Aúdio (BF)
ii) Amplificador de Alta Frequencia (R.F.)
Amplificador Classe A
O que caracteriza um amplificador operando em classe A é ESTÁ
POLAIZADO NA REGIÃO ATIVA, em um ponto no qual há simetria so sinal de saída, ou
seja, O TRANSISTOR CONDUZ DURANTE TODO O PERIODO DO SINAL DE
ENTRADA; o ânglo de condução é, pois de 360º.
A principal desvantagem deste amplificador é a dissipação de potência mesmo
quando em repouso; mesmo sem sinal na entrada há dissipação, devido ao consumo de
corrente contínua de polarização, equivalente a P = IC.VCE. Por este motivo, o seu
rendimento está entre 20 e 30%.
A principal vantagem é a grande linearidade do amplificador clase A, o que
torna indicado somente para sistemas de alta fidelidade em média e baixa potência.
92
A figura mostra um amplificador classe A com acoplamento a transformador e
suas respectivas curvas características.
Amplificador Classe B
Este tipo de amplificador é sempre constiuída por dois estágios operando em
“contrafase” (push-pull). Cada transistor é polarizado na região de corte ou próxima dela,
de modo que só há condução de um semi-ciclo, ora em um transistor, ora em outro,
determinando assim um ângulo de condução de 180º para cada transistor e de 360º para
todo amplificador.
A grande vantagem desta classe é que na ausência de sinal nào há condução, e o
consumo é nulo ou quase nulo, obtendo-se rendimento entre 60% e 70%, à potência
máxima. A principal desvantagem é a distorção de “crossover” resultante dos períodos de
transição entre o corte e a condução que nem sempre são iguais.
Classe B, simetria complementar
Amplificador Classe AB
Obtém-se esta classe com dois transistores em contrafase, mas polarizados
ainda na região ativa, embora que próximo ao corte. O ângulo de condução poderá varia
entre 180º e 360º.
A vantagem deste amplificador é seu baixo consumo quando sem sinal e pouca
distorçãode “crossover”, pois apesar da tensão VCE ser grande a corrente IC é muito pequena
(corrente limiar).
Amplificador Classe C
Quando o transistor é polarizado de modo a conduzir durante menos de meio
cilco de n sinal de entrada, diz-se que o amplificador opera em classa\e C, na qual é obtido
apenas uma pacela de sinal de entrada.
93
Esta classe é empregada para sinais de R.F., em que o sinal pode ser
completado ou “integrado” pelos filtros LC associados. Outra aplicação usual é em
megafones, para que com pequenas baterias se obtenha uma potência elevada.
A vantagem deste amplificador é o elevao rendimento, alcançado até 90%.
Amplificador Classe D
Esta é uma classe de amplificadores diferente, que transforma os sinais áudio,
baixa frequência, em pulsos com elevada frequência, fazendo uma amostragem do sinal de
entrada em frequência muito superior. Os transistores utilizados são do tipo de comutação
rápida, e o sinal de saída é reintegrado por filtros especiais de nivelamento, obtendo-se um
sinal muito semelhante ao de entrada. Pocesso conhecido como PWM (Pulse Width
Modulated). O rendimeno deste amplificador chega a 95%.
Amplificador Classe G
Se constitui este amplificador de pares duplos de transistores operando em
contra-fase. Observa-se na prática, que o amplificador funciona durante a maior parte do
tempo, com as tensões V1 e V’1, na figura (cerca de 90% de cada ciclo), enquanto os outros
10% ficam reservados às tensões V2 e V’2.
Mesmo sendo este amplificador, em principio, semelhante ao de Classe B, seu
rendimento se eleva a 80% na maior parte do tempo de repodução e não apenas para
máxima dissipação. Com o emprego de transisores especiais, adistorção de “crossover”se
reduz ao mínimo.
Quadro comparativo entre as diversas classes de amplificadores
Tipo Circuito Rendimento Ângulo de
condução Crossover Linearidade
Emprego ou
Aplicação
A Um transistor
polarizada na
região ativa
20 a 30%; à
máxima potência:
50%; cons.
Elevado
360º Não
apresenta
Muito boa Pré amplificador:
sistema de alta
fidelidade em
áudio
94
B 2 transistores em
contrafase,
ambos
polarizados no
corte
60 a 70% à
maxima potência:
80% consumo
reduzido
180º cada
transistor
Grande a
qualquer
nível de sinal
Nào linear na
transição
Amplificador
deelvado ganho em
áudio.
AB Um transistor
polarizado na
região linear e
dois em contra
fase
60% consumo
médio
De 180º a
360º
pequena regular Amplificador de
potência de áudio
C Um transistor
poarizado muito
abaixo
90% consumo
mínimo
Menor que
180º
Não
apresenta
boa Amplificador de
potência de R.F. e
Megafone
D Gerador
modulador por
largura de
pulsoss ou
P.W.M.
Muito elevada
acima de 90%
360º
pulsados
Depende do
projeo
regular Amplificador de
potência elevada
em Baixa
frequencia ou C.
W.
G Pares duplos de
transistores
Elevada, 80%
para qualquer
nível
360º para o
conjunto
reduzida boa Amplificador de
potência de áudio
NOTA: um pré-amplificador é constituído de amplificadores em classe A, de perfeita
linearidade e estabilidade, com ganho fixado em função da tensão da fonte de sinal e da
entrada máxima permissível para o amplificador de potência. Se comporta como casador de
impedância. Se comporta como “casadaor de impedância”e levador de nível.
3. 26 – Amplificadores Operacionais
Os modelos a seguir, se referem a modelos elétricos simplificados para os
amplificadores de tensão e de corrente sem realimentação. Os modelos consideram três
elementos apenas: duas impedâncias, uma de entrada e outra de saída, e uma fonte de
tensão dependente.
95
Figura - 3. 87. Amplificador de tensão: não ideal (a) e ideal (b)
A ligação de um amplificador a uma fonte de sinal e a uma carga envolve dois
divisores de tensão que reduzem o ganho máximo obtenível (Figura 1.a). Referindo ao
esquema elétrico da Figura 1.b, verifica-se que a construção de uma cadeia de amplificação
otimizada passa pelo recurso de amplificadores de tensão que gozem, pelo menos, das
seguintes duas propriedades: impedância de entrada infinita, e impedância de saída nula. Se
a estas duas propriedades se juntarem um ganho de tensão infinito, a não dependência do
mesmo com a freqüência e a possibilidade de aplicar na entrada e obter na saída quaisquer
valores de tensão, então obtém-se aquilo que vulgarmente se designa por amplificador
operacional ideal, ou AmpOp. Apesar deste conjunto idealizado de propriedades, é um
fato que o AmpOp ideal constitui uma boa aproximação do desempenho elétrico de uma
vasta gama de circuitos integrados utilizados na prática. Com efeito, existem no mercado
AmpOps cujo ganho ascende a 106, e cujas resistências de entrada e de saída são,
respectivamente, várias dezenas a centenas de Me algumas unidades ou décimas de ohm.
Os elevados ganho e resistência de entrada do AmpOp estão na origem do curto-circuito
virtual, que em alguns casos particulares implementa uma massa virtual. Este operador
possibilita a realização de amplificadores de tensão cujo ganho depende apenas do cociente
entre duas resistências, amplificadores soma e diferença de sinais, circuitos integradores e
diferenciadores de sinal, filtros, conversores corrente-tensão e tensão-corrente, conversores
96
de impedâncias, circuitos retificadores de sinal, comparadores de tensão, etc.. Não é
exagero afirmar que, na atualidade, o AmpOp constituiu o paradigma dominante no projeto
de circuitos eletrônicos analógicos. Os amplificadores operacionais são constituídos por
múltiplos componentes eletrônicos, nomeadamente transistores, resistências e capacitores.
No entanto, neste texto limitamos o estudo do AmpOp à identificação e utilização prática
das propriedades dos seus terminais de acesso.
3.24.1 - AmpOp Ideal
O AmpOp ideal constitui um modelo simplificado de um amplo conjunto de
amplificadores de tensão atualmente existentes no mercado. Caracteriza-se pelas seguintes
quatro propriedades (Figura 2):
(i) impedância de entrada infinita;
(ii) impedância de saída nula;
(iii) ganho infinito de tensão;
(iv) ausência de qualquer limitação em freqüência e em amplitude.
Figura - 3. 88. AmpOp ideal
A principal conseqüência do conjunto de propriedades apenas enunciado é, na
prática, a possibilidade de estabelecer um curto-circuito virtual entre os dois terminais de
entrada do AmpOp. Com efeito, a existência de uma tensão finita na saída só é compatível
com um ganho infinito desde que a diferença de potencial entre os dois terminais de entrada
seja nula. A natureza virtual deste curto-circuito deve-se à coexistência de uma igualdade
entre tensões sem ligação física entre terminais. Na Figura 3 ilustra-se o significado prático
de um curto-circuito virtual.
97
Figura - 3. 89. Curto-circuito e massa vir tual
Por exemplo, no caso da montagem em (a) a relação entre as tensões nos nós é
isto é, a tensão na saída do AmpOp segue a da fonte de sinal aplicada na entrada. Por outro
lado, no caso da montagem representada em (b) verifica-se que ou seja, que o terminal
negativo do amplificador se encontra ao nível da massa, sem no entanto se encontrar
fisicamente ligado a ela. Diz-se então que o terminal negativo do amplificador operacional
constitui uma massa virtual.
3.24.2 - Montagens Básicas
O AmpOp é vulgarmente utilizado em duas configurações básicas: a montagem
inversora e a montagem não-inversora. Os circuitos estudados neste capítulo constituem
todos eles ou variações ou combinações destas duas configurações básicas. No que diz
respeito às metodologias de análise de circuitos com AmpOps, existem basicamente as
seguintes duas alternativas:
(i) uma que assume a presença de um curto-circuito virtual entre os dois terminais de
entrada do AmpOp (em conjunto com correntes nulas de entrada);
(ii) e uma outra que considera o AmpOp como uma fonte de tensão controlada por tensão e
utiliza as metodologias convencionais de análise de circuitos.
Adiante se verá que a primeira metodologia é de mais simples aplicação aos circuitos com
AmpOps ideais, ao contrário da segunda, que se destina essencialmente à análise de
circuitos com AmpOps reais, neste caso com limitações em ganho, freqüência, e
impedâncias de entrada e de saída.
98
3.24.3 - Montagem Inversora
Considere-se na Figura 4.a o esquema elétrico da montagem inversora do AmpOp.
Figura - 3. 90. Montagem inver sora
Tendo em conta o fato da existência de um curto-circuito virtual entre os dois terminais de
entrada, o que implica a igualdade v+=v-=0, e ainda o fato de as correntes nos nós de
entrada serem nulas, i-=i+=0, verifica-se então que e que, portanto, Como tal, o ganho de
tensão da montagem é dado por o qual é apenas função do cociente entre os valores das
resistências R2 e R1. O método alternativo de análise consiste em substituir o AmpOp por
uma fonte de tensão dependente com ganho finito (Figura 4.b). Neste caso trata-se de
aplicar um dos métodos de análise introduzidos ao longo desta apostilha, por exemplo
resolver o sistema de equações que eqüivale a
de cuja resolução resulta o ganho cujo limite quando o ganho do AmpOp tende para infinito
é
3.24.3 - Montagem Não-Inversora
Considere-se na Figura 5.a a montagem não inversora do AmpOp.
Figura - 3. 91. Montagem não-inversora
A existência de um curto-circuito virtual entre os nós de entrada do
amplificador permite escrever a igualdade entre as três tensões que em conjunto com a
equação do divisor resistivo na saída
conduz à relação de ganho. O ganho de tensão desta montagem é positivo, superior à
unidade e, mais uma vez, dependente apenas do cociente entre os valores das resistências
R1 e R2. Pode facilmente demonstrar-se que a aplicação do método alternativo de análise
99
conduz à expressão (Figura 5.b) cujo limite quando o ganho do AmpOp tende para infinito
coincide com a relação (12) apenas derivada.
3.24.4.- Circuitos com AmpOps
As montagens inversora e não - inversora são utilizadas numa infinidade de
aplicações de processamento de sinal, designadamente de amplificação, filtragem, retificação
de sinais, conversão e simulação de impedâncias, conversão tensão - corrente e corrente -
tensão, etc. A seguir, estudam-se algumas aplicações que permitem ilustrar o enorme potencial
prático do amplificador operacional de tensão.
3.24.5 - Seguidor de Tensão
O circuito seguidor de tensão constitui uma das aplicações mais comuns do
amplificador operacional (Figura 6; na literatura inglesa este circuito é designado por buffer,
cuja tradução para a Língua Portuguesa é circuito amortecedor ou tampão).
Figura - 3. 92. Circuito seguidor de tensão
O seguidor de tensão implementa um ganho unitário entre a entrada e a saída,
resultado que à primeira vista poderia parecer destituído de aplicação prática. Na Figura 7
apresentam-se dois circuitos que ilustram a utilidade prática do seguidor de tensão: em (a) a
carga encontra-se ligada diretamente à fonte, cuja resistência interna introduz um divisor
resistivo, ao passo que em (b) a fonte e a carga são intercaladas de um seguidor de tensão.
Figura - 3. 93. Aplicações do circuito seguidor de tensão
Identificam-se as seguintes diferenças entre estes dois circuitos: no primeiro caso a
tensão na carga é inferior àquela disponibilizada pela fonte, e é a fonte de sinal quem fornece a
potência à carga. Pelo contrário, no caso do circuito em (b) verifica-se a igualdade
designadamente como resultado do ganho infinito e das impedâncias de entrada infinita e de
saída nula do amplificador operacional. Para além do mais, neste caso é o amplificador
operacional e não a fonte de sinal quem fornece potência à carga. Estas características
justificam os títulos de circuito seguidor de tensão, isolador ou tampão. O circuito seguidor de
100
tensão pode ser encarado como caso limite da montagem não – inversora estudada
anteriormente. Com efeito, e como se indica na Figura 6.b, os dois circuitos coincidem quando
a resistência R1 é feita tender para infinito, situação durante a qual o valor da resistência R2 é
irrelevante, exceto quando infinito, dado ser nula a corrente respectiva.
Somador Inversor
A montagem inversora pode ser utilizada para implementar a soma pesada de sinais elétricos
(Figura 8).
Figura - 3. 94. Somador inversor
A massa virtual do AmpOp implementa a soma das correntes fornecidas por cada
uma das fontes de sinal, e a resistência R converte-as na tensão Uma das aplicações mais
interessantes do somador na Figura 8 é a realização de um conversor digital-analógico. Com
efeito, se admitirmos que as fontes de sinal vi valem 1 V ou 0 V consoante o valor lógico dos bit
de uma palavra digital, e as resistências Ri se encontram pesadas binariamente em função da
ordem do bit na palavra, por exemplo R1=R, R2=R/2, R3=R/4.. Rk=R/2k-1, então a expressão da
tensão na saída do AmpOp é Por exemplo, as palavras digitais 10011 e 00001 (em decimal 19 e
1, respectivamente) conduzem aos valores da tensão na saída e respectivamente. Naturalmente
que se pode sempre dimensionar o valor da resistência R de modo a redefinir a escala de
amplitudes da tensão na saída.
Amplificador Inversor
Uma das limitações da montagem inversora simples é a dificuldade de na prática
construir amplificadores com, simultaneamente, elevados ganho e resistência de entrada
(reveja-se a Figura 15.4). Na montagem inversora simples, a especificação de um ganho de
tensão elevado, -
R2/R1, convida a estabelecer um valor nominal relativamente pequeno para a resistência R1, ao
passo que a exigência de uma elevada resistência de entrada, dada por recomenda exatamente o
oposto. Um modo de obviar a esta limitação é a utilização do circuito representado na Figura
15.9, cuja análise se pode efetuar nos seguintes passos: (17)
(18)