Módulo 8 - Transistores de Efeito de campo-1

Ano letivo 2012|2013

DISCIPLINAELETRICIDADE E ELETRÓNICA Módulo 8 | Transístores de Efeito de Campo

TÉCNICO DE PROFISSIONAL DE ELETRÓNICA, AUTOMAÇÃO E COMPUTADORES| P1AC1

ESCOLA SECUNDÁRIA DE

FONTES PEREIRA DE MELO

PROFESSORA ANA CRISTINA ALMEIDA


ELETRICIDADE E ELETRÓNICA | MÓDULO 8

Módulo 8 | Transístores de Efeito de campo

• Transístor de efeito de campo: JFET.• Transístor de efeito de campo: MOSFET.• TIRISTORES.

CONTEÚDOS



Módulo 8 | Transístores de Efeito de campo

• Compreender a estrutura e o funcionamento do JFET. • Conhecer tipos de polarização de um JFET. • Dimensionar amplificadores com JFET.

• Conhecer tipos de polarização de um MOSFET. • Dimensionar amplificadores com MOSFET.

• Caracterizar a estrutura e o princípio de funcionamento do TIRISTOR.

• Identificar as variantes dos TIRISTORES.

• Implementar circuitos com JFET, MOSFET e TIRISTORES.

OBJETIVOS


Transístores de Efeito de CampoINTRODUÇÃO


A invenção do transístor foi um marco para engenharia eletrónica e elétrica, assim como para toda a humanidade.Com o desenvolvimento dos transístor foi possível a construção de equipamentos verdadeiramente portáteis, funcionando apenas com pilhas e baterias.

O reduzido volume deste componentes,

A possibilidade de associação para implementar funções

analógicas ou digitais;

A grande maioria dos circuitos eletrónicos emprega um ou

milhares deste componentes,

proporcionou um desenvolvimento sem igual na industria de

equipamentos electroelectrónicos.


Transístores com Efeito de CampoINTRODUÇÃO


Existem dois tipos de transístores: Transístores bipolares – baseiam-se em dois tipos de cargas [lacunas e eletrões] e são amplamente utilizados em circuitos lineares; Transístores unipolares – baseiam-se num tipo de carga [lacunas ou eletrões].

TRANSÍSTORES BIPOLARES

TRANSÍSTORES UNIPOLARES


Transístores de Efeito de CampoINTRODUÇÃO


O que são transístores de Efeito de campo??São transístores cujo parâmetro de controlo é um campo elétrico [tensão] aplicado na porta [Gate] do transístor .

Transístor de Efeito de Campo - TEC

PORTUGUÊS

Field Effect Transistor - FET INGLÊS

Este tipo de transístor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar.

Há dois tipos básicos:

Transístor de efeito de campo de Junção [JFET – Junction Field Effect

Transistor];

Transístor de efeito de campo de Óxido Metálico [MOSFET]


Transístores de Efeito de CampoJFET VS BJT


O transístor BJT é constituído por três zonas, às quais foram dados os nomes de:

Emissor, Base e Coletor.

TRANSÍSTOR BJT O transístor JFET é constituído

por três terminais, aos quais foram dados os nomes de:

Fonte [Source - S], Porta [Gate - G] e Dreno [Drain - D].

TRANSÍSTOR JFET

Base

Coletor

Emissor

Porta

Dreno

Fonte




O BJT é bipolares, isto é, tem os dois tipos de cargas elétricas em simultâneo: [eletrões e lacunas].Existem dois tipos de BJT:

Transístor NPN Transístor PNP

TRANSÍSTOR BJT O JFET é unipolar, isto é, tem

apenas um tipo de carga elétrica [Só eletrões, ou só lacunas].Existem dois tipos de JFET:

JFET de canal N [eletrões] JFET de canal P [lacunas]

TRANSÍSTOR JFET




Assim, o JFET tem as seguintes particularidades:1. O controlo da Porta é feito por tensão [e não por corrente, como

acontece com o BJT]2. A sua impedância de entrada é muito mais elevada do que a do

BJT, portanto, com menor consumo. O JFET tem valores de impedância de entrada superiores, entre 108 e 1011 ohms, enquanto o BJT não ultrapassa 105Ohms.

3. É menos sensível à variação de temperatura.4. Permite uma maior miniaturização, como Mosfet, o que é

bastante importante no fabrico de circuito impresso.5. O ganho, como amplificador, é, no entanto, bastante inferior ao

do BJT.Em conclusão: Cada um dos transístores - JFET e BJT- tem o seu campo de aplicação próprio, sendo escolhido cada um deles em função das aplicações especificas.

SEMELHANÇAS & DIFERENÇAS IMPORTANTES


Transístores de Efeito de CampoTRANSÍSTOR JFET


A gate [porta] é formada pela ligação das duas zonas tipo P, colocadas de ambos os lados da barra semicondutor e ligadas eletricamente entre si.A região entre elas forma o CANAL, por onde circularão os portadores maioritários, depois de se aplicar uma tensão entre o dreno e fonte, UDS.

CONSTITUIÇÃOUm JFET de canal N é basicamente constituído por uma barra de semicondutor do tipo N com contactos nas extremidades [Dreno e Fonte].

Um dispositivo de canal p obtém trocando os tipos de semicondutores: barra de silício tipo P e zonas para a porta tipo N.




Dá-se o nome de Canal ao trajeto entre o Dreno D e a Fonte S, passando entre as portas G.

CONSTITUIÇÃO

O JFET-N ou JFET de canal N é, por isso, constituído por duas junções: NP [Dreno-Porta] e PN [Porta-Fonte].

O funcionamento dos dois JFETs [N e P] é semelhante, com a diferença de as polaridades das alimentações das duas junções serem contrárias e, por isso, os sentidos do movimento das cargas elétricas serem também contrários.




No transístor bipolar BJT liga-se uma fonte de alimentação entre o Coletor e o Emissor, polarizando inversamente a junção Coletor-Base.

No transístor unipolar JFET liga-se uma fonte de alimentação entre o Dreno e a Fonte polarizando também inversamente a junção Dreno-Porta.

FUNCIONAMENTOO funcionamento do JFET tem muitas semelhanças com o do transístor bipolar .




No transístor BJT, aplica-se uma tensão entre a base e o Emissor, polarizando diretamente a junção Base-Emissor.

No transístor JFET, aplica-se uma tensão entre a Porta e a Fonte polarizando inversamente a junção Porta-Fonte, contrariamente ao BJT.


Esta é a principal diferença no funcionamento dos dois transístores :no transístor JFET a junção Porta-Fonte é polarizada inversamente.




Comparando os dois transístores, pode-se dizer que o Coletor C está para o Dreno D, assim como o Emissor E para a Fonte S, assim como a Base B está para a Porta G.


Transístor BJT Equivalente

Transístor JFET

Coletor C Dreno D

Emissor E Fonte S

Base B Porta G




Se fecharmos o interruptor K1, com K2 aberto, estabelece-se um circuito elétrico fechado [malha 1- Sentido convencional da corrente] pelo interior do JFET, desde o Dreno D até à Fonte S, pelo canal N.

A intensidade de corrente ID [corrente de Dreno] que é praticamente igual à corrente de Fonte IS, é limitada pela resistência RD e pela resistência interna do JFET RDS.

FUNCIONAMENTO

DSD

DDSD RR

UII

Quando K2 está

aberto!




Se, agora, fecharmos também K2, a junção Gate-Source GS fica polarizada inversamente, pelo que vai circular uma pequena corrente IG [sentido convencional da

corrente] pela malha 2.

FUNCIONAMENTO

Conforme vimos anteriormente, quando polarizada inversamente, verificava-se que a zona de depleção ou zona de cargas eletrostáticas aumentava, pelo que, no caso do JFET, o canal N, entre as duas zonas P, vai diminuir. O estreitamento do canal N vai dificultar a passagem de cargas elétricas entre Dreno e Fonte, pelo que a corrente ID vai diminuir.




Se aumentarmos, negativamente, o valor de UGS, o canal N estreita ainda mais e a corrente ID diminui ainda mais.

Vai haver, por isso, um valor de UGG que corta completamente a passagem da corrente ID entre Dreno e Fonte. A essa tensão dá-se o nome de tensão UGScorte.

FUNCIONAMENTO

Conclui-se, portanto, que a corrente ID é controlada pela tensão aplicada à porta G do JFET. A corrente IG tem um valor muito baixo [da ordem dos microamperes], pois a junção GS está polarizada inversamente. Disse, por isso, que a impedância de entrada Zi, do JFEF é muito elevada [da ordem dos megaohms].




Analogia entre um JFET e uma torneira.

A torneira é a Porta do JFET, permitindo que o fluxo passe de cima para baixo, com maior ou menor caudal.

FUNCIONAMENTO

As duas das principais diferenças entre o JFET e o BJT são:

1. O BJT é controlado pela corrente de Base IB, enquanto o JFET é

controlado pela tensão UG aplicada à Porta.

2. No BJT a impedância de entrada Zi tem um valor médio bastante

inferior à do JFET. [O JFET tem Alta impedância de entrada]




SÍMBOLOS

Símbolo gráfico do JFET a) Canal N b) Canal P

Em muitos JFETs [funcionando em baixa frequência], podem trocar-se os terminais D e S, pois eles funcionam da mesma forma. No entanto, em alta frequência, isso já não é conveniente, visto que o seu comportamento será bastante diferente.





CURVAS CARACTERÍSTICAS

As curvas caraterísticas de Dreno relacionam a corrente de dreno ID com a tensão UDS aplicada entre o Dreno e a Fonte, para diferentes tensões UGS aplicadas entre a Porta e a Fonte.

A junção Porta-Fonte tem de ser polarizada inversamente para a porta possa controlar o funcionamento do JFET. Se polarizássemos diretamente a junção porta-Fonte, a corrente atingirá rapidamente valores elevados, queimando o JFET, tal como acontece se polarizarmos diretamente um Díodo e aumentarmos a tensão.





As curvas caraterísticas de Dreno relacionam a corrente de dreno ID com a tensão UDS aplicada entre o Dreno e a Fonte, para diferentes tensões UGS aplicadas entre a Porta e a Fonte.

Vimos já que quanto mais negativa for a tensão UGG aplicada, mais o canal estreita e, portanto, mais diminuía corrente lD, até se anular completamente. Isto quer dizer que quanto menos negativo for UGG, maior será ID.É isso que acontece quando se aplica, à Porta do JFET uma tensão nula, UGG=0V, ou seja, a intensidade atinge o valor máximo IDSS [corrente máximo de Dreno].

Claro que, se UGG > 0, então as correntes IG e ID serão mais elevadas, correndo-se mesmo o risco de o componente se queimar.




CURVAS CARACTERÍSTICASPara traçar as curvas caraterísticas de Dreno, utiliza-se dois

esquemas representados: Com UGS=0V, [curto circuitando a

porta G e a Fonte S], vamos variando a tensão UDD aplicada, variando assim igualmente a tensão UDS.Á medida que UDS aumenta, ID também aumenta proporcional e linearmente, até a um valor máximo IDSS [corrente máxima de dreno], atingindo-se a saturação do JFET.

Por mais que se aumente a UDS aplicada, a intensidade ID já não aumenta mais, porque o canal foi estreitando, em virtude de as camadas de depleção terem alargado, impedindo o aumento da corrente [as duas camadas praticamente tocam-se entre si]. Conclui-se, portanto, que o canal estreita de duas formas:

aumentando UGS (negativamente) ou aumentando UDS.




CURVAS CARACTERÍSTICASCurvas caraterísticas de Dreno, para

UGS=0VA tensão UDSmáx [tensão de disrupção] é o valor máximo de tensão entre Dreno e Fonte que se pode aplicar ao JFET, sem que ele queime.A partir desse valor, ID sobe verticalmente, queimando o transístor.

A intensidade ID atinge o valor máximo IDSS quando a tensão UDS atinge o valor UP [tensão de pinch-off ou tensão de estrangulamento]:

UDSmáx

PDSDSSD UUII Os valores IDSS e UP [para

UGS=0V] são obtidos no Datasheet do componente.





UGS=0V

Existem duas zonas de funcionamento:Na zona ativa [de saturação] - o JFET funciona como um gerador de corrente constante.Na zona linear, o JFET funciona como uma resistência linear [de valor constante, para cada UGS], cujo valor e obtido pela expressão:

Zona ativa

Zona linear

DSS

PoDS I

UR ,

RDS,0 – Resistência entre Dreno e Fonte, para UGS=0V





UGS=0V

Na zona linear [Região Óhmica], seja qual for o ponto de funcionamento Q, a resistência RDS, tem sempre o mesmo valor [obtido a partir das caraterísticas indicadas no datasheet do componente].Na zona de saturação, a resistência RDS aumenta bastante devido ao estreitamento do canal.

CURVAS CARATERÍSTICAS, PARA DIFERENTES TENSÕES UGS, APLICADAS A UM DADO JFET.




Por análise da figura, conclui-se:

Quanto mais negativa for a tensão UGS, menor será a corrente de Dreno ID. Para UGS=-4V, a corrente de Dreno ID é praticamente igual a zero. A esta tensão UGS [que corta a corrente de dreno do JFET] dá-se o nome de tensão de corte Porta-Fonte, UGScorte.

CURVAS CARATERÍSTICAS, PARA DIFERENTES TENSÕES UGS, APLICADAS A UM DADO JFET.

0, DcorteGSGS IUU

No gráfico:

UGS,corte=-4V e UP=4V, logo UGS,corte=-UP





Cálculo da Resistência RDS

Nota

Isto é, o JFET pode funcionar como uma resistência variável, como se fosse um reóstato, por variação de UGS, desde que funcione na zona linear, onde se verifica que UDS < UP.

DSS

PoDS I

UR ,

RDS,0 – Resistência entre Dreno e Fonte, para UGS=0V

2

0,

)1(P

GS

DSDS

UUR

R

Para tensões UGS≠0, a resistência linear RDS é obtida pela expressão:


ELETRICIDADE E ELETRÓNICA | MÓDULO 8 Ano letivo 2012|2013

EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO | 1Um JFET tem os seguintes valores característicos: IDSS=10 mA e UP=5V. Calcule o valor da resistência RDS na zona linear, quando se aplicam ao JFET as seguintes tensões na Gate:

a) UGS= 0Vb) UGS= -2Vc) UGS= -5V


Característica de Dreno

2

0,

)1(P

GS

DSDS

UUR

R

DSS

PoDS I

UR ,


Construa uma tabela de valores de RDS [para o JFET com os seguintes valores característicos: IDSS=10 mA e UP=5V], variando UGS de -0,5V em -0,5V.Verifique que o JFET pode ser utilizado como um potenciómetro.


2

0,

)1(P

GS

DSDS

UUR

R

DSS

PoDS I

UR ,

EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO | 2

Característica de Dreno

UGS RDS [Ω]

0V

-0,5V

-1

-1,5V

-2V

-2,5V

UGS RDS [Ω]

-3V

-3,5V

-4V

-4,5V

-5




CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]São curvas que relacionam uma grandeza de entrada com uma grandeza de saída.No caso de JFETAs curvas de Transcondutância relaciona a corrente ID com a tensão aplicada à porta do JFET [UGS]. Permite, com isso, compreender a forma como a porta (entrada) do JFET controla a saída [Dreno e Fonte] deste componente.

Verificam-se as duas situações limite:

Quando UGS=UGS,corte , tem-se ID=0

Quando UGS=0 , tem-se ID=IDSS




CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]São curvas que relacionam uma grandeza de entrada com uma grandeza de saída.Os pontos intermédios do gráfico [Q1, Q2, Q3,Q4 e Q5] são obtidos por uma expressão matemática [Equação de Shockley]:

em que ID varia inversamente com a tensão UGS aplicada.

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII [com UGS,corte=-UP]

Ao variar UGS, varia-se e controla-se a corrente de Dreno, ID.




CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]São curvas que relacionam uma grandeza de entrada com uma grandeza de saída.A partir da expressão matemática [Equação de Shockley], obtém-se a seguinte expressão, agora em ordem a UGS.

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U


)1.(,DSS

DcorteGSGS I

IUU [com UGS,corte=-UP]




CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]

Certos componentes têm tolerâncias [1%, 5%, 10%, etc.] nos seus valores, como é o caso das resistências, das indutâncias e das capacidades. Isto é, os valores indicados têm uma margem de erro de ±1%, ±5%, ±10 %, etc.

Outros componentes têm margens de segurança relativamente a alguns dos seus parâmetros, indicados nas folhas de caraterísticas «datasheet», como é o caso dos transístores unipolares e bipolares.

SABE-SE QUE NÃO HÁ DOIS COMPONENTES RIGOROSAMENTE IGUAIS.




Os valores de IDSS e de UP podem variar consideravelmente de uns para outros, dentro da mesma designação.Por isso, nas folhas de dados «datasheet» de cada componente são indicados, não um valor fixo, mas os valores máximo e mínimo respetivos.

No caso de JFET

CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]SABE-SE QUE NÃO HÁ DOIS COMPONENTES RIGOROSAMENTE IGUAIS.

Isto quer dizer que um dado JFET terá uma curva de transcondutância que se situará entre duas curvas-limite.




Por exemplo, o JFET BF245B tem os seguintes valores retirados do respetivo «datasheet»:

CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]SABE-SE QUE NÃO HÁ DOIS COMPONENTES RIGOROSAMENTE IGUAIS.

IDSS -UP

Valor máximo [absoluto] 15mA -3,8V

Valor mínimo [absoluto] 6mA -1,6V

Na prática, costuma utilizar-se o valor médio, como forma de facilitar o cálculo.

mAIDSSméd 5,102

)615(

VUPméd 6,2

2

)6,16,3(

Estes valores médios são frequentemente designados por valor típico ou typical.




CURVAS DE TRANSCONDUTÂNCIA [OU DE TRANSFERÊNCIA]São curvas que relacionam uma grandeza de entrada com uma grandeza de saída.A expressão matemática [Equação de Shockley] permite obter os valores de ID e de UGS.

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U


)1.(,DSS

DcorteGSGS I

IUU [com UGS,corte=-UP]


a) Analise a figura e identifique os valores de IDSS e UP.



Equação de Shockley

Quando UGS=0V IDSS=8 mA

Quando ID≈0A UGS=-4V => UP=4V.


Utilizando a equação de Shockley, calcule os valores de ID

correspondentes aos pontos indicados na curva. Sabe-se que IDSS=8 mA e UP=4V.




Resolução:

Q1UGS=-4V [= UGS,corte]

ID=______A

Q2UGS=-3V

ID=______A

Q3UGS=-2V

ID=______A

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U


0

0,5m

2m


Utilizando a equação de Shockley, calcule os valores de ID correspondentes aos pontos indicados na curva. Sabe-se que IDSS=8 mA e UP=4V.




Resolução: [Continuação]

Q4UGS=-1V [= UGS,corte]

ID=______A

Q5UGS=0V

ID=______A

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U


4,5m

8m


Utilizando a equação de Shockley em ordem a UGS, calcule os valores de UGS correspondentes as seguintes corrente de Dreno. Sabe-se que IDSS=8 mA e UP=4V.




a) ID=1mA

UGS=______V

b) ID=3mA

UGS=______V

c) ID=5mA

UGS=______V

d) ID=7mA

UGS=______V

-2,6

-1,55

-0,84

-0,26

)1.(,DSS

DcorteGSGS I

IUU

[com UGS,corte=-UP]




POLARIZAÇÃO DOS JFETS

Tal como o transístor bipolar, também o transístor unipolar tem de ser polarizado, isto é, deve ser definido o seu ponto de funcionamento, por aplicação da alimentação adequada aos seus terminais.À semelhança dos Transístores Bipolares, também aqui existem diversos métodos de polarização do JFET, nomeadamente:

Polarização fixa;

Autopolarização;

Polarização por divisor de tensão;

[Polarização por fonte de corrente].

Vejamos então cada um dos métodos!


A determinação do ponto de funcionamento Q (ID,UDS,UGS) do circuito pode ser feita utilizando dois métodos:

o método analítico e

o método gráfico.



POLARIZAÇÃO DOS JFETSEste método consiste em aplicar uma tensão fixa entre a Porta e a Fonte.

Vejamos então ambos os métodos!

1 | POLARIZAÇÃO FIXA


O circuito representado tem duas malhas:Malha 1 - Porta-Fonte - e a malha 2 - Dreno-Fonte.




Método Analítico


Malha 1 visto que a impedância de entrada do JFET é muito elevada [junção PN polarizada inversamente], então a corrente na Porta, IG, é desprezável [IG = 0], logo também a queda de tensão Rc.Ic é desprezável.

Assim, aplicando a lei das malhas à malha 1, obtém-se:

UGS= -UGG

Esta equação permite-nos obter o valor da tensão UGS, que fica aplicada entre a Porta e a Fonte.






Método Analítico


Assim, aplicando a lei das malhas à malha 2, obtém-se:

Esta equação permite-nos obter o valor da tensão UDS,[entre a Dreno e a Fonte] para cada valor de ID.

UDD=RD.ID + UDS UDS = UDD-RD.ID





Método Analítico


Os diferentes valores de ID, a utilizar são obtidos utilizando a equação de Shockley:

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U


Sendo que obtido a partir malha 1.

UGS= -UGGEm

resumo:

UGS= -UGG UDS = UDD-RD.ID

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII





Método Analítico


Em resumo:


2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII

Neste ponto do cálculo, é necessário ter presente que os datasheets dos componentes indicam, dois valores de IDSS e UP [um máximo e

um mínimo], para cada um deles, pelo que com rigor, deveriam efetuar-se dois cálculos, um para os valores máximos e outro para os mínimos. Na prática, utiliza-se o valor médio IDSmed ou o valor “typical” indicado no datasheet.





Método Analítico


Neste ponto do cálculo, é necessário ter presente que os datasheets dos componentes indicam, dois valores de IDSS e UP [um máximo e

um mínimo], para cada um deles, pelo que com rigor, deveriam efetuar-se dois cálculos, um para os valores máximos e outro para os mínimos.

Utiliza-se o valor médio IDSsméd e UPméd ou o valor “typical” indicado no datasheet.

Na prática:






Este método de polarização, com tensão UGS com fixa, não é muito utilizado em virtude de permitir uma grande disparidade de valores entre os dois limites possíveis da corrente de Dreno, correspondentes aos pontos Q1 e Q2.

Para a mesma tensão de polarização, pode-se ter correntes de Dreno muito diferentes, consoante o componente utilizado.

Isto é,





Método Gráfico


A resolução pelo método gráfico pressupõe que se tenha o gráfico da Curva de Transcondutância do componente, com os respetivos valores de ID e de UGS indicados.

apresenta-se um problema resolvido pelos dois métodos, analítico e gráfico.

De seguida,




POLARIZAÇÃO DOS JFETSExercício de aplicação | 1


Para o circuito de polarização indicado, calcule o ponto de funcionamento (UGS, ID e UDS), utilizando:

a) O método analítico,

b) O método gráfico.

Em resumo:


2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII







a) O método analítico:

UDS = UDD-RD.ID UDS= 15 – 2.103x5,6.10-3= 3,8 V

mAmU

UII

corteGS

GSDSSD 6,5)

8

21.(10)1.( 22

,

UGS= -UGG UGS= -2V

Passo 1- Calcular UGS pela malha 1 [desprezando IG]:

Passo 2- Calcular ID pela equação de Shockley [UGS da

malha 1]:

Passo 3- Calcular UDS pela malha 2[para o ID

calculado]:

Ponto de funcionamento Q:

UGS=-2VID=5,6mAUDS=3,8V







b) O método gráfico:


encontrado]:

Passo 1- Criar e identificar IDSS e UP na curva de transcondutância [Equação de Shockley].Passo 2- Marcar o ponto UGS [UGS da malha 1] e traçar uma reta vertical passando pelo ponto UGS e intersetando a curva no ponto de funcionamento Q do circuito.Passo 3- A ordenada deste ponto é obtido no eixo vertical, correspondente ao valor de ID.









UGS= -UGG UGS= -2V

ID= 5,6mA








Para o circuito de polarização indicado, com IDSS=8mA e UP=6V, calcule o ponto de funcionamento (UGS, ID e UDS), utilizando 0 método analítico:


mAmU

UII

corteGS

GSDSSD 56,3)

6

21.(8)1.( 22

,

UGS= -UGG UGS= -2V

Passo 1- Calcular UGS pela malha 1 [desprezando IG]:

Passo 2- Calcular ID pela equação de Shockley [UGS da

malha 1]:


calculado]:








Para o circuito de polarização indicado, com IDSS=8mA e UP=6V, calcule o ponto de funcionamento (UGS, ID e UDS), utilizando 0 método gráfico:


encontrado]:

Passo 2- Marcar o ponto UGS [UGS da malha 1] e traçar uma reta vertical passando pelo ponto UGS e intersetando a curva no ponto de funcionamento Q do circuito.Passo 3- A ordenada deste ponto é obtido no eixo vertical, correspondente ao valor de ID.

Passo 1- Criar e identificar IDSS e UP na curva de transcondutância [Equação de Shockley].













UDS = UDD-RD.ID

UDS= 15 – 2.103x3,5.10-3= 8 V


UGS=-2VID=3,5mAUDS=8V


A determinação do ponto de funcionamento Q (ID,UDS,UGS) do circuito, também, pode ser feita utilizando os dois métodos já conhecidos:


o método gráfico.



POLARIZAÇÃO DOS JFETSConsiste em estabelecer um ponto de funcionamento estável sem necessidade de alimentar a Porta com fonte de alimentação. Para isso, liga-se uma resistência RS entre a Fonte do JFET e a massa do circuito.


2 | AUTOPOLARIZAÇÃO







Método Analítico

Fechando o interruptor, e aplicando a lei das malhas à malha 1, obtém-se:

0=UGS+RSID UGS= -RSID

A tensão UGS aplicada [negativa] varia diretamente com RS e com ID. Isto quer dizer que, variando RS, provoca-se a variação de ID e, portanto, a variação da tensão inversa UGS, aplicada ao JFEF controlando assim o funcionamento do FET.

Neste caso, também, é desprezado a corrente IG [IG≈0].

Verifica-se a igualdade: ID=IS




Os diferentes valores de ID, a utilizar são obtidos utilizando a equação de Shockley:

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U



UGS= -RSID



Método Analítico

Substituído, obtém-se….

2

,

)1.(corteGS

DSDSSD U

IRII




Esta é uma equação do tipo: ax2+bx+c=0, em que x=ID e



Método Analítico

Desenvolvendo a equação, em ordem a ID, obtém-se uma equação de 2º grau:

0)2( 2

2

,22

,

, corteGS

corteGS

DSUI

I

UURIR D

DSScorteGSS

2SRa

DSS

corteGScorteGSS I

UURb

2,

,2 2,corteGSUc




Conhecidos os valores de RS, UP e IDSS, calcula-se o valor de ID.



Método Analítico

A equação resolve-se utilizando a fórmula resolvente, para equações do 2º grau:2

SRa

DSS

corteGScorteGSS I

UURb

2,

,2

2,corteGSUc

a

acbbx

2

42

Obtendo ID, calcula-se o valor de UGS= -RSID Aplicando a lei das malhas à malha 2, obtém-se:

UDD = RD.ID +UDS+RS.ID UDS = UDD-(RD+RS)ID


UGS ,ID ,UDS


Determinação do ponto de funcionamento Q no JFET





Método Analítico

Este método de polarização acaba por ser melhor do que o anterior, pois não há uma diferença tão acentuada entre os valores prováveis do ponto de funcionamento Q.

Autopolarização de um JFET com 3 RS diferentes




A resolução pelo método gráfico pressupõe o gráfico da Curva de Transcondutância do componente, com os respetivos valores de IDss e de UGS,corte indicados.

apresenta-se um problema resolvido pelos dois métodos, analítico e gráfico.

De seguida,



Método Gráfico

Utilizando agora o método gráfico:1º passo: Traça-se primeiro a curva de transcondutância, a partir da equação de Shockley. 2º passo: Traça-se a reta da resistência RS: Usa-se a expressão [malha 1] UGS=-RSID

dando valores a ID, obtendo o correspondente valor de UGS.




A resolução pelo método gráfico pressupõe o gráfico da Curva de Transcondutância do componente, com os respetivos valores de IDss e de UGS,corte indicados.



Método Gráfico

Utilizando agora o método gráfico:1º passo: Traça-se primeiro a curva de transcondutância, a partir da equação de Shockley. 2º passo: Traça-se a reta da resistência RS: Usa-se a expressão [malha 1] UGS=-RSID dando valores a ID, obtendo o correspondente valor de UGS.3º passo: Da interseção da reta com a Curva de transcondutância, obtém-se o ponto Q de funcionamento do JFET.









UGS=-2,6VID=2,59mAUDS=2,78V


0)2( 2

2

,22

,

, corteGS

corteGS

DSUI

I

UURIR D

DSScorteGSS





Para o circuito de polarização indicado [IDSS=12mA, UP=6V e RS=1,5KΩ], calcule o ponto de funcionamento (UGS, ID e UDS), utilizando:




0)2( 2

2

,22

,

, corteGS

corteGS

DSUI

I

UURIR D

DSScorteGSS








22500002 SRa

2100022,

, DSS

corteGScorteGSS I

UURb

362, corteGSUc

a

acbbID 2

42

ID= 7,07mA ou ID= 2,26mA










ID= 7,07mA ou ID= 2,26mASubstituindo na equação resultante da malha 1:UGS= -RSID UGS=-10,6 V ou UGS=-3,39V

Inválido porque >-Up

UDS= UDD- (RD+RS).ID= 3,25V






b) O método Gráfico:


UGS (V) ID (mA)

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

Curva de transcondutância:

S

GSDDSGS R

UIIRU

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII Reta da resistência RS:

UGS (V) ID (mA)

0

1

2








UGS (V) ID (mA)

0 12

-1 8,33

-2 5,33

-3 3

-4 1,33

-5 0,33

-6 0


Reta da resistência RS:

UGS (V) ID (mA)

0 0

-1,5 1

-3 2S

GSDDSGS R

UIIRU

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII










UDS= UDD- (RD+RS).ID= 3,56V



A determinação do ponto de funcionamento Q (ID,UDS,UGS) do circuito, também, pode ser feita utilizando os dois métodos já conhecidos:


o método gráfico.



POLARIZAÇÃO DOS JFETSConsiste em ligar duas resistências [R1 e R2] em série, sob a tensão aplicada UDD, constituindo um divisor de tensão e utilizar parte dessa tensão - a tensão em R2 - para aplicar à porta do JFET.


3 | POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO





O valor da tensão UG=UR2 é obtido pela fórmula aproximada do divisor de tensão:

Método Analítico

Obtém-se o valor de UGS necessário a polarização ,aplicando a lei das malhas à malha 1:

UG=UGS+RSID UGS= UG-RSID

Neste caso, também, é desprezado a corrente IG [IG≈0].

Verifica-se a igualdade: ID=IS.


DDG URR

RU

21

2




Os diferentes valores de ID, a utilizar são obtidos, também, utilizando a equação de Shockley:

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U



UGS= UG - RSID


Método Analítico

Substituído, obtém-se….

2

,

)1.(corteGS

DSGDSSD U

IRUII





Esta é uma equação do tipo: ax2+bx+c=0, em que x=ID e


Método Analítico

Desenvolvendo a equação, em ordem a ID, obtém-se uma equação de 2º grau:

0)(1)(2,

2,,2

22,

2

,

corteGS

DSSGcorteGSDGcorteGS

DSSS

corteGS

DSS

U

IUUIUU

U

IRI

U

IR

corteGS

DS

2,

2

corteGS

DSSS U

IRa


1)(2 ,2

,

GcorteGSDSS

S UUU

IRb

corteGS corteGS

DSSGcorteGS U

IUUc

,

2, )(


Isto é:1º passo: Traçar a curva de transcondutância, dando valores na equação de Schockley;

2º passo: Traçar a reta, dando valores na equação resultante da malha 1:




Método Gráfico

3º passo: Da intersecção da reta resultante com a curva de transcondutância, obtém-se o ponto Q de coordenada, IDQ e UGSQ


UGS ,ID ,UDS

Utilizando o método gráfico que, neste caso, é mais expedito…

S

GSGDDSGGS R

UUIIRUU






Método Gráfico

Percebe-se bem que, com este tipo de polarização, os valores ID1, e ID2, correspondentes às duas curvas-limite, são muito próximos, pelo que este método é bastante aceitável e, por isso, muito utilizado.






O JFET está polarizado por divisor de tensão. Para os valores de IDSS=8mA e UP=4V, calcule: a) IDQ e UGSQ b) UD

c) e UDS.


Nota:Representar a curva de transcondutância:

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII






c) e UDS.


UGS (V) ID (mA)

0

-1

-2

-3

-4



UGS (V) ID (mA)

0

0S

GSGDDSGGS R

UUIIRUU

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII

DDG URR

RU

21

2






c) e UDS.


UGS (V) ID (mA)

0 8

-1 4,5

-2 2

-3 0,5

-4 0



UGS (V) ID (mA)

0

0S

GSGDDSGGS R

UUIIRUU

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII

47,1S

G

R

U

=UG=1,76

VURR

RU DDG 76,1

21

2






c) e UDS.


UGS (V) ID (mA)

0 8

-1 4,5

-2 2

-3 0,5

-4 0



UGS (V) ID (mA)

0

0

47,1S

G

R

U

=UG=1,76






c) e UDS.


UGSQ=-1,5VIDQ=2,7mAUD=7,71VUDS=4,47V


UD=UDD-RDID UD= 15-2,7103x2,7 10-

3=7,71 V

b) UD

UDD=(RD+RS )ID +UDS UDS= UDD-(RD+RS )ID

= 15-(2,7103 + 1,2103 ).2,7 10-3=4,47 V

c) UDS






c) e UDS.


Nota:Representar a curva de transcondutância:

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII






c) e UDS.


UGS (V) ID (mA)

0 8

-1 4,5

-2 2

-3 0,5

-4 0



UGS (V) ID (mA)

0

0S

GSGDDSGGS R

UUIIRUU

2

,

)1.(corteGS

GSDSSD U

UII

76,1S

G

R

U

=UG=1,76

VURR

RU DDG 76,1

21

2






c) e UDS.



UGSQ=-1,46VIDQ=3,2mA






c) e UDS.



UGSQ=-1,46VIDQ=3,2mAUD=7,71VUDS=4,47V

UD=UDD-RDID UD= 15-2,7103x3,2 10-

3=6,36 V

b) UD

UDD=(RD+RS )ID +UDS UDS= UDD-(RD+RS )ID

= 15-(2,7103 + 1.103 ).3,3 10-3=3,16 V

c) UDS

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Módulo 8 - Transistores de Efeito de campo-1