APOSTILA I - ELETRÔNICA

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    CURSO:Tcnico em Eletromecnica

    COMPONENTE CURRICULAR: Eletrnica

    PROFESSOR(A):Wedel

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    1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAO1.1 FSICA DOS SEMICONDUTORESA ESTRUTURA DO TOMOO tomo formado basicamente por 3 tipos de partculas elementares: Eltrons, prtons enutrons. A carga do eltron igual a do prton, porm de sinal contrrio. Os eltrons giram emtorno do ncleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de at sete camadas. Em cadatomo, a camada mais externa chamada de valncia, e geralmente ela que participa dasreaes qumicas Todos os materiais encontrados na natureza so formados por diferentes tiposde tomos, diferenciados entre si pelo seus nmeros de prtons, eltrons e nutrons. Cadamaterial tem uma infinidade de caractersticas, mas uma especial em eletrnica ocomportamento passagem de corrente. Pode-se dividir em trs tipos principais:

    MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADESo materiais que no oferecem resistncia a passagem de corrente eltrica. Quanto menor for aoposio a passagem de corrente, melhor condutor o material. O que caracteriza o material bomcondutor o fato de os eltrons de valncia estarem fracamente ligados ao tomo, encontrandogrande facilidade para abandonar seus tomos e se movimentarem livremente no interior dosmateriais. O cobre, por exemplo, com somente um eltron na camada de valncia tem facilidade

    de ced-lo para ganhar estabilidade. O eltron cedido pode tornar-se um eltron livre.

    MATERIAIS ISOLANTESSo materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem da correnteeltrica. Os eltrons de valncia esto rigidamente ligados aos seu tomos, sendo que poucoseltrons conseguem desprender-se de seus tomos para se transformarem em eltrons livres.Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substncias compostas (borracha, mica,baquelita, etc.).

    MATERIAL SEMICONDUTORMateriais que apresentam uma resistividade eltrica intermediria. Como exemplo temos ogermnio e silcio.

    ESTUDO DO SEMICONDUTORESOs tomos de germnio e silcio tem uma camada de valncia com 4 eltrons. Quando os tomosde germnio (ou silcio) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, so

    substncias cujos tomos se posicionam no espao, formando uma estrutura ordenada. Nessaestrutura, cada tomo une-se a quatro outros tomos vizinhos, por meio de ligaes covalentes, e

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    cada um dos quatro eltrons de valncia de um tomo compartilhado com um tomo vizinho, demodo que dois tomos adjacentes compartilham os dois eltrons, ver Figura 1-1.

    Se nas estruturas com germnio ou silcio no fosse possvel romper a ligaes covalentes, elasseriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperatura algumas ligaescovalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os eltrons dasligaes rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se eltronslivres.

    Com a quebra das ligaes covalentes, no local onde havia um eltron de valncia, passa a existir uma regio com carga positiva, uma vez que o tomo era neutro e um eltron o abandonou. Essa

    regio positiva recebe o nome de lacuna, sendo tambm conhecida como buraco. As lacunas no

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    tem existncia real, pois so apenas espaos vazios provocados por eltrons que abandonam asligaes covalentes rompidas.Sempre que uma ligao covalente rompida, surgem, simultaneamente um eltron e umalacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um eltron preencher o lugar de uma lacuna,completando a ligao covalente (processo de recombinao). Como tanto os eltrons como aslacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o nmero de lacunas sempre igual a de eltrons livres.Quando o cristal de silcio ou germnio submetido a uma diferena de potencial, os eltronslivres se movem no sentido do maior potencial eltrico e as lacunas por conseqncia se movemno sentido contrrio ao movimento dos eltrons.

    IMPUREZASOs cristais de silcio (ou germnio. Mas no vamos considera-lo, por simplicidade e tambmporque o silcio de uso generalizado em eletrnica) so encontrados na natureza misturadoscom outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as caractersticas destes cristais feitoum processo de purificao do cristal e em seguida injetado atravs de um processo controlado,a insero proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 tomos do cristal, com ainteno de se alterar produo deeltrons livres e lacunas. A este processo de insero d-se o nome de dopagem.

    As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos:impureza doadoras e impurezas aceitadoras.

    IMPUREZA DOADORASo adicionados tomos pentavalentes (com 5 eltrons na camada de valncia. Ex.: Fsforo eAntimnio). O tomo pentavalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristalabsorvendo as suas quatro ligaes covalentes, e fica um eltron fracamente ligado ao ncleo dopentavalente (uma pequena energia suficiente para se tornar livre).

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    IMPUREZA ACEITADORA

    So adicionados tomos trivalentes (tem 3 eltrons na camada de valncia. Ex.: Boro, alumnio eglio). O tomo trivalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal absorvendo trsdas suas quatro ligaes covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na rbita de valncia decada tomo trivalente.

    Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de eltrons livres ou excesso de lacunas.Por isso existem dois tipos de semicondutores:

    SEMICONDUTOR TIPO NO cristal que foi dopado com impureza doadora chamado semicondutor tipo n, onde n estrelacionado com negativo. Como os eltrons livres excedem em nmero as lacunas numsemicondutor tipo n, os eltrons so chamados portadores majoritrios e as lacunas, portadoresminoritrios.

    SEMICONDUTOR TIPO P

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    O cristal que foi dopado com impureza aceitadora chamado semicondutor tipo p, onde p estrelacionado com positivo. Como as lacunas excedem em nmero os eltrons livres numsemicondutor tipo p, as lacunas so chamadas portadores majoritrios e os eltrons livres,portadores minoritrios.

    1.2 DIODOA unio de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtm-se uma juno pn, que um dispositivo deestado slido simples: o diodo semicondutor de juno.

    Devido a repulso mtua os eltrons livres do lado n espalham-se em todas direes, algunsatravessam a juno e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece eo tomo associado torna-se carregado negativamente. (um on negativo)

    Cada vez que um eltron atravessa a juno ele cria um par de ons. Os ions esto fixo naestrutura do cristal por causa da ligao covalente. medida que o nmero de ions aumenta, aregio prxima juno fica sem eltrons livres e lacunas. Chamamos esta regio de camada dedepleo.Alm de certo ponto, a camada de depleo age como uma barreira impedindo a continuao dadifuso dos eltrons livres. A intensidade da camada de depleo aumenta com cada eltron queatravessa a juno at que se atinja um equilbrio. A diferena de potencial atravs da camada dedepleo chamada de barreira de potencial. A 25, esta barreira de 0,7V para o silcio e 0,3Vpara o germnio.O smbolo mais usual para o diodo mostrado a seguir:

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    POLARIZAO DO DIODOPolarizar um diodo significa aplicar uma diferena de potencial s suas extremidades.Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, h uma polarizao direta se o plo positivo dabateria for colocado em contato com o material tipo p e o plo negativo em contato com omaterial tipo n.

    POLARIZAO DIRETA

    No material tipo n os eltrons so repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para a juno.No material tipo p as lacunas tambm so repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na juno,e isto diminui a camada de depleo. Para haver fluxo livre de eltrons a tenso da bateria tem desobrepujar o efeito da camada de depleo.

    POLARIZAO REVERSAInvertendo-se as conexes entre a bateria e a juno pn, isto , ligando o plo positivo no materialtipo n e o plo negativo no material tipo p, a juno fica polarizada inversamente.No material tipo n os eltrons so atrados para o terminal positivo, afastando-se da juno. Fatoanlogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta acamada de depleo, tornando praticamente impossvel o deslocamento de eltrons de umacamada para outra.

    CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODOA curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor da tenso aplicada coma respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo.

    POLARIZAO DIRETA

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    Nota-se pela curva que o diodo ao contrrio de, por exemplo, um resistor, no um componentelinear. A tenso no diodo uma funo do tipo:

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    TENSO DE JOELHOAo se aplicar a polarizao direta, o diodo no conduz intensamente at que se ultrapasse abarreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os eltrons livrese as lacunas comeam a atravessar a juno em grandes quantidades. A tenso para a qual acorrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho. ( No Si aprox. 0,7V).

    POLARIZAO REVERSA DO DIODO

    o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente eltrica extremamente pequena, (chamadade corrente de fuga).Se for aumentando a tenso reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a

    tenso de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumentasensivelmente.* Salvo o diodo feito para tal, os diodos no podem trabalhar na regio de ruptura.GRFICO COMPLETO.

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    ESPECIFICAES DE POTNCIA DE UM DIODOEm qualquer componente, a potncia dissipada a tenso aplicada multiplicada pela corrente queo atravessa e isto vale para o diodo:

    IUP= Eq. 1- 2No se pode ultrapassar a potncia mxima, especificada pelo fabricante, pois haver umaquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potncia mxima ou corrente mximasuportada por um diodo.Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW

    1N4001 - IMAX = 1AUsualmente os diodos so divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais(potncia especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 0,5W).

    RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTENum diodo polarizado diretamente, uma pequena tenso aplicadapode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral umresistor usado em srie com o diodo para limitar a correnteeltrica que passa atravs deles.RS chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior oRS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS .

    RETA DE CARGASendo a curva caracterstica do diodo no linear, torna-se complexo determinar atravs deequaes o valor da corrente e tenso sobre o diodo e resistor. Um mtodo para determinar ovalor exato da corrente e da tenso sobre o diodo, o uso da reta de carga.Baseia-se no uso grfico das curvas do diodo e da curva do resistor.Na Figura 1-12, a corrente I atravs do circuito a seguinte:

    No circuito em srie a corrente a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados a tenso dafonte e a resistncia RS, ento so desconhecidas a corrente e a tenso sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 100, ento:

    Se UD=0V ! I=20mA. Esse ponto chamado de ponto de saturao, pois o mximo valor que a

    corrente pode assumir.

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    E se I=0A !UD=2V. Esse ponto chamado corte, pois representa a corrente mnima que atravessao resistor e o diodo.A Eq. 1-4 indica uma relao linear entre a corrente e a tenso ( y = ax + b). Sobrepondo estacurva com a curva do diodo tem-se:

    (I=0A,U=2V) - Ponto de corte !Corrente mnima do circuito(I=20mA,U=0V) - Ponto de saturao !Corrente mxima do circuito(I=12mA,U=0,78V) - Ponto de operao ou quiescente!Representa acorrente atravs do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe umatenso de 0,78V.

    1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODOO diodo emissor de luz (LED) um diodo que quando polarizadodiretamente emite luz visvel (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ouluz infravermelha. Ao contrrio dos diodos comuns no feito de silcio, que um material opaco, e sim, de elementos como glio, arsnico e fsforo.

    amplamente usada em equipamentos devido asua longa vida, baixa tenso de acionamento e boa resposta em circuitosde chaveamento.A polarizao do LED similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em srie com um resistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 1-14. o LED esquematizado como um diodocomum com seta apontando para fora como smbolo de luz irradiada. A corrente que circula noLED :

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    Para a maioria dos LEDs disponveis no mercado, a queda de tenso tpica de 1,5 a 2,5V paracorrentes entre 10 e 50mA.

    FOTODIODO um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que sensvel a luz.Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente reversa Num diodo polarizadoreversamente, circula somente os portadores minoritrios. Esses portadores existem porque aenergia trmica entrega energia suficiente para alguns eltrons de valncia sarem fora de suasrbitas, gerando eltrons livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quandouma energia luminosa incide numa juno pn, ela injeta mais energia ao eltrons de valncia ecom isto gera mais eltrons livres. Quanto mais intensa for a luz na juno, maior ser correntereversa num diodo.

    1.4 APROXIMAES DO DIODOao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessrio conhecer a curva do diodo, masdependendo da aplicao pode-se fazer aproximaes para facilitar os clculos.1 APROXIMAO (DIODO IDEAL)Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e comoum isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta.

    2 APROXIMAOLeva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir.

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    Pensa-se no diodo como uma chave em srie com uma bateria de 0,7V.3 APROXIMAONa terceira aproximao considera a resistncia interna do diodo.

    Obs.:. Ao longo do curso ser usada a 2 aproximao.

    Exemplo 1-1 Utilizar a 2 aproximao para determinar a correntedo diodo no circuito da Figura 1-18:SOL.: O diodo est polarizado diretamente, portanto age como umachave fechada em srie com uma bateria.

    RESISTNCIA CC DE UM DIODO a razo entre a tenso total do diodo e a corrente total do diodo. Pode-se considerar dois casos:RD - Resistncia cc no sentido diretoRR - Resistncia cc no sentido reverso

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    RESISTNCIA DIRETA a resistncia quando aplicada uma tenso no sentido direto sobre o diodo. varivel, pelofato do diodo ter uma resistncia no linear.Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tenso de 0,65V entre seus terminais existiruma corrente I=10mA. Caso a tenso aplicada seja de 0,75V a corrente correspondente ser de30mA. Por ltimo se a tenso for de 0,85V a corrente ser de 50mA. Com isto pode-se calcular aresistncia direta para cada tenso aplicada:RD1 = 0,65/10mA = 65RD2 = 0,75/30mA = 25RD3 = 0,85/50mA = 17Nota-se que a resistncia cc diminu com o aumento da tenso

    RESISTNCIA REVERSATomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tenso de -20V a corrente ser de 25nA,enquanto uma tenso de -75V implica numa corrente de 5A. A resistncia reversa ser de:RS1 = 20/25nA = 800MRS2 = 75/5A = 15MA resistncia reversa diminui medida que se aproxima da tenso de ruptura.

    1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA comum em circuitos eletrnicos o uso de baterias de alimentao. Devido ao alto custo de umabateria se comparado com a energia eltrica, torna-se necessrio a criao de um circuito quetransforme a tenso alternada de entrada em uma tenso contnua compatvel com a bateria. Odiodo um componente importante nesta transformao. que se ver neste item.

    ONDA SENOIDALA onda senoidal um sinal eltrico bsico. Sinais mais complexos podem ser representados por

    uma soma de sinais senoidais.onde:U tenso instantneaUp tenso de picoAlgumas maneiras de se referir aos valores da onda:Valor de pico UP Valor mximo que a onda atingeValor de pico a pico ( UPP ) Diferena entre o mximo e mnimo que a ondaatinge Upp = Up - (- Up ) = 2 Up

    Valor eficaz ( URMS) ( Root Mean Square)O valor rms valor indicado pelo voltmetro quando na escala ca. O valor rms de

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    uma onda senoidal, definido como a tenso cc que produz a mesmaquantidade de calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que:VRMS = 0,707 Up Eq. 1-7

    Valor mdioO valor mdio quantidade indicada em um voltmetro quando na escala cc. O valor mdio deuma onda senoidal ao longo de um ciclo zero. Isto porque cada valor da primeira metade dociclo, tem um valor igual mas de sinal contrrio na segunda metade do ciclo.

    O TRANSFORMADORAs fontes de tenses utilizadas em sistemas eletrnicos em geral so menores que 30V CCenquanto a tenso de entrada de energia eltrica costuma ser de 127VRMS ou 220V RMS.Logo preciso um componente para abaixar o valor desta tenso alternada. O componenteutilizado o transformador. O transformador a grosso modo constitudo por duas bobinas(chamadas de enrolamentos). A energia passa de uma bobina para outra atravs do fluxomagntico. Abaixo um exemplo de transformador:

    A tenso de entrada U1 est conectada ao que se chama de enrolamento primrio e a tenso de

    sada ao enrolamento secundrio.No transformador ideal:

    Onde:U1 tenso no primrio

    U2 tenso no secundrioN1 nmero de espiras no enrolamento primrioN2 nmero de espiras no enrolamento secundrio

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    A corrente eltrica no transformados ideal :

    Exemplo 1-2 Se a tenso de entrada for 115 VRMS, a corrente de sada de 1,5ARMS e a relaode espiras 9:1. Qual a tenso no secundrio em valores de pico a pico? E a corrente eltrica noprimrio?SOL.

    obs.: a potncia eltrica de entrada e de sada num transformador ideal so iguais.P=U*I=115*0,167=12,8*1,5=19,2W

    RETIFICADOR DE MEIA ONDAO retificador de meia onda converte a tenso de entrada (USECUNDRIIO) ca numa tenso pulsantepositiva UR. Este processo de converso de AC para cc, conhecido como retificao. NaFigura 1-21 mostrado um circuito de meia onda.

    Considerando o diodo como ideal, as curvas so as mostrada na Figura 1-22. A sada dosecundrio tem dois ciclos de tenso: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclopositivo o diodo est ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei dasmalhas toda a tenso do secundrio incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodoest polarizado reversamente e no h corrente circulando no circuito.

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    Sem corrente eltrica circulando implica em no ter tenso sob o resistor e toda a tenso dosecundrio fica no diodo. Este circuito conhecido como retificador de meio ciclo porque s osemiciclo positivo aproveitado na retificao.

    O resistor R indicado no circuito representa a carga hmica acoplada ao retificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo e normalmente ele chamado de resistor decarga ou simplesmente de carga.

    VALOR CC OU VALOR MDIOA tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro dado por:

    RETIFICADOR DE ONDA COMPLETAA Figura 1-23 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central no enrolamentosecundrio. Por causa dessa tomada, o circuito equivalente a dois retificadores de meia onda. Oretificador superior retifica o semiciclo positivo da tenso do secundrio, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tenso do secundrio.

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    As duas tenses denominadas de U2/2 na Figura 1-23 so idnticas em amplitude e fase.O transformador ideal pode ser, portanto, substitudo por duas fontes de tenso idnticas, comomostra a Figura 1-23 direita, sem alterao no funcionamento eltrico da rede.Quando U2/2 positiva, D1 est diretamente polarizado e conduz mas D 2 est reversamentepolarizado e cortado. Analogamente, quando U2/2 negativa, D2 conduz e D1 cortado.Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tenso sobre o resistor de carga mostradana Figura 1-24.

    VALOR CC OU VALOR MDIOA tenso mdia de um retificador de meia onda mostrada por um voltmetro similar o doretificador de meia onda com a observao de que agora tem-se um ciclo completo e o valor sero dobro. dado por:

    FREQNCIA DE SADAA frequncia de sada de onda completa o dobro da frequncia de entrada, pois a definio deciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo quando ela comea a repeti-lo. NaFigura 1-24, a forma de onda retificada comea a repetio aps um semiciclo da tenso dosecundrio. Supondo que a tenso de entrada tenha uma frequncia de 60Hz, a onda retificada

    ter uma frequncia de 120Hz e um perodo de 8,33ms.

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    RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTENa Figura 1-25 mostrado um retificador de onda completa em ponte. Com o uso de quatrodiodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador.Durante o semiciclo positivo da tenso U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo,e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem, D1 e D4 ficamreversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tenso U 2.

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    Durante o semiciclo negativo da tenso U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seuanodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido inverso da polaridade de U2. Osdiodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado.

    A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portanto a tenso U R sempre positiva. Na Figura 1-26 mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e osdiodos, considerando os diodos ideais.Na Tabela 1-1 feito uma comparao entre os trs tipos de retificadores. Para diodos ideais.

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    1.6 CAPACITORComponente eletrnico, constitudo por duas placas condutoras, separadas por um materialisolante.

    Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haver uma distribuio de cargas e apsum certo tempo as tenses na bateria e no capacitor sero as mesmas. E deixa de circular

    corrente eltrica.

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    Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas eltricas acumuladas permanecem nocapacitor, e, portanto mantida a diferena de potencial no capacitor.

    O capacitor pode armazenar carga eltrica.O capacitor se ope a variao de tenso eltrica.A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da sua capacitncia.

    onde: = constante dieltrica (F/m)S = rea de uma das placas (so iguais) (m2)d = Espessura do dieltrico em metro (m)C = Capacitncia em Farads (F) em geral se usa submultiplos do Farad: F, nF, pF

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    CARGA E DESCARGA DO CAPACITORSuponha que o capacitor esteja descarregado e em t=0s a chave do circuito abaixo fechada.

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    Resistor em paralelo com o capacitor

    Resistor em srie com capacitor e com um gerador de onda quadrada

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    1.7 FILTRO PARA O RETIFICADORA tenso de sada de um retificador sobre um resistor de carga pulsante como mostrador por exemplo na Figura 1-26. Durante um ciclo completo na sada, a tenso no resistor aumenta apartir de zero at um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tenso de umabateria deve ser estvel. Para obter esse tipo de tenso retificada na carga, torna-se necessrio ouso de filtro.O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores o filtro com capacitor mostrado na Figura1-27. O capacitor colocado em paralelo ao resistor de carga.Para o entendimento do funcionamento do filtro supor o diodo como ideal e que, antes de ligar ocircuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quarto de ciclo da tenso nosecundrio, o diodo est diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chavefechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundrio ao capacitor, ele carrega at o valor datenso de pico UP.

    Logo aps o pico positivo, o diodo para de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devidoao fato de o capacitor ter uma tenso de pico UP. Como a tenso no secundrio ligeiramentemenor que UP, o diodo fica reversamente polarizado e no conduz. Com o diodo aberto, ocapacitor se descarrega por meio do resistor de carga. A ideia do filtro a de que o tempo dedescarga do capacitor seja muito maior que o perodo do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perder somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte.

    O diodo s voltar a conduzir no momento em que a tenso no secundrio iniciar a subir e sejaigual a tenso no capacitor. Ele conduzir deste ponto at a tenso no secundrio atingir o valor de pico UP. O intervalo de conduo do diodo chamado de ngulo de conduo do diodo.

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    Durante o ngulo de conduo do diodo, o capacitor carregado novamente at UP. Nosretificadores sem filtro cada diodo tem um ngulo de conduo de 180.Na Figura 1-28 mostrada na tenso sob a carga. A tenso na carga agora uma tenso cc maisestvel. A diferena para uma tenso cc pura uma pequena ondulao (Ripple) causada pelacarga e descarga do capacitor. Naturalmente, quanto menor a ondulao, melhor. Uma forma dereduzir a ondulao aumentar a constante de tempo de descarga (R.C). Na prtica aumentar ovalor do capacitor. Outra forma de reduzir a ondulao optar pelo uso de um retificador de ondacompleta, no qual a frequncia de ondulao o dobro do meia onda. Neste caso carregadoduas vezes a cada ciclo da tenso de entrada e descarrega-se s durante a metade do tempo deum meia onda.Pode-se relacionar a tenso de ondulao na seguinte frmula:

    onde:UOND = tenso de ondulao pico a picoI = corrente cc na cargaf = frequncia de ondulaoC = capacitncia

    A escolha de um capacitor de filtro, depende, ento, do valor da tenso de ondulao.Quanto menor, melhor. Mas no vivel que a tenso de ondulao seja zero. Como regra deprojeto, o habitual escolher a tenso de ondulao como sendo 10% da tenso de pico do sinala ser retificado.

    CORRENTE DE SURTO (IMPULSIVA)Instantes antes de energizar o circuito retificador, o capacitor do filtro est descarregado.No momento em que o circuito ligado, o capacitor se aproxima de um curto. Portanto, a corrente

    inicial circulando no capacitor ser muito alta. Este fluxo alto de corrente chamado corrente desurto. Neste momento o nico elemento que limita a carga a resistncia dos enrolamentos e aresistncia interna dos diodos. O pior caso, o capacitor estar totalmente descarregado e oretificador ser ligado no instante em que a tenso da linha mxima. Assim a corrente ser:

    Esta corrente diminui to logo o capacitor v se carregando. Em um circuito retificador tpico, acorrente de surto no uma preocupao. Mas, quando a capacitncia for muito maior do que1000uF, a constante de tempo se torna muito grande e pode levar vrios ciclos para o capacitor se carregar totalmente. Isto tanto pode danificar os diodos quanto o capacitor.

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    Um modo de diminuir a corrente de surto incluir um resistor entre os diodos e o capacitor. Esteresistor limita a corrente de surto porque ele somado ao enrolamento e resistncia interna dosdiodos. A desvantagem dele , naturalmente, a diminuio da tenso de carga cc.

    1.8 DIODO ZENERO diodo zener um diodo construdo especialmente para trabalhar na tenso de ruptura.Abaixo mostrado a curva caracterstica do diodo zener e sua simbologia.

    O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente. Mas aocontrrio de um diodo convencional, ele suporta tenses reversas prximas a tenso de ruptura.A sua principal aplicao a de conseguir uma tenso estvel (tenso de ruptura).Normalmente ele est polarizado reversamente e em srie com um resistor limitador de corrente.Graficamente possvel obter a corrente eltrica sob o zener com o uso de reta de carga.

    DIODO ZENER IDEAL

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    O zener ideal aquele que se comporta como uma chave fechada para tenses positivas outenses negativas menores que V Z . Ele se comportar como uma chave aberta para tensesnegativas entre zero e VZ . Veja o grfico abaixo

    SEGUNDA APROXIMAOUma Segunda aproximao considera-lo como ideal mas que a partir da tenso de rupturaexista uma resistncia interna.

    CORRENTE MXIMA NO ZENER

    Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificao de potncia mxima de 400mW,qual ser a corrente mxima permitida?SOL.:

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    Este zener suporta at 33,3mA.

    REGULADOR DE TENSO COM ZENERObjetivo: manter a tenso sobre a carga constante e de valor V z.

    CLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS.

    garante a corrente mnima para a carga

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    garante que sob o zener no circule uma corrente maior que IZMAX

    Exemplo 1-4: Um regulador zener tem uma tenso de entrada de 15V a 20V e a corrente de cargade 5 a 20mA. Se o zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS?SOL.:RS (20-6,8)/(5m+40m)=293 293

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    Redesenhando o circuito e ligando uma resistncia de carga

    DOBRADOR DE TENSO DE ONDA COMPLETA

    TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSO

    LIMITADORES

    Retira tenses do sinal acima ou abaixo de um dado nvel. Serve para mudar o sinal ou para proteo.

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    LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR)

    LIMITADOR POLARIZADO

    ASSOCIAO DE LIMITADORES

    USO COMO PROTEO DE CIRCUITOS

    1N914 conduz quando a tenso de entrada excede a 5,7V. Este circuito chamado grampo de diodo, porque ele mantm o sinal num nvel fixo.

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    GRAMPEADOR CCO grampeador cc soma uma tenso cc ao sinal (no confundir com grampo de diodo).Por exemplo, se o sinal que chega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc positivo produziriauma sada que idealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador negativo produziria uma sadaentre 0 e -20V).

    1.10 EXERCCIOSEx. 1-1)Num dado circuito, quando um diodo est polarizado diretamente, sua corrente de50mA. Quando polarizado reversamente, a corrente cai para 20nA. Qual a razo entre a correntedireta e a reversa?Ex. 1-2)Qual a potncia dissipada num diodo de silcio com polarizao direta se a tenso dediodo for de 0,7V e a corrente de 100mA?Ex. 1-3)Faa o grfico I*V de um resistor de 2k. marque o ponto onde a

    corrente de 4mA.Ex. 1-4)Suponha VS=5V e que a tenso atravs do diodo seja 5V.O diodo est aberto ou em curto?Ex. 1-5)Alguma faz com que R fique em curto no circuito ao lado.Qual ser a tenso do diodo? O que acontecer ao diodo?Ex. 1-6)Voc mede 0V atravs do diodo do circuito ao lado. A seguir voc testa a tenso dafonte, e ela indica uma leitura de +5V com relao ao terra (-). O que h de errado com o circuito?

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    Ex. 1-7)Uma fonte de tenso de 2,5V leva o diodo a Ter um resistor limitador de corrente de 25.Se o diodo tiver a caracterstica I*V abaixo, qual a corrente na extremidade superior da linha decarga: a tenso na extremidade mais baixa da linha de carga? Quais os valores aproximados datenso e da corrente no ponto Q?Ex. 1-8)Repita o exerccio anterior para uma resistncia de 50. Descreva o que acontece com alinha de carga.Ex. 1-9)Repita o Ex. 1-7 para uma fonte de tenso de 1,5V. o que acontece com a linha de carga?Ex. 1-10)Um diodo de silcio tem uma corrente direta de 50mA em 1V. Utilize a terceiraaproximao para calcular sua resistncia de corpo.Ex. 1-11)A tenso da fonte de 9V e da resistncia da fonte de 1k. Calcule a corrente atravsdo diodo

    Ex. 1-12)No circuito acima, a tenso da fonte de 100V e a resistncia da fonte de 220. Quaisos diodos relacionados abaixo podem ser utilizados?

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    Ex. 1-13)E se eu inverter a polaridade dafonte?Ex. 1-14)No circuito acima qual dever ser o valor de R para se obter uma corrente de diodo de10mA? (suponha VS=5V)Ex. 1-15)Alguns sistemas como alarme contra roubo, computadores, etc. utilizam uma bateriaauxiliar no caso da fonte de alimentao principal falhar. Descreva como funciona o circuitoabaixo.

    Ex. 1-16)Encontre a capacitncia de um capacitor de placas paralelas se a dimenso de cadaplaca retangular de 1x0,5 cm, a distncia entre as placas 0,1mm e o dieltrico o ar. Depois,

    encontre a capacitncia tendo a mica como dieltrico.

    Ex. 1-17)Encontre a distncia entre as placas de um capacitor de 0,01F de placas paralelas, se area de cada placa 0,07 m2 e o dieltrico o vidro.Ex. 1-18)Um capacitor possui como dieltrico um disco feito de cermica com 0,5 cm de dimetroe 0,521 mm de espessura. Esse disco revestido dos dois lados com prata, sendo esserevestimento as placas. Encontre a capacitncia.

    Ex. 1-19)Um capacitor de placas paralelas de 1 F possui um dieltrico de cermica de 1mm deespessura. Se as placas so quadradas, encontre o comprimento do lado de uma placa.Ex. 1-20)No instante t=0s, uma fonte de 100V conectada a um circuito srie formado por umresistor de 1k e um capacitor de 2F descarregado. Qual : A tenso inicial do capacitor? A corrente inicial? tempo necessrio para o capacitor atingir a tenso de 63% do seu valor mximo?Ex. 1-21)Ao ser fechada, uma chave conecta um circuito srie formado por uma fonte de 200V,

    um resistor de 2M e um capacitor de 0,1F descarregado. Encontre a tenso no capacitor e acorrente no instante t=0,1s aps o fechamento da chave.

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    Ex. 1-22)Para o circuito usado no problema 6, encontre o tempo necessrio para a tenso nocapacitor atingir 50V. Depois encontre o tempo necessrio para a tenso no capacitor aumentar mais 50V (de 50V para 100V). Compare os resultados.Ex. 1-23)Um simples temporizador RC possui uma chave que quando fechada conecta em srieuma fonte de 300V, um resistor de 16M e um capacitor descarregado de 10F.Encontre o tempo entre a abertura e o fechamento.Ex. 1-24)Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada, tem uma tenso de picona sada de 25V. Se a resistncia de carga for de 220 e a capacitncia de 500F, qual aondulao de pico a pico (Ripple)?Ex. 1-25)A figura abaixo mostra uma fonte de alimentao dividida. Devido derivao centralaterrada, as tenses de sada so iguais e com polaridade oposta. Quais as tenses de sadapara uma tenso do secundrio de 17,7Vac e C=500F? Qual a ondulao de pico a pico? Quaisas especificaes mnima de ID e VZ ? qual a polaridade de C1 e C2?

    Ex. 1-26)Voc mede 24Vac atravs dos secundrio da figura abaixo. Em seguida voc mede21,6Vac atravs do resistor de carga. Sugira alguns problemas possveis.

    Ex. 1-27)Voc est construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada.As especificaes so uma tenso de carga de 15V e uma ondulao de 1V para uma resistnciade carga de 680. Qual a tenso em rms no enrolamento do secundrio? Qual deve ser o valor do capacitor de filtro?Ex. 1-28)A fonte de alimentao dividida da figura 1 tem uma tenso do secundrio de 25Vac.Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 por cento para a ondulao.Ex. 1-29)A tenso do secundrio na figura abaixo de 25Vac. Com a chave na posio mostrada,qual a tenso de sada ideal? Com a chave na posio mais alta, qual a tenso de sada ideal?

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    Ex. 1-30)O ampermetro da figura abaixo tem uma resistncia de medidor de 2k e uma correntepara fundo de escala de 50A. Qual a tenso atravs desse ampermetro quando ele indicar fundo de escala? Os diodos s vezes so ligados em derivao (Shunted) atravs do

    ampermetro, como mostra a figura 4. Se o ampermetro estiver ligado em srie com um circuito,os diodos podem ser de grande utilidade. Para que voc acha que eles podem servir?

    Ex. 1-31)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem um Rs=680 e umRz=10. O segundo tem um Rs=1,2k e Rz=6. Se o Ripple da fonte for de 9V de pico a pico,qual Ripple na sada?Ex. 1-32)Na figura abaixo, o 1N1594 tem uma tenso de zener de 12V e uma resistncia zener de1,4. Se voc medir aproximadamente 20V para a tenso de carga, que componente voc sugereque est com defeito? Explique por qu?

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    Ex. 1-35)No exerccio anterior qual a tenso na carga para cada uma das condies abaixo: diodo zener em curto diodo zener aberto resistor em srie aberto resistor de carga em curto

    O que ocorre com VL e com o diodo zener se o resistor em srie estiver em curto?Ex. 1-36)Qual o sinal de sada?

    Ex. 1-38)Um regulador zener tem Vz = 15V e Izmax=100mA. VS pode variar de 22 a 40V. RL pode variar de 1k a 50k. Qual o maior valor que a resistncia srie pode assumir?Ex. 1-39)Um diodo zener tem uma resistncia interna de 5. Se a corrente variar de 10 a20mA, qual a variao de tenso atravs do zener?Ex. 1-40)Uma variao de corrente de 2mA atravs do diodo zener produz uma variaode tenso de 15mV. Qual o valor da resistncia?

    Ex. 1-41)Qual o valor mnimo de RS para o diodo no queimar (VZ=15V e PZMAX=0,5W)?

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    Ex. 1-42)no exerccio anterior, se RS= 2k, qual a corrente sobre o zener, e qual a potnciadissipada no zener?Ex. 1-43)Qual o valor de Iz para RL= 100k, 10k e 1k?

    Ex. 1-44)No exerccio anterior suponha que a fonte tenha um Ripple de 4V. Se a resistncia zener for de 10, qual o Ripple de sada?Ex. 1-45)Dois reguladores zener esto ligados em cascata. O primeiro tem uma resistncia emsrie de 680 e um Rz=6. O segundo tem uma resistncia srie de 1k2 e Rz=6. Se a

    ondulao da fonte for 9V de pico a pico, qual a ondulao na sada?

    2 TRANSISTOR BIPOLARExiste uma infinidade de sinais de interesse em eletrnica que so muitos fracos, como por exemplo, as correntes eltricas que circulam no corpo humano, o sinal de sada de uma cabeade gravao, etc., e para transforma-los em sinais teis torna-se necessrio amplifica-los. Antesda dcada de 50, a vlvula era o elemento principal nesta tarefa. Em 1951, foi inventado otransistor. Ele foi desenvolvido a partir da tecnologia utilizada no diodo de juno, como umaalternativa em relao as vlvulas, para realizar as funes de amplificao, deteco, oscilao,

    comutao, etc. A partir da o desenvolvimento da eletrnica foi imenso.

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    Dentre todos os transistores, o bipolar muito comum, com semelhanas ao diodo estudadoanteriormente, com a diferena de o transistor ser formado por duas junes pn, enquanto o diodopor apenas uma juno.

    2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARESO transistor bipolar constitudo por trs materiais semicondutor dopado. Dois cristais tipo n e umtipo p ou dois cristais tipo p e um tipo n. O primeiro chamado de transistor npn e o segundo depnp. Na Figura 2-1 so mostrados de maneira esquemtica os dois tipos:

    Cada um dos trs cristais que compe o transistor bipolar recebe o nome relativo a sua funo. Ocristal do centro recebe o nome de base, pois comum aos outros dois cristais, levementedopado e muito fino. Um cristal da extremidade recebe o nome de emissor por emitir portadoresde carga, fortemente dopado e finalmente o ltimo cristal tem o nome de coletor por receber os

    portadores de carga, tem uma dopagem mdia.Apesar de na Figura 2-1 no distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre si notamanho e dopagem. O transistor tem duas junes, uma entre o emissor a base, e outra entre abase e o coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a dois diodos. O diodo da esquerda comumente designado diodo emissor - base (ou s emissor) e o da direita de coletor - base (ous coletor).Ser analisado o funcionamento do transistor npn. A anlise do transistor pnp similar ao do npn,bastando levar em conta que os portadores majoritrios do emissor so lacunas em vez dos

    eltrons livres. Na prtica isto significa tenses e correntes invertidas se comparadas com o npn.

    TRANSISTOR NO POLARIZADO

    A difuso dos eltrons livres atravs da juno produz duas camadas de depleo. Cada camadatem aproximadamente uma barreira potencial de 0,7V (silcio) em 25C.

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    Com os diferentes nveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleo tem largurasdiferentes. Tanto maior a largura quanto menor a dopagem. Ela penetra pouco na regio doemissor, bastante na base e mdio na regio do coletor.

    POLARIZAO DO TRANSISTOR NPNAs junes do transistor podem ser polarizadas diretamente ou reversamente.

    JUNES COM POLARIZAO DIRETANa Figura 2-3 a bateria B1 polariza diretamente o diodo emissor, e a bateria B2 polarizadiretamente o diodo coletor. Os eltrons livres entram no emissor e no coletor, juntam-se na basee retornam para as baterias. O fluxo de corrente eltrica alto nas duas junes.

    JUNES COM POLARIZAO REVERSANa Figura 2-4 os diodos emissor e coletor ficam reversamente polarizado. A corrente eltrica

    circulando pequena (corrente de fuga).

    JUNES COM POLARIZAO DIRETA - REVERSA

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    Na Figura 2-5 o diodo coletor est reversamente polarizado e diodo emissor diretamentepolarizado. A princpio espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor e uma alta corrente nodiodo emissor. No entanto isto no acontece, nos dois diodos as correntes so altas.

    No instante em que a polarizao direta aplicada ao diodo emissor, os eltrons do emissor aindano penetraram na regio da base. Se a tenso entre base e emissor (V BE)

    for maior que 0,7V, muitos eltrons do emissor penetram na regio da base. Estes eltrons nabase podem retornar ao plo negativo da bateria B1, ou atravessar a juno do coletor passandoa regio do coletor. Os eltrons que a partir da base retornam a bateria B1 so chamados decorrente de recombinao. Ela pequena porque a base pouco dopada.Como a base muito fina, grande parte dos eltrons da base passam a juno base-coletor. Esta juno, polarizada reversamente, dificulta a passagem dos portadores majoritrios do cristal debase (lacunas) para o coletor, mas no dos eltrons livres.Esses atravessam sem dificuldade a camada de depleo penetram na regio de coletor.L os eltrons livres so atrados para o plo positivo da bateria B2.Em suma, com a polarizao direta do diodo emissor, injetado uma alta corrente em direo abase. Na base uma pequena parcela da corrente, por recombinao, retorna ao plo negativo dabateria B1 e o restante da corrente flui para o coletor e da para o plo positivo da bateria B2. Ver Figura 2-6.Obs. Considerar a tenso coletor - base (VCB) bem maior que a tenso emissor - base (V BE).

    TRANSISTOR PNP

    No transistor pnp as regies dopadas so contrrias as do transistor npn. Isso significa que aslacunas so portadores majoritrios no emissor em vez dos eltrons livres.

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    O funcionamento como a seguir. O emissor injeta lacunas na base. A maior parte dessaslacunas circula para o coletor. Por essa razo a corrente de coletor quase igual a do emissor. Acorrente de base muito menor que essas duas correntes.Qualquer circuito com transistor npn pode ser convertido para uso de transistor pnp. Basta trocar os transistores, inverter a polaridade da fonte de alimentao, os diodos e capacitorespolarizados. E o funcionamento ser idntico ao modelo npn.Considerando esta similaridade, neste curso os circuitos analisados so sempre os comtransistores npn.

    AS CORRENTES NO TRANSISTOR

    Figura 2-7 mostra o smbolo esquemtico para um transistor pnp e npn. A diferenciao a nvel deesquemtico feito atravs da seta no pino do emissor. A direo da seta mostra o fluxo decorrente convencional. Na figura mostrado tambm o sentido das correntes convencionais IB , ICe IE .A lei de correntes de Kirchhoff diz que a soma de todas as correntes num n igual a soma das

    que saem. Ento:IE = IC + IB Eq. 2- 1

    A relao entre a corrente contnua de coletor e a corrente contnua de base chamada de ganhode corrente CC :

    Em geral mais de 95% dos eltrons livres atingem o coletor, ou seja, a corrente de emissor praticamente igual a corrente de coletor. O parmetro cc de um transistor indica a relao entrea corrente de emissor e coletor:

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    TESTE DE DIODOS E TRANSISTORES.Uma maneira simples mostrada a seguir para se testar diodos e transistores utilizando umohmmetro.Teste de funcionamento de um diodo com um ohmmetro.1. Encosta-se a ponta de prova negativa no ctodo2. Encosta-se a ponta de prova positiva no nodoO ohmmetro deve indicar resistncia baixa.3. Inverte-se as pontas de provas, a resistncia deve ser alta.Teste de funcionamento de um transistor npn com um ohmmetro1. Encosta-se a ponta de prova negativa na base do transistor 2. Encosta-se a ponta de prova positiva no coletor do transistor O ohmmetro deve indicar resistncia alta.3. Muda-se a ponta de prova positiva para o emissor do transistor O ohmmetro deve indicar resistncia alta.4. Inverte-se as pontas de provas, isto , encosta-se a positiva na base e repeteos itens 2 e 3. As resistncias devem ser baixas.Isto vlido para os multmetros digitais. Em geral, nos multmetros analgicos, a ponta de provapositiva est ligada ao plo negativo da bateria.

    MONTAGEM BSICA COM TRANSISTORNa Figura 2-8, o lado negativo de cada fonte de tenso est conectado ao emissor. Neste casodenomina-se o circuito como montado em emissor comum. Alm da montagem em emissor comum, existem a montagem em coletor comum e base comum, analisadas mais a frente. Ocircuito constitudo por duas malhas. A malha da esquerda que contm a tenso VBE e malhada direita com a tenso VCE.

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    RELAO IB VERSUS VBE Existe uma relao entre IB e VBE, ou seja, para cada I B existe uma tenso VBE correspondente(Figura 2-9). Naturalmente, esta curva semelhante a curva do diodo.

    RELAO IC VERSUS VCEA partir de VCC e VS possvel obter diversos valores de IC e VCE . a Figura 2-10 mostra esta

    relao supondo um IB fixo.

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    A parte inicial da curva chamada de regio de saturao. toda a curva entre a origem e o joelho. A parte plana chamada de regio ativa. Nesta regio uma variao do VCE no influenciano valor de IC. IC mantm-se constante e igual a IB CC. A parte final a regio de ruptura e deveser evitada.Na regio de saturao o diodo coletor est polarizado diretamente. Por isso, perde-se ofuncionamento convencional do transistor, passa a simular uma pequena resistncia hmica entreo coletor e emissor. Na saturao no possvel manter a relao I C=IBCC.Para sair da regio de saturao e entrar na regio ativa, necessrio uma polarizao reversado diodo coletor. Como VBE na regio ativa em torno de 0,7V, isto requer um VCE maior que 1V.A regio de corte um caso especial na curva IC x VCE. quando IB =0 (eqivale ao terminal dabase aberto). A corrente de coletor com terminal da base aberto designada por I CEO (corrente decoletor para emissor com base aberta). Esta corrente muito pequena, quase zero. Em geral se

    considera:O grfico da Figura 2-10, mostra a curva IC x VCE para um dado IB. Habitualmente o grficofornecido pelo fabricante leva em considerao diversos IBs. Um exemplo est na Figura 2-11.Notar no grfico que para um dado valor de VCE existem diversas possibilidades de valores para IC.Isto ocorre, porque necessrio ter o valor fixo de IB. Ento para cada IB h uma curvarelacionando IC e VCE.No grfico de exemplo, a tenso de ruptura est em torno de 80V e na regio ativa para um

    IB=40A tem-se que o CC=IC/IB = 8mA/40A=200. Mesmo para outros valores de IB, o CC semantm constante na regio ativa.Na realidade o CC no constante na regio ativa, ele varia com a temperatura ambiente emesmo com IC. A variao de CC pode ser da ordem de 3:1 ao longo da regio ativa do transistor.Na Figura 2-12 mostrado um exemplo de variao de CC.Os transistores operam na regio ativa quando so usados como amplificadores. Sendo acorrente de coletor (sada) proporcional a corrente de base (entrada), designa-se os circuitos comtransistores na regio ativa de circuitos lineares. As regies de corte e saturao, por simularem

    uma chave controlada pela corrente de base, so amplamente usados em circuitos digitais.

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    O MODELO DE EBERS-MOLLNa anlise ou projeto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em trabalhar com o

    transistor a nvel de malhas. Uma opo a de se criar um circuito equivalente para o transistor usando componentes mais simples como fonte ou resistor.O modelo de Ebers-Moll um circuito equivalente do transistor levando em considerao que eleesteja trabalhando na regio ativa, ou seja: o diodo emissor deve estar polarizado diretamente; odiodo coletor deve estar polarizado reversamente e a tenso do diodo coletor deve ser menor doque a tenso de ruptura. Veja Figura 2-13.O modelo faz algumas simplificaes:

    3. despreza a diferena de potencial produzida pela corrente de base ao atravessar a resistnciade espalhamento da base .

    3 POLARIZAO DE TRANSISTORESUm circuito transistorizado pode ter uma infinidade de funes e os transistores para cada funo

    tem um ponto de funcionamento correto. Este captulo estuda como estabelecer o ponto deoperao ou quiescente de um transistor. Isto , como polariza-lo.

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    3.1 RETA DE CARGAA Figura 3-1 mostra um circuito com polarizao de base. O problema consiste em saber osvalores de correntes e tenses nos diversos componentes. Uma opo o uso da reta de carga.

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    Aps traar a reta de carga na curva do transistor chega-se aos valores de I C =6mA e VCE=5,5V.Este o ponto de operao do circuito (ponto Q- ponto quiescente).O ponto Q varia conforme o valor de IB. um aumento no IB aproxima o transistor para a regio desaturao, e uma diminuio de IB leva o transistor regio de corte. Ver Figura 3-3O ponto onde a reta de carga intercepta a curva I B =0 conhecido como corte. Nesse ponto acorrente de base zero e corrente do coletor muito pequena (I CEO ).A interseo da reta de carga e a curva I B= IB(SAT) chamada saturao. Nesse ponto a correntede coletor mxima.

    3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE

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    A forma mais simples de se usar um transistor como uma chave, significando uma operao nasaturao ou no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta de carga.Quando o transistor est saturado, como se houvesse uma chave fechada do coletor para oemissor. Quando o transistor est cortado, como uma chave aberta.

    CORRENTE DE BASEA corrente de base controla a posio da chave. Se IB for zero, a corrente de coletor prxima dezero e o transistor est em corte. Se I B for IB(SAT) ou maior, a corrente de coletor mxima e otransistor satura.Saturao fraca significa que o transistor est levemente saturado, isto , a corrente de base apenas suficiente para operar o transistor na extremidade superior da reta de carga. No aconselhvel a produo em massa de saturao fraca devido variao de CC e em IB(SAT).Saturao forte significa dispor de corrente da base suficiente para saturar o transistor para todasas variaes de valores de CC. No pior caso de temperatura e corrente, a maioria dostransistores de silcio de pequeno sinal tem um CC maior do que 10.Portanto, uma boa orientao de projeto para a saturao forte de considerar um CC(SAT)=10,ou seja, dispor de uma corrente de base que seja de aproximadamente um dcimo do valor saturado da corrente de coletor.Exemplo 3-2 A Figura 3-4 mostra um circuito de chaveamento com transistor acionado por uma

    tenso em degrau. Qual a tenso de sada?SOL.: Quando a tenso de entrada for zero, o transistor est em corte. Neste caso, ele secomporta como uma chave aberta. Sem corrente pelo resistor de coletor, a tenso de sadaiguala-se a +5V.

    Quando a tenso de entrada for de +5V, a corrente de base ser:

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    Supondo o transistor com um curto entre coletor e o emissor (totalmente saturado). A tenso desada vai a zero e a corrente de saturao ser:

    Isto aproximadamente 10 vezes o valor da corrente de base, ou seja, certamente h umasaturao forte no circuito.No circuito analisado, uma tenso de entrada de 0V produz uma sada de 5V e uma tenso deentrada de 5V, uma sada de 0V. Em circuitos digitais este circuito chamado de porta inversora etem a representao abaixo:

    Exemplo 3-3 Recalcule os resistores RB e RC no circuito da Figura 3-4 para um IC=10mA. SOL.:Clculo de IB Se IC =10mA ! IB (sat) = IC /CC(SAT) = 10m /10 = 1,0mAClculo de RC ao considerar o transistor saturado, o VCE de saturao prximo de zero.

    RC = VCC / IC = 5 /10mA = 500Clculo de RB

    RB = VE - VBE / IB = 5 - 0.7 / 1mA = 4k3

    3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTEA Figura 3-5 mostra um transistor como fonte de corrente. Ele tem um resistor de emissor REentre o emissor e o ponto comum. A corrente de emissor circula por esse resistor produzindo umaqueda de tenso de I E RE.

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    Como VBE, VS, e RE so aproximadamente constantes, a corrente no emissor constante.Independe de CC, RC ou da corrente de base.

    3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADORCIRCUITOS DE POLARIZAO EM EMISSOR COMUMFontes de alimentao e resistorespolarizam um transistor, isto , elesestabelecem valores especficos de tensese correntes nos seus terminais,determinando, portanto, um ponto deoperao no modo ativo (o ponto deoperao).A Figura 3-6 mostra o circuito depolarizao por base j estudadoanteriormente, a principal desvantagemdele a sua susceptibilidade variao doCC. Em circuitos digitais, com o uso deCC(SAT), isto no problema. Mas emcircuitos que trabalham na regio ativa, oponto de operao varia sensivelmente com

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    3.5 EXERCCIOSEx. 3-1) No circuito da figura abaixo, encontre as tenses VE e VCE de cada estgio.

    Ex. 3-2) Projete um circuito de polarizao por divisor de tenso com as seguintes especificaes:VCC = 20V, IC = 5mA, 80< CC < 400.

    Considere VE = 0,1 VCC e VCE = VCC /2Ex. 3-3) O transistor da figura abaixo tem um CC =80. Qual a tenso entre o coletor e o terra?

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    Desenhe a linha de carga. Para CC = 125, calcule a tenso na base, a tenso no emissor e a tenso de coletor.

    Ex. 3-4) Qual a tenso do emissor e do coletor (os dois em relao ao terra) para cada estgio docircuito abaixo, sendo VCC = 10V.

    Ex. 3-5) No exerccio anterior, suponha VCC = 20V e calcule de cada estgio: VB, VE, VC e IC .

    Ex. 3-6) Ainda em relao ao exerccio 4. Considere VCC =20V.Indique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se: 1k8 aberto coletor emissor do Q1 em curto 240 aberto 240 em curto 300 em curto 1k aberto

    910 abertoIndique o que ocorre com a tenso do coletor Q1 (aumenta, diminui, no altera) se:

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    1k aberto 1k em curto180 aberto 180 em curto620 aberto 620 em curtocoletor emissor de Q3 em curto coletor emissor de Q3 aberto150 aberto 150 em curto

    4 AMPLIFICADORES DE SINAL4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUMNo captulo anterior foi estudado a polarizao dos transistores. Neste captulo considera-se ostransistores devidamente polarizados com seus pontos de operao prximos a meio da reta decarga para uma mxima excurso do sinal de entrada sem distoro.Ao injetar um pequeno sinal ca base do transistor, ele se somara a tenses cc de polarizao einduzir flutuaes na corrente de coletor de mesma forma e frequncia.Ele ser chamado de amplificador linear (ou de alta-fidelidade - Hi-Fi) se nomudar a forma do sinal na sada. Desdeque a amplitude do sinal de entrada sejapequena, o transistor usar somente umapequena parte da reta de carga e a

    operao ser linear. Por outro lado se osinal de entrada for muito grande, asflutuaes ao longo da reta de cargalevaro o transistor saturao e aocorteUm circuito amplificador mostrado naFigura 4-2. A polarizao por divisor detenso. A entrada do sinal acoplada

    base do transistor via o capacitor C1 e asada do sinal acoplada carga R L atravs do capacitor C2. O capacitor funciona como umachave aberta para corrente cc e como chave fechada para a corrente alternada. Esta ao permiteobter um sinal ca de uma estgio para outro sem perturbar a polarizao cc de cada estgio.

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    CAPACITOR DE ACOPLAMENTOO capacitor de acoplamento faz a passagem deum sinal ca de um ponto a outro, sem perdasignificativa do sinal. Por exemplo na Figura 4-3 atenso ca no ponto A transmitida ao ponto B.Para no haver atenuao aprecivel do sinal, acapacitncia reativa XC, comparada com aresistncia em srie (RTH e RL ), precisa ser bemmenor.Quanto menor a reatncia capacitiva, melhor sero acoplamento, naturalmente no possvel umareatncia nula. Se a reatncia for no mximo 10%

    da resistncia total tem-se um acoplamentoestabilizado. A frmula da reatncia capacitiva :

    Na Eq. 4-1, h duas incgnitas, a frequncia e a capacitncia. Num amplificador existe um faixade frequncias de operao, a escolha deve recair para o pior caso, ou seja, a menor frequnciado sinal.

    A resistncia total (R) a soma de RL e RTH. Para um acoplamento estabilizado . entoa capacitncia ser:

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    Exemplo 4-1 Suponha o projeto de um estgio com transistor na faixa de udio, 20 Hz a 20kHz. Osinal de entrada entra no estgio via capacitor de acoplamento. Qual o valor mnimo para ocapacitor se ele perceber uma resistncia total de 10 k?

    A escolha da frequncia recai sobre a de menor valor f=20Hz.

    CAPACITOR DE DESVIOUm capacitor de desvio semelhante a umcapacitor de acoplamento, exceto que ele acopla umponto qualquer a um ponto aterrado, como mostra aFigura 4-4. O capacitor funciona idealmente comoum curto para um sinal ca. O ponto A est em curtocom o terra no que se refere ao sinal ca. O ponto Adesignado de terra ca. Um capacitor de desvio no

    perturba a tenso cc no ponto A porque ele ficaaberto para corrente cc.O capacitor C3 da Figura 4-2 um exemplo decapacitor de desvio. A sua funo no circuito a deaterrar o emissor para sinais ca e no interferir na polarizao cc.A menos que se diga o contrrio, todos os capacitores de acoplamento e desvio so consideradosestabilizados e segue a regra X C

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    O circuito da Figura 4-2 tem duas fontes de alimentao (VCC e VS). Cria-se o circuito devido afonte cc denominado equivalente cc. E depois o circuito devido a fonte ca denominadoequivalente ca.

    EQUIVALENTE CCAnlise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. Somente correntes ccatuam neste caso e, portanto, os capacitores so desprezados. Sequncia: Reduzir a fonte ca a zero (considerar a fonte VS em curto). Abrir todos os capacitores.A Figura 4-5 mostra o circuito equivalente cc.

    EQUIVALENTE CAAnlise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte VCC. Somente correntes caatuam neste caso e, portanto, os capacitores so considerados em curto.Sequncia: Reduzir a fonte cc a zero (considerar a fonte VCC em curto). Todos os capacitores em curto.A Figura 4-6 mostra o circuito equivalente ca.

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    A corrente total em qualquer ramo a soma das correntes cc e ca. Igualmente a tenso total emqualquer ponto soma das tenses cc e ca.NOTAOA partir daqui, conveniente distinguir os sinais contnuos dos alternados. Para isto as variveiscom suas letras e ndices passam a ter a seguinte conveno:

    RESISTNCIA CA DO DIODO EMISSORAo polarizar corretamente o transistor, o modelo Ebers-Moll uma alternativa boa e simples derepresentao do transistor. At agora, o VBE foi aproximado para 0,7V. O modelo continua vlidopara pequenos sinais alternados, com uma alterao no diodo emissor.A Figura 4-8 mostra a curva do diodo relacionando IE e VBE. Na ausncia de um sinal ca otransistor funciona no ponto Q, geralmente localizado no meio da linha de carga cc.Quando um sinal ca aciona o transistor, entretanto, a corrente e a tenso do emissor variam. Se osinal for pequeno, o ponto de funcionamento oscilar senoidalmente de Q a pico positivo decorrente em A e, a seguir, para um pico negativo em B, e de volta para Q, onde o ciclo se repete.

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    Um sinal considerado pequeno quando a oscilao de pico a pico na corrente do emissor (i e) for menor do que 10% do valor da corrente quiescente do emissor (IE ).Se o sinal for pequeno, os picos A e B sero prximos de Q, e o funcionamento aproximadamente linear. O arco A e B quase uma linha reta. Logo, o diodo emissor parapequenos sinais ca se apresenta como uma resistncia, chamada de resistncia ca do emissor epela lei de Ohm:

    onde:re = resistncia ca do emissor VBE pequena variao na tenso de base-emissor IE variao correspondente na corrente do emissor A Figura 4-9 mostra o modelo ca Ebers-Moll. Neste modelo, o diodo base-emissor substitudopela resistncia ca do emissor.

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    Uma outra maneira de se conseguir o valore de re atravs da seguinte frmula:

    CA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADAA Figura 4-10 mostra a curva IC x IB. CC a razo entre a corrente de coletor e a corrente de base.Como o grfico no linear, CC depende do valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamadode ca ou simplesmente ) a relao entre a variao da corrente de coletor e a variao dacorrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q.

    Graficamente a inclinao da curva no ponto Q. Ele pode assumir diversos valoresdependendo da posio Q.

    4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADOA Figura 4-11mostra um circuito com um capacitor de desvio ligado ao emissor. O capacitor aterrao emissor em termos de ca. A fonte vs injeta uma pequena onda senoidal base do transistor

    atravs do capacitor de acoplamento. Esta onda faz variar a tenso de v be e pela curva da Figura4-8 induz uma variao no ie. Como a corrente de coletor praticamente igual a corrente deemissor, h uma queda de tenso proporcional no R C.Sendo mais preciso, um pequeno aumento na tenso v s, aumenta a tenso de base-emissor, quepor sua vez aumenta a corrente i e, como ic igual a ic, h uma queda de tenso nos terminais doRC o que culmina com uma queda de tenso de v ce. Em suma uma variao positiva de vs produzuma variao negativa em vce, isto significa que os sinais de entrada e sada esto defasados de180. Veja a Figura 4-12.

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    GANHO D E TENSOO ganho de tenso :

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    A Figura 4-13 mostra o circuito equivalente ca para amplificador da Figura 4-11, o resistor docoletor RC e R1 tem um dos lados aterrado, porque a fonte de tenso VCC aparece como um curtoem ca. Por causa do circuito paralelo na entrada, a tenso v s aparece diretamente sobre diodoemissor. Na Figura 4-14 o mesmo circuito ao considerar o modelo Ebers-Moll.A tenso de entrada aparece com uma polaridade mais - menos para indicar o semiciclo positivo.

    A lei de Ohm aplicada em re:

    na Figura 4-14, a malha do lado direito tem dois resistores em paralelo RC e RL. O resistor equivalente :

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    na malha do lado direito a tenso de sada a tenso sobre o resistor equivalente r C.

    ento o ganho

    como a corrente do coletor aproximadamente igual a corrente do emissor

    4.3 REALIMENTAOQuando uma parte do sinal de sada de um circuito aplicado de volta entrada do mesmo,

    dizemos que houve uma realimentao no circuito. Quando o sinal aplicado novamente entradado circuito possui a mesma fase que o sinal existente na entrada, este processo designadocomo realimentao positiva. Por outro lado, se o sinal reaplicado na entrada tiver fase oposta aosinal j existente na entrada, o nome dado realimentao negativa.A realimentao negativa mais aplicada nos amplificadores e, a realimentao positiva, namaioria dos circuitos osciladores.A realimentao negativa em amplificadores tem como desvantagem a diminuio do ganho, dadoque ela subtrai parcialmente a tenso de entrada. A sua grande vantagem estabilizao do

    circuito. O prximo item analisa um circuito com realimentao negativa, observando a questo doganho e da estabilidade.

    4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAO PARCIALNo amplificador de emissor comum a tenso de sada inversamente proporcional a re.E o valor de re depende do ponto de operao. Isto um problema para a tenso de sada, pois,ela se torna susceptvel as variaes de temperatura e troca de transistor.Naturalmente nos amplificadores com controle de volume (tenso de entrada), o problema contornvel.Mas nem todos o amplificadores tem este controle. Uma opo para estabilizar o ganho de tenso deixar uma certa resistncia de emissor sem ser desviada. Esse resistor no desviado recebe onome de resistor de realimentao porque ele produz uma realimentao negativa. Veja Figura 4-15.

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    A corrente ca do emissor deve circular atravs do resistor RE1 antes de passar pelo capacitor de desvio e pelo ponto

    de aterramento. Sem o resistor de realimentao o diodoemissor recebe toda a tenso ca de entrada (comomostrado na Eq. 4-8). No entanto com a incluso do RE1, atenso ca aparece no diodo e no R E1. Ou seja:

    Quando a tenso de entrada aumenta, a tenso no emissor aumenta. Isso implica que a tenso de realimentao estem fase com a tenso ca de entrada. Como resultado, atenso ca no diodoemissor menor que antes. A realimentao negativa porque a tenso de realimentao diminuia tenso ca no diodo emissor e portanto a corrente i e.

    Na Figura 4-16 est o equivalente ca do amplificador com realimentao parcial.a equao da corrente de emissor :

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    Em geral o valor de RE1 bem maior que o de re e o ganho de tenso passa a no ser influenciado pelas variaes de re. Em contrapartida, quanto maior o RE1 menor ser o ganho de tenso. Em suma, existe umcompromisso entre a estabilidade do ganho de tenso e o valor do ganho.

    IMPEDNCIA DE ENTRADANo circuito da Figura 4-15 a tenso de entrada aplicada diretamente na base do transistor. Noentanto, na maioria das aplicaes a fonte v s tem uma resistncia em srie como mostrado naFigura 4-17.

    Para uma anlise mais detalhada do comportamentoca, deve-se primeiro criar o equivalente ca comomostrado na Figura 4-18.No circuito equivalente, pode-se ver um divisor detenso do lado da entrada do transistor. Issosignifica que a tenso ca na base ser menor que a

    tenso vs.O divisor de tenso formado pelo resistor RS e osresistores R 1 //R2. Mas como na base do transistor

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    entra uma corrente ib, ela deve ser considerada. A resistncia ca vista da base conhecida comoimpedncia de entrada da base. Abaixo de 100kHz basta considerar os elementos puramenteresistivos.A impedncia de entrada da base a razo entre a tenso aplicada na base (vb) e a corrente i b.

    Para descobrir a impedncia da base melhor aplicar o modelo de Ebers-Moll no circuito daFigura 4-18.

    atravs do circuito possvel saber o valor vb em funo de re.

    e a partir da Eq. 4-13:

    ESTGIOS EM CASCATA

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    Para obter um maior ganho de tenso na sada de um amplificador, usual conectar dois ou maisestgios em srie, como mostra a Figura 4-20. Este circuito chamado de estgios em cascata,porque conecta a sada do primeiro transistor base do seguinte.Abaixo uma sequncia de valores a serem calculados para anlise de um amplificador de doisestgios:1. a impedncia de entrada do 2 estgio.2. A resistncia ca do coletor do 1 estgio.3. O ganho de tenso do 1 estgio.4. A tenso de entrada do 1 estgio5. O ganho de tenso de 2 estgio.6. O ganho de tenso total.

    A polarizao cc analisada individualmente, os

    capacitores de acoplamento isolam os dois estgios entresi e tambm da entrada v s e sada R L (o resistor de cargapode, por exemplo, estar representando um terceiroestgio).Os dois estgios so idnticos para polarizao cc.VB= 1,8V VE= 1,1V IE= 1,1mA VC= 6,04V com o valor de IE,tem-se re :re = 25mV/ IE= 22,7

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    ANLISE DO PRIMEIRO ESTGIOO equivalente ca mostrado na Figura 4-21:O segundo estgio age como uma resistncia de carga sobre o primeiro. O valor desta carga aimpedncia de entrada do segundo estgio z entb. Supondo = 100:

    na Figura 4-21, RC est em paralelo com zentb:r c=RC//zentb=3,6k//1k=783 o ganho de sada do primeiro estgio

    ANLISE DO SEGUNDO ESTGIOO equivalente ca para o segundo estgio mostrado na Figura 4-22:

    Por causa do capacitor de acoplamento entre os dois estgios, a tenso ca na base do segundo igual a -21,6mVpp. O segundo estgio tem um ganho de tenso de A V=-2,65k/22,7=-117 por fim, atenso de sada vsada=-117*-21,6=2,53Vpp.

    GANHO DE TENSO TOTALO ganho de tenso total a razo entre a tenso de sada do segundo estgio pela tenso de

    entrada:AVT = vsada 2 est./ventrada 1 est.=2,53/0,625m=4048, ou seja, o ganho de tenso total

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    AVT= AV1AV2 Eq. 4- 184.5 AMPLIFICADOR BASE COMUMA Figura 4-23 mostra um amplificador em base comum (BC), a base ligada ao referencialcomum (terra). O ponto Q dado pela polarizao do emissor. Portanto a corrente cc do emissor dada por

    O ganho de tenso o mesmo que do amplificador emissor comum sem realimentao parcial,apenas a fase diferente.Idealmente a fonte de corrente tem uma impedncia infinita, e ento, a impedncia de sada deum amplificador BC

    Uma das razes para o no uso do amplificador BC quanto o EC sua baixa impedncia deentrada. A fonte ca que aciona o amplificador BC v como impedncia de entrada

    que pode ter um valor bem baixo, em funo de IE.

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    A impedncia de entrada de um amplificador BC to baixa que ela sobrecarrega quase todas asfontes de sinais. Por isso, um amplificador BC discreto no muito utilizado em baixasfrequncias. Seu uso vivel principalmente para frequncias acima de 10MHz, onde as fontesde baixa impedncia so comuns.Exemplo 4-2 Qual a tenso de sada ca da Figura 4-24. R E=20k e RC=10k.

    SOL.: A corrente cc no emissor

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    4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUMAo se conectar uma resistncia de carga em um amplificador EC, o ganho de tenso diminu.Quanto menor a resistncia de carga, maior a queda do ganho. Esse problema chamado desobrecarga. Uma forma de evitar a sobrecarga usar um amplificador cc (coletor comum),tambm conhecido como seguidor de emissor. O seguidor de emissor colocado entre a sada doamplificador EC e a resistncia de carga.A Figura 4-25 mostra um seguidor de emissor. Como o coletor est no terra para ca, ele umamplificador coletor comum (CC). O gerador de sinal est acoplado base do transistor por meiode um capacitor de acoplamento.primeiramente a anlise cc para descobrir o valor da corrente de coletor a malha externa Vcc =Vce + IERE

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    isolando a corrente de emissor

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    IMPEDNCIA DE ENTRADA

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    TRANSISTOR DARLINGTON

    Um caso especial de amplificador coletor comum a conexo Darlington. Ela consiste na ligao

    em cascata de dois seguidores de emissor, como mostra a Figura 4-27. A corrente da base dosegundo transistor vem do emissor do primeiro transistor. Portanto, o ganho de corrente entre aprimeira base e o segundo emissor = 1 2 Eq. 4- 32A principal vantagem da conexo Darlington a alta impedncia de entrada olhando para a basedo primeiro transistor. E zent(base)= RE Eq. 4- 33Os fabricantes podem colocar dois transistores montados em coletor comum em um mesmoencapsulamento. Esse dispositivo de trs terminais como mostrado no lado direito da Figura 4-27 conhe