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1. Diodos Semicondutores 1.1. INTRODUO

Os semicondutores, sem qualquer sombra de dvida, revolucionaram a

tecnologia dos circuitos eletrnicos, por se tratarem de dispositivos de pequenas dimenses aliadas a uma operao eficiente e confivel. Os diodos e os transistores bipolares so os dispositivos semicondutores mais conhecidos e utilizados. Na tarde de 23 de dezembro de 1947, Walter H. Brattain e John Bardeen demonstraram a funo de amplificao do primeiro transistor nos laboratrios da Bell Telephone Laboratories. O nome transistor derivado de transferncia de resistncia, indicando assim um dispositivo de estado slido. A miniaturizao resultante nos leva a questionar seus limites. Atualmente sistemas completos so implementados em chips que so centenas de vezes menores que um nico componente utilizado em circuitos anteriores. Os elementos germnio e silcio so os mais utilizados na fabricao de diodos e transistores. 1.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES O semicondutor um material que possui uma resistncia entre um condutor e um isolante. A principal caracterstica de um semicondutor a sua estrutura atmica, que permite uma conduo maior, mediante a adio de impurezas. A adio de elementos de impureza em uma estrutura pura de germnio ou silcio denomina-se dopagem. A finalidade da dopagem aumentar a quantidade de cargas livres (positivas ou negativas), que podem mover-se mediante uma tenso externa. Quando o nmero de eltrons livres (cargas negativas) aumentado, o semicondutor do tipo negativo ou tipo N; diminuindo o nmero de eltrons livres o semicondutor torna-se do tipo P. Desta forma no semicondutor dopado do tipo N prevalecem as cargas negativas, enquanto que no tipo P prevalecem as cargas positivas. Quando os dois tipos so unidos, o resultado uma juno PN ou NP.

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Uma juno PN na realidade um diodo semicondutor, que tem como caracterstica principal conduzir corrente em uma nica direo. O diodo ideal um dispositivo de dois terminais. Seu smbolo e sua curva caracterstica so mostrados nas figuras abaixo: A funo bsica de um diodo conduzir corrente no sentido definido pela seta no smbolo e agir como um circuito aberto para qualquer tentativa de estabelecer corrente no sentido oposto. Em resumo, as caractersticas de um diodo ideal so as de uma chave que teria a capacidade de conduzir corrente em um nico sentido. 1.3. CARACTERSTICAS DO SEMICONDUTOR As principais caractersticas do semicondutor puro (sem dopagem) so: a) resistncia maior do que os condutores metlicos, porm menor do que os isolantes; b) coeficiente negativo, isto , a resistncia diminui com o aumento da temperatura; c) a valncia dos tomos que constituem esses semicondutores 4; isto significa que a ltima camada desses tomos possui 4 eltrons.

Cristal dopado tipo P

Cristal dopado tipo N

Diodo Ideal: (a) Smbolo ; (b) Curva Caracterstica

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ELTRONS E PRTONS NO TOMO

Embora existam vrias maneiras de agrupamento dos eltrons e prtons em um tomo, existe uma combinao especfica que resulta em um arranjo estvel do mesmo, isto , cada tipo de combinao estvel de eltrons e prtons determina o tipo de tomo. Os tomos possuem um ncleo composto por prtons (com carga positiva) e neutrons (sem carga), prevalecendo ento no ncleo carga positiva e, eltrons nas rbitas (carga negativa), formando assim um arranjo eletricamente estvel por possurem uma quantidade de prtons no ncleo igual ao nmero de eltrons nas rbitas. A quantidade de prtons no ncleo e eltrons nas rbitas denominada nmero atmico (NA); a quantidade de prtons no ncleo igual a quantidade de eltrons nas rbitas. As rbitas so anis concntricos ao redor do ncleo nos quais esto os eltrons em um movimento semelhante ao do sistema solar, no qual os planetas giram em torno do sol e em torno de si mesmos. O movimento de rotao de um eltron denominado spin. Por exemplo, o tomo de hidrognio cujo arranjo mostrado abaixo possui em sua estrutura um eltron e um prton.

O tomo de hidrognio possui NA (nmero atmico) igual a 1, isto , possui apenas um eltron na rbita K e um prton no ncleo. O ncleo tende a atrair o nico eltron enquanto que o eltron tende a vencer a fora de atrao do ncleo. Como essas foras so mecanicamente balanceadas, o eltron permanece em sua rbita ao redor do ncleo. O prton e o ncleo possuem carga elementar igual (1,6 x 10 -19 C), porm a massa do ncleo cerca de 1.840 vezes maior do que a massa do eltron.

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Os tomos podem ter vrias rbitas ou camadas (no mximo sete), nas

quais esto distribudos os eltrons. Estas camadas so identificadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Cada rbita possui um nmero mximo de eltrons, determinando assim as caractersticas do elemento. A tabela abaixo mostra as rbitas de um tomo e a quantidade mxima de eltrons por rbita.

RBITA

OU CAMADA

N MXIMO DE ELTRONS

K 2 L 8 M 8 ou 18 N 8, 18 ou 32 O 8 ou 18 P 8 ou 18 Q 8

de especial importncia a quantidade de eltrons na rbita ou camada mais distante do ncleo. A camada externa1 requer 8 eltrons para a estabilidade do tomo, exceto quando o mesmo possui apenas uma rbita a qual tem no mximo 2 eltrons. O tomo de carbono, cuja configurao mostrada abaixo possui 6 eltrons, e portanto NA = 6.

Observa-se que na ltima camada existem apenas 4 eltrons, a qual pode ter no mximo 8 eltrons, estando portanto incompleta. 1 A camada externa recebe tambm o nome de valncia

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Quando vrios tomos de carbono so agrupados, tendem a entrar em

covalncia, compartilhando os eltrons de sua ltima camada. Desta forma em uma ligao covalente cada tomo de carbono enxerga na ltima camada 8 eltrons, o que constitui uma configurao estvel.

tomos com 8 eltrons na ltima camada apresentam uma configurao estvel, isto , no tendem a doar e nem receber eltrons a no ser em condies especiais como calor, luz, campo eltrico, etc.

RESUMINDO: 1. tomos estveis: so tomos com a ltima camada saturada; 2. tomos quimicamente ativos: so tomos que no possuem a ltima

camada saturada; 3. Eltrons de valncia: so os eltrons da ltima camada ou rbita de

um tomo; 4. Eltrons livres: so os eltrons que participam da corrente eletrnica.

CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES

O termo condutor aplicado a qualquer material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar, atravs de seus terminais, uma fonte de tenso de amplitude limitada. Os eltrons podem mover-se facilmente de tomo para tomo em um material condutor. Em geral os metais so bons condutores, sendo a prata o melhor vindo em seguida o cobre.

A estrutura atmica dos condutores permite que os eltrons da ltima camada movimentem-se facilmente com um mnimo de oposio.

Inversamente relacionada condutividade de um material sua

resistncia ao fluxo de carga ou corrente. Ou seja, quanto maior o nvel de condutividade, menor o nvel de resistncia. Em tabelas, o termo resistividade comumente utilizado quando se comparam os nveis de resistncia dos materiais. Em unidades mtricas, a resistividade de um material medida em -cm ou -m. Na tabela abaixo so fornecidos os valores tpicos de resistividade para trs grandes categorias de materiais.

Valores tpicos de resistividade

Condutor Semicondutor Isolante 10-6 -cm

(cobre) 50 -cm (germnio) 50x103 -cm (silcio)

1012 -cm (mica)

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O cobre, cuja estrutura mostrada abaixo um excelente condutor,

pois possui na ltima camada apenas 1 eltron, o qual pode movimentar-se com muita facilidade. Em virtude disto, este eltron recebe o nome de eltron livre.

Em geral os bons condutores possuem apenas 1 eltron na ltima rbita ou camada de valncia. Um material cujos tomos tendem a permanecer em suas camadas de valncia so denominados isolantes porque no podem conduzir corrente eltrica com facilidade. No entanto, os isolantes so capazes de armazenar eletricidade melhor do que os condutores. Materiais como mica, vidro, borracha, papel, etc. so tambm denominados dieltricos, muito utilizados na fabricao de capacitores. Desta forma, os isolantes so muito teis quando deseja-se bloquear a passagem de corrente. O semicondutor um elemento que conduz menos do que os metais condutores porm muito mais do que os isolantes (carbono, germnio e silcio so os semicondutores mais conhecidos). A tabela a seguir mostra alguns tipos de condutores e semicondutores.

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GRUPO

ELEMENTO

SMBOLO N

ATMICO ELTRON

DE VALNCIA

Metais condutores, em ordem de condutncia

Prata Cobre Ouro Alumnio Ferro

Ag Cu Au Al Fe

47 29 79 13 26

+1 +1 +1 +3 +2

Semicondutores Carbono Silcio Germnio

C Si Ge

6 14 32

4 4 4

Gases ativos Hidrognio Oxignio

H O

1 8

1 -2

Gases inertes Hlio Neon

He Ne

2 10

0 0

ESTRUTURA DO CRISTAL

Algumas das qualidades nicas do Ge e do Si devem-se a suas estruturas atmicas. Os tomos de ambos os materiais formam um modelo bem preciso e peridico (isto , que se repete continuamente) por natureza. Um modelo completo chamado de cristal, e o arranjo peridico dos tomos chamado de trelia. No caso do Ge e do Si, o cristal tem estrutura de diamante tridimensional, como mostra a figura abaixo. Todo material composto de estruturas cristalinas repetidas do mesmo tipo chamado de uma estrutura de cristal singular. Para materiais semicondutores de aplicao prtica no campo da eletrnica, esse dispositivo de cristal singular existe e, alm disso, a periodicidade da estrutura no se modifica de maneira significativa com a adio de impurezas no processo de dopagem. Os modelos de Bohr dos dois semicondutores usados com maior freqncia, germnio e silcio, so mostrados na figura abaixo. O tomo de germnio tem 32 eltrons que orbitam, enquanto que o silcio tem 14. Em cada caso, h quatro eltrons na camada mais externa (valncia). O Ge e o Si so chamados de tomos tetravalentes por possurem quatro eltrons de valncia cada um.

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A figura abaixo ilustra um bloco de silcio onde seus tomos esto

ligados em covalncia de tal forma a formar uma trelia cristalina pura, compartilhando seus eltrons de valncia.

Cada tomo de silcio dentro da estrutura cristalina enxerga 8 eltrons na camada de valncia caracterizando assim uma configurao estvel. A estrutura acima ilustrada recebe o nome de cristal intrnseco pois no possui qualquer tipo de dopagem. Os materiais intrnsecos so cuidadosamente refinados para se obter a reduo de impurezas a um nvel muito baixo so basicamente to puros quanto permite a tecnologia moderna. Um cristal intrnseco tende a se comportar como um isolante em baixas temperaturas.

CORRENTE INTRNSECA

Quando um cristal intrnseco de germnio ou silcio no sofre influncias externas como luz e calor por exemplo, os eltrons de seus

Camadas

Ncleo

EltronsOrbitantes

Eltrons de valncia (4 para cada)

Estrutura atmica:

(a) do germnio (b) do silcio

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tomos tendem a permanecer em suas rbitas com suas ligaes covalentes, pois neste caso no h nenhum meio de romper essas ligaes e portanto, no h eltrons livres para estabelecer corrente eletrnica. Particularmente em baixas temperaturas as ligaes covalentes permanecem intactas e o cristal tende a comportar-se como um isolante. Em temperaturas mais elevadas (como por exemplo uma fonte de calor externa), h energia trmica suficiente para fazer com que o cristal liberte alguns eltrons de suas ligaes covalentes, que podem movimentar-se aleatoriamente dentro do cristal. H, temperatura ambiente, aproximadamente 1,5 x 1010 portadores livres em um centmetro cbico de material de silcio intrnseco. Ligaes covalentes tambm podem ser quebradas pela ao de um campo eltrico proveniente de uma diferena de potencial. Quando uma ligao covalente quebrada fica com deficincia de um eltron e portanto o tomo assume a condio de on positivo, uma vez que a quantidade de eltrons passa a ser menor do que o nmero de prtons no ncleo. Isto eqivale dizer que quando o eltron deixa o tomo este adquire carga positiva.

Para cada eltron que deixa o tomo origina-se uma lacuna, logo, o nmero de eltrons e lacunas est equilibrado dentro da estrutura atmica de um material semicondutor puro.

A quantidade de eltrons e lacunas que se forma dentro da estrutura do material depende da quantidade de energia aplicada (mais calor, mais ligaes covalentes quebradas). Os eltrons percorrem a estrutura at se alojarem nas lacunas, onde pode deduzir-se que as lacunas percorrem a estrutura de forma anloga aos eltrons, porm em sentido contrrio. Neste caso o movimento de eltrons e lacunas recebe o nome de corrente intrnseca.

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Portanto, a corrente intrnseca ocorre em virtude da quebra de ligaes covalentes em uma estrutura cristalina, proveniente de fontes externas de energia. A figura a seguir mostra o movimento aleatrio da corrente eletrnica em uma estrutura cristalina intrnseca submetida a uma fonte externa de energia.

Na estrutura acima foram quebradas sete ligaes covalentes (representadas pelas linhas hachuriadas) de forma que dentro da estrutura existem sete eltrons livres e sete lacunas. As setas representam o movimento dos eltrons que conforme pode-se observar, no tem direo definida. No entanto, ao aplicar-se nos extremos do cristal uma tenso (p/ex. uma bateria), os eltrons dirigem-se ao polo positivo enquanto que as lacunas movimentam-se em sentido contrrio, conforme ilustra a figura abaixo:

Quando a fonte externa de energia sobre a estrutura for removida, as ligaes covalentes tendem a restabelecer-se cessando tambm a corrente.

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1.4. MATERIAIS EXTRNSECOS DOS TIPOS n E p

O processo de dopagem em um cristal intrnseco cria no mesmo cargas livres (eltrons ou lacunas), dependendo do tipo de impureza usada no processo; aps a dopagem o cristal intrnseco recebe o nome de cristal extrnseco. No processo de dopagem so utilizadas impurezas do tipo trivalente e pentavalente; as impurezas trivalentes possuem 3 eltrons de valncia e as pentavalentes 5 eltrons de valncia. A figura a seguir ilustra uma forma comum de representar impurezas trivalentes e pentavalentes.

FORMAO DO CRISTAL N

Quando uma impureza pentavalente (como o antimnio, o arsnio e o fsforo) adicionada a um cristal intrnseco de silcio, ao se combinarem com os tomos do cristal haver o excesso do 5 eltron que ficar no seu lugar simplesmente pela fora de atrao do ncleo do tomo da impureza, isto , este eltron poder ser deslocado com facilidade, recebendo ento o nome de eltrons livre. As impurezas pentavalentes criam uma fonte de eltrons livres, sendo portanto, denominadas impurezas doadoras. N refere-se ao fato de haver conduo no cristal atravs de eltrons, que possuem carga negativa.

Quinto eltron de valncia do antimnio

Impureza do Antimnio (Sb)

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A tabela abaixo mostra as caractersticas de alguns tipos de impurezas pentavalentes usadas na fabricao de semicondutores.

Elemento Smbolo N atmico Valncia Antimnio Sb 51 5 Arsnio As 33 5 Fsforo P 15 5

Analisando a figura abaixo, deduz-se que o nmero de eltrons livres

igual ao nmero de impurezas pentavalentes adicionadas a um cristal intrnseco.

importante frisar que, mesmo que um grande nmero de portadores livres tenha se estabelecido no material do tipo n, ele ainda eletricamente neutro, pois o nmero de prtons carregados positivamente no ncleo ainda igual ao nmero de eltrons livres orbitando com carga negativa na estrutura.

FORMAO DO CRISTAL P

Quando uma impureza trivalente adicionada a um cristal intrnseco de silcio, ao se combinarem com os tomos do cristal haver a falta de um eltron para completar os 8 eltrons de valncia, isto , a falta desse eltron eqivale a uma carga positiva livre. P refere-se ao fato de haver conduo no cristal atravs de lacunas, as quais possuem carga positiva. Os elementos mais comumente utilizados para esse propsito so o boro, o glio e o ndio. O efeito do boro sobre uma base de silcio mostrado na figura abaixo. Note que h agora um nmero insuficiente de eltrons para completar as ligaes covalentes da rede recm-formada. O espao vazio resultante chamado de lacuna e representado por um pequeno crculo de sinal positivo devido ausncia de uma carga negativa. Assim, a lacuna resultante aceitar rapidamente um eltron livre.

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A tabela a seguir mostra alguns tipos de impurezas trivalentes (denominadas aceitadoras) utilizadas na fabricao de semicondutores.

Elemento Smbolo N atmico Valncia Alumnio Al 13 3

Boro B 5 3 Glio Ga 31 3 ndio In 49 3

A figura abaixo mostra que o nmero de lacunas criadas em um cristal intrnseco corresponde a quantidade de impurezas trivalentes adicionadas ao mesmo.

PORTADORES MAJORITRIOS E MINORITRIOS

Em um cristal dopado os portadores majoritrios ocorrem devido a adio de impurezas, enquanto que os portadores minoritrios so provenientes da quebra das ligaes covalentes, principalmente quando ocorre elevao da temperatura.

Lacuna devido a falta de 1 eltron

Impureza de Boro (B)

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TIPO DE CRISTAL

PORTADORES MAJORITRIOS

PORTADORES MINORITRIOS

P lacunas eltrons N eltrons lacunas

O aumento da temperatura provoca a quebra de mais ligaes covalentes, aumentando a quantidade de portadores minoritrios cujo fluxo contrrio ao dos portadores majoritrios, que neste caso ir interferir no fluxo dos portadores majoritrios. 1.5. JUNO PN DIODO DE JUNO

Ao se combinar um cristal do tipo P com um cristal do tipo N obtm-se um diodo.

Para entender como formado um diodo de juno, consideremos os cristais N e P conforme ilustra a figura abaixo:

A K

A = Anodo ( cristal P ) K = Catodo ( cristal N )

Cristal n Cristal p

doador ( on positivo ) aceitador ( on negativo )

Portadorminoritrio

Portadorminoritrio

Portadoresmajoritrios (eltrons livres)

Portadoresmajoritrios (lacunas)

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No tomo aceitador foi adicionado um eltron da unio vizinha, formando ento um on negativo. O on negativo deixa uma lacuna. Do tomo doador foi retirado o 5 eltron, tornando-o um on positivo. O eltron retirado excedente (livre). Ao se juntar os dois cristais, a primeira impresso de que os eltrons livres do cristal N tendem a combinar-se com as lacunas do cristal P, porm tal no ocorre. Quando os eltrons do cristal N tentam atravessar a juno, so repelidos pelos ons negativos (aceitadores) do cristal P; da mesma forma as lacunas do cristal P so repelidas pelos ons positivos (dadores) do cristal N. Porm, os eltrons e lacunas nas proximidades da juno combinam-se.

Nas proximidades da juno o cristal P adquire uma pequena carga negativa, pois as lacunas combinam-se com os eltrons livres do cristal N; ao mesmo tempo o cristal N adquire nas proximidades da juno uma pequena carga positiva pela perda dos eltrons livres que se combinaram com as lacunas do cristal P. Forma-se ento nas proximidades da juno uma regio de transio, tambm conhecida como regio de barreira de potencial. Em ingls muito utilizada a expresso depletion region (regio de depleo). conveniente salientar que essa combinao ocorre somente nas proximidades da juno. Eltrons e lacunas mais distantes no se combinam pois sofrem a fora de repulso das cargas positivas na juno do cristal N e das cargas negativas na juno do cristal P, conforme dito anteriormente. Veja como isso ocorre na ampliao mostrada a seguir.

Regio de depleo

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Para que eltrons e lacunas se combinem necessrio vencer a fora de repulso das cargas opostas dentro da regio de transio. Nas proximidades da juno, ou mais especificamente na regio de transio ocorre a difuso dos portadores de um lado para outro da juno (isto pode ocorrer devido a uma energia trmica) e, esse movimento recebe o nome de corrente de difuso. Isto resulta em uma ddp (diferena de potencial) que pode ser representada por uma pequena bateria imaginria, conforme ilustra a figura a seguir.

Isto significa que uma lacuna do cristal P poder combinar-se com um eltron do cristal N aps vencida essa tenso ou essa barreira de potencial. A bateria imaginria usada somente para representar os efeitos internos, uma vez que esse potencial no se pode medir quando o diodo est fora do circuito. Quando o diodo faz parte de um circuito, esse potencial (barreira de potencial) pode ser verificado atravs de medies indiretas. Para os diodos de silcio essa tenso varia de 0,55V a 0,7V e para os diodos de germnio varia de 0,15 a 0,3V.

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Costuma-se adotar os valores tpicos de 0,7V para diodos de silcio e

0,3V para os diodos de germnio, salvo especificao em contrrio. Desta forma, para que haja a recombinao dos demais portadores necessrio uma tenso externa que vena a barreira de potencial.

fcil deduzir-se pela figura acima, que as lacunas e os eltrons so impelidos at a juno pelos plos positivo e negativo da bateria externa respectivamente. Vencida a barreira de potencial, ocorre a recombinao entre lacunas e eltrons.

POLARIZAO DIRETA DA JUNO PN (DIODO)

Para produzir um fluxo de corrente atravs de um diodo, a mesmo deve ser polarizado diretamente, isto , a barreira de potencial deve ser neutralizada. Polarizar diretamente um diodo significa tornar o anodo mais positivo do que o catodo, ou seja, aplica-se uma tenso negativa no catodo e uma tenso positiva no anodo, conforme ilustra a figura a seguir.

Regio de depleo

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a) os eltrons livres do cristal N so impelidos juno pelo plo negativo da bateria;

b) as lacunas do cristal P so impelidos juno pelo polo positivo da bateria;

c) na juno ocorre ento a combinao dos portadores;

d) para cada lacuna do cristal P que se combinar com um eltron do cristal N, um eltron de uma unio das proximidades do terminal positivo da bateria deixa o cristal e penetra no polo positivo da bateria, originando uma lacuna que tambm impelida juno;

e) simultaneamente um novo eltron penetra no cristal N atravs do terminal negativo da bateria e se difunde at a juno; como resultado, a regio de transio torna-se significativamente mais estreita;

f) com o aumento da tenso externa gradualmente vencida a barreira de potencial e a corrente aumenta; uma vez vencida a barreira de potencial a corrente aumenta bruscamente;

g) essa corrente denominada corrente direta (ID) e seu sentido do cristal N para o cristal P (sentido real), ou seja, do catodo para o anodo.

Na polarizao direta a resistncia interna do diodo (juno) assume um valor extremamente baixo e o diodo comporta-se como uma chave eletrnica fechada. A figura a seguir ilustra um diodo diretamente polarizado e seu respectivo circuito equivalente.

Observe que no circuito equivalente foi considerado o sentido convencional para a corrente.

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POLARIZAO REVERSA DA JUNO PN (DIODO)

A polarizao reversa consiste em tornar o anodo mais negativo do que o catodo ou o catodo mais positivo do que o anodo, o que eqivale a aplicar uma tenso negativa no anodo e uma tenso positiva no catodo. Na polarizao reversa ocorre justamente o contrrio da polarizao direta. Os eltrons e as lacunas afastam-se da juno provocando um aumento significativo da regio de transio. Esta ampliao estabelecer uma barreira grande demais para os portadores majoritrios superarem, reduzindo efetivamente o fluxo de portadores majoritrios a zero. Desta forma, no ocorre a combinao entre eltrons e lacunas e portando no circula corrente pelo diodo.

Na polarizao reversa a resistncia interna do diodo assume valores elevadssimos e o mesmo comporta-se como uma chave eletrnica aberta. A figura abaixo ilustra um diodo polarizado reversamente e seu respectivo circuito equivalente. Observe que no circula corrente pelo circuito.

Regio de depleo

Fluxo de portador minoritrio

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Teoricamente nenhuma corrente deveria circular pelo circuito. No

entanto, uma corrente muito pequena (da ordem de alguns microampres pode ser observada).

Isto pode ser explicado facilmente: alguns eltrons e lacunas dos cristais P e N respectivamente que devem sua existncia graas a energia trmica (quebra de ligaes covalentes) so impelidos juno pois so repelidos pela bateria (os eltrons do cristal P so repelidos pelo polo negativo da bateria e as lacunas do cristal N so repelidas pelo polo positivo da bateria). Neste caso haver a combinao dos portadores minoritrios, constituindo uma corrente reversa muito pequena, tambm conhecida como corrente de fuga (IR) ou corrente de saturao reversa (IS). O termo saturao deriva do fato de a corrente alcanar seu valor mximo rapidamente e de no mudar de maneira significativa com o aumento do potencial de polarizao reversa.

Com o aumento da temperatura a corrente reversa (IR) ou de fuga aumenta, interferindo na corrente direta do diodo.

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CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODO DE JUNO DE SILCIO

Observa-se na curva acima que a partir de 0,7V a corrente direta sobe bruscamente, sendo limitada pela resistncia externa do circuito.

Se a tenso reversa for muito elevada a corrente reversa sobe a um valor bastante elevado, sendo esse valor denominado corrente de avalanche. A corrente de avalanche pode variar numa faixa de valores bastante ampla com uma variao muito pequena da tenso reversa. Esse fenmeno denominado efeito Zener.

RegioZener

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Quando atingida a regio de ruptura a corrente reversa aumenta

bruscamente e danifica o diodo a menos que, tenha uma construo especial que permita sua utilizao nessa regio (regio Zener). Portanto, em sua operao normal o diodo no deve atingir a regio Zener. Os fabricantes especificam a mxima tenso reversa antes de atingir a regio Zener, desta forma, a tenso reversa mxima permitida para um determinado diodo menor do que a tenso Zener.

CIRCUITOS EQUIVALENTES DO DIODO

Um circuito equivalente uma combinao de elementos corretamente selecionados para melhor representar as caractersticas reais de um dispositivo, um sistema ou uma regio especfica de operao.

Na anlise de circuitos com diodos, podemos levar em conta trs aproximaes: 1 APROXIMAO - DIODO IDEAL VD = 0V

2 APROXIMAO VD = 0,7V

3 APROXIMAO - DIODO REAL VD = 0,7V + VrB VD = 0,7V + ID.rB

Geralmente utiliza-se a segunda aproximao na anlise de circuitos com diodos.

Exemplo:

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No circuito a seguir, calcule a corrente e a potncia no resistor.

Soluo:

I = V Vd

R

= 6 0 7

220 ,

= 24,1mA PR = 220 . 24,1mA2 = 127,78mW

RETA DE CARGA

A reta de carga um mtodo grfico atravs do qual pode-se determinar o ponto de operao de um diodo (tenso e corrente). Tomemos como exemplo o circuito abaixo:

RS = resistor limitador de corrente (com RS maior, menor ser a corrente no diodo) Desta forma, RS mantm ID dentro das especificaes do diodo.

Equao bsica: I = E V

Rs

Para traar a reta de carga de um diodo, devemos levar em conta dois pontos: saturao e corte.

CONDIO 1 - SATURAO

V = 0

I = 2 0100

= 20mA

CONDIO 2 - CORTE

V = 2V

I = 2 2100

= 0

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Desta forma foram determinados os dois pontos necessrios para traar a reta de carga: ponto 1: I = 20mA; V = 0 (saturao) Na saturao considera-se o diodo em curto e portanto, a tenso nos seus extremos ser igual a zero. ponto 2: I = 0; V = 2V (corte) No corte considera-se o diodo aberto; desta forma no circular corrente pelo circuito. A tenso entre os pontos A e K ser 2V. A interseco entre a reta de carga e a curva do diodo nos fornece o ponto de operao do diodo, tambm denominado ponto Q (quiescente). Analisando o grfico do nosso exemplo, verificamos que a corrente de operao do diodo de 13mA e a tenso 0,7V. Qual ser a tenso no diodo para uma corrente de 5mA? Analisando o grfico verificamos que essa tenso de 1,5V. Comprovando:

aplicando LKT V = E - VRS, onde VRS = RS . I

logo: V = 2 - (100 . 0,005) = 2 - 0,5 = 1,5V

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EXERCCIO RESOLVIDO

Utilizando a 2 aproximao, calcule a corrente no resistor de 2k no circuito a seguir.

Aplicando Thvenin: 1 - Remove-se o resistor de 2k e curtocircuita-se as fontes; Observe que por tratar-se da 2 aproximao foi considerada a barreira de potencial de 0,7V no diodo. 2 - Calcula-se Rth; 3 - Calcula-se Vth.

Rth = 12 812 8

x+ = 4,8k Vth =

12 812 8

x+ = 4,8V

O circuito equivalente Thvenin mostrado abaixo.

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Vth - (4,8k.I) - 0,7V - (2k.I) = 0

4,8V - 0,7V = (4,8k + 2k).I 4,1V = 6,8k.I

I = 4,1V 6,8k = 602,9A

RESISTNCIA CC DO DIODO

RCC (resistncia para corrente contnua) de um diodo, a razo entre a tenso total no diodo e a corrente que circula pelo mesmo. Existem duas maneiras de medir essa resistncia: direta e inversa. Tomemos como exemplo o diodo 1N8146, em que foram obtidos trs valores de tenso e corrente, para clculo da resistncia direta, (RD) conforme ilustra a tabela abaixo.

VD 0,65V 0,75V 0,85V ID 8mA 18mA 30mA

Medidas 1 2 3

Calculando a resistncia direta para cada medida:

Concluso: medida que a corrente aumenta a RCC diminui.

Para o mesmo diodo tomemos como exemplo trs medidas para o clculo da resistncia reversa (RR), conforme ilustra a figura abaixo. Para esse diodo a tenso de ruptura 150V.

1 medida: RD = 0,65V8mA = 81,25 2 medida: RD = 0,75V18mA = 41,67 3 medida: RD = 0,85V 30mA = 28,3

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Tenso inversa

(VR) 25V 50V 100V

Corrente inversa (IR) 30A 65A 4A

Medidas 1 2 3

Calculando a resistncia reversa para cada medida: Concluso: Ao se aproximar da tenso de ruptura a RCC diminui.

EQUAO CARACTERSTICA

Atravs da equao abaixo podemos calcular a corrente direta que circula pela juno de um diodo, em funo de uma corrente reversa dada e em funo da temperatura:

I = Io. eV.VT

1

Io = corrente direta Io = corrente reversa ou de fuga

= Ge = 1

Si = 2

VT = T(K)

11600 T(K) = temperatura em kelvin = (273 + C)

V = tenso direta (VD) e = constante = 2,718 A frmula a seguir tambm poder ser usada:

I = Is. eKV

T K( ) 1

Is = corrente reversa de saturao ou de fuga

K = 11600 / , onde Ge = 1Si = 2

T(K) = 273 + C

1 medida: RR = 25V 30nA = 833M 2 medida: RR = 50V 65nA = 769M 3 medida: RR = 100V 4uA = 25M

28

INFLUNCIA DA TEMPERATURA

A temperatura um dos fatores que mais influenciam no funcionamento de um diodo; com o aumento da temperatura a tenso direta (VD) diminui e a corrente reversa (IR) aumenta. Isto pode ser observado na figura abaixo. A corrente de saturao reversa Is ter sua amplitude praticamente dobrada para cada aumento de 10C na temperatura. Para minimizar os efeitos da temperatura utiliza-se dissipadores de calor principalmente em diodos para potncias 5W. Alguns parmetros devem ser levados em conta no dimensionamento dos dissipadores de calor. Tais parmetros referem-se a resistncia trmica entre o invlucro e a juno e entre o invlucro e o meio ambiente, assim definidos:

JC = resistncia trmica entre a juno e o invlucro

CA = resistncia trmica entre o invlucro e o meio ambiente (ar)

A figura abaixo ilustra uma forma prtica de representar esses parmetros.

(Ponto de ebulio da gua)

(Temperatura ambiente)

A corrente reversa aumenta com o aumento da temperatura

29

Quando um dissipador acrescentado devem ser levados em conta outros parmetros:

CS = resistncia trmica entre o invlucro e o dissipador SA = resistncia trmica entre o dissipador e o ambiente (ar)

A unidade de medida da resistncia trmica () C/W (graus celsius por watt). A resistncia trmica total (JA) pode ser ento calculada com ou sem dissipador de calor:

JA = JC + CS + SA (com dissipador) JA = JC + CA (sem dissipador)

O circuito equivalente para representar as resistncias trmicas acima mencionadas mostrado abaixo.

30

Para evitar danos ao diodo, a temperatura da juno (TJ) nunca deve ser ultrapassada.

TJ = (PD . JA) + TA, em C

TJ = PD.(JC + CS + SA) + TA, em C EXEMPLO 1: Determinar se a temperatura da juno de um diodo semicondutor est sendo excedida nas seguintes condies de operao:

PD = 20W TA = 25C

Tjmax = 150C JC = 2C/W CS = 0,5C/W SA = 2,5C/W

Soluo:

TJ = PD . (JC + CS + SA) + TA TJ = 20 . (2 + 0,5 + 2,5) + 25

TJ = 100 + 25 = 125C Resposta: 125C Operao segura pois no ultrapassa a TJmax de 150C especificada pelo fabricante. EXEMPLO 2: Determine a corrente que circula pela juno de um diodo de silcio na temperatura de 40C, sabendo-se que sua corrente reversa de 1A. Soluo:

Utilizando a frmula: I = Io. eV.VT

1

V = 0,7V

= 2 VT =

T(K)

11600 =

273 + 4011600

= 0,027

I = 1 x 10 -9 2 718 1,0,7

2(0,027)

= 1 x 10

-9 2,7180,7

0,054

1

31

I = 1 x 10-9 (2,71812,963 - 1) = 425,77A 426A

Podemos tambm utilizar a frmula: I = Is. eKV

T K( ) 1

V = 0,7 = 2 K =

116002

= 5800

T(K) = 273 + 40 = 313

I = 1 x 10-9 2,7185800 . 0,7

313 1

= 1 x 10

-9 (2,718 12,971 - 1)

I = 429,19A 429A

RESISTNCIA MDIA (Rm)

Se dispusermos de dois valores de VD podemos calcular a resistncia

mdia do diodo. Normalmente isto ocorre quando um sinal AC de grande magnitude for aplicado ao diodo fazendo com que os valores de VD flutuem, conforme sugere a figura abaixo.

A resistncia mdia pode ser calculada pela frmula:

Rm = VI

D

D

VD = VD2 - VD1

ID = ID2 - ID1

VD1 VD2 ID1

ID2

32

EXEMPLO 3: Considerando os mesmos dados do exemplo 2, calcule a resistncia mdia do diodo supondo uma VD = 0,9V.

Soluo: Aproveitaremos os valores calculados para VD = 0,7V.

Calculando I2:

I2 = 1 x 10-9 2,7180,9

0,054

1 = 1 x 10-9 (2,71816,667 - 1)

I2 = 17,28mA

Rm = 0,9 - 0,7

17,28 - 0,426) .10-3( = 0,2

16,854 . 10-3 = 11,867

0,7 0,9

426A

I2

33

2. Retificao 2.1. PRINCPIOS BSICOS

Retificar encerra a idia de converter uma tenso alternada em tenso

contnua. No processo de retificao deve-se levar em conta as caractersticas de chaveamento eletrnico do diodo, ou seja, conduz corrente em apenas um sentido (quando diretamente polarizado). 2.2. RETIFICAO DE ONDA

Tomemos como exemplo o circuito a seguir, destinado a retificar uma tenso alternada. A tenso a ser retificada de 40Vrms, ou 40Vef. Como sabemos a corrente alternada tem a propriedade de mudar de polaridade periodicamente, segundo uma determinada freqncia.

Deduz-se ento que durante o semiciclo positivo o diodo estar polarizado diretamente, atuando como uma chave eletrnica fechada e durante o semiciclo negativo, por estar reversamente polarizado, atuar como uma chave eletrnica aberta, conforme mostra os circuitos equivalentes a seguir.

Como o diodo comporta-se como uma chave eletrnica fechada, somente circular corrente pela carga durante o semiciclo positivo. Logo, aparecer na carga a tenso correspondente ao semiciclo positivo.

34

Como o diodo comporta-se como uma chave eletrnica aberta, no circular corrente pela carga. Logo, no aparecer nenhuma corrente na carga.

Desta forma, circular corrente na carga somente durante os semiciclos positivos, caracterizando assim a retificao de onda. Ao se ligar nos extremos da carga um osciloscpio, ser visualizada uma tenso cuja forma de onda mostrada na figura abaixo.

A tenso na carga contnua pulsante e o valor medido dessa tenso denominado valor retificado mdio (Vm ou Vdc), que pode ser calculado pela frmula:

Vm ou Vdc = (Vp - VD) . 0,318 onde: Vp = valor de pico da tenso ou valor mximo da tenso (Vmax) Vm = Vdc = valor retificado mdio VD = queda de tenso direta no diodo (0,55 a 0,7V) 0,318 = constante = 1/ Podemos calcular o valor mdio retificado pela frmula:

Vm ou Vdc = Vp ou Vmax ( para VD = 0, diodo ideal)

EXEMPLO: Um retificador de onda deve retificar uma tenso de 40Vrms para alimentar uma carga de 500. Determine: a) valor retificado mdio na a carga; b) corrente na carga; c) valor mximo da tenso na carga. Soluo: a) devemos calcular o valor mximo da tenso (Vp ou Vmax):

35

Vp = Vrms . 1,41

Vp = 40 . 1,41 = 56,4V calculando o valor retificado mdio na carga:

Vm = (Vp - VD) . 0,318 Vm = (56,4 - 0,7) . 0,318 = 17,71V

b) a corrente na carga ser a corrente mdia:

Im ou Idc = 17,71V500 = 35,42mA

c) o valor mximo da tenso na carga: Vp - VD = 56,4 - 0,7 = 55,4V TENSO DE TRABALHO DO DIODO: Na retificao de onda a tenso de trabalho do diodo a prpria tenso de pico da tenso a ser retificada, na condio de polarizao reversa, conforme ilustra a figura abaixo.

A tenso de trabalho do diodo normalmente definida como tenso inversa de pico (TIP)

Como o diodo est reversamente polarizado, comporta-se como uma

chave aberta e nos seus extremos estar presente o valor de pico da tenso a ser retificada, que no caso : 40 . 1,41 = 56,4V. Como no circula corrente pelo circuito, a tenso nos extremos de R ser zero. CAPACIDADE DE CORRENTE DIRETA:

Deve ser pelo menos igual a corrente mdia atravs do mesmo.

Im ou Idc = Vm ou VdcR

36

CORRENTE DE PICO ATRAVS DO DIODO (Ip):

Deve ser menor do que a corrente de pico especificada pelo fabricante.

Ip = Vp ou VmaxR

2.3. RETIFICAO DE ONDA COMPLETA (COM PONTO DE NEUTRO)

Na retificao de onda completa com ponto de neutro, deve-se utilizar um transformador com secundrio dotado de tomada central (CT, do ingls center tap), de forma a fornecer duas tenses de amplitudes iguais porm defasadas 180 entre si.

As tenses Es1 e Es2 so medidas a partir do CT (referencial). A tenso total do secundrio (Es) a soma das mesmas. No instante 1 o diodo D1 estar diretamente polarizado e conduzindo, enquanto que D2 estar cortado e no conduzindo; no instante 2 ocorre o contrrio, ou seja, D1 estar cortado e D2 estar conduzindo. A tenso retificada mdia na carga pode ser calculada pela frmula:

Vm ou Vdc = (Vp - VD) . 0,637 onde: Vp = valor de pico da tenso ou valor mximo da tenso (Vmax) Vm = Vdc = valor retificado mdio VD = queda de tenso direta no diodo (0,55 a 0,7V) 0,637 = constante = 2/ Podemos tambm calcular o valor mdio retificado pela frmula:

37

Vm ou Vdc = 2Vp ou 2Vmax (para diodo ideal, onde VD = 0)

Circuito equivalente no instante 1

Na carga aparecer uma tenso (semiciclo) devido a conduo de D1, por estar diretamente polarizado. Circuito equivalente no instante 2

No instante 2 estar presente na carga uma tenso (semiciclo) devido a conduo de D2. Desta forma, circular corrente na carga durante os semiciclos positivos e negativos, caracterizando assim a retificao de onda completa. Ao se ligar nos extremos da carga um osciloscpio, ser visualizada uma tenso cuja forma de onda mostrada na figura a seguir.

38

TENSO DE TRABALHO DOS DIODOS: Na retificao de onda completa a tenso de trabalho de cada diodo (TIP) eqivale a duas vezes o valor de pico da tenso a ser retificada. Portanto:

TIP = 2Vp CAPACIDADE DE CORRENTE DIRETA:

Deve ser pelo menos igual a corrente mdia atravs do mesmo. Como cada diodo opera como um retificador de onda teremos:

Im ou Idc = Vm ou Vdc

R2

CORRENTE DE PICO ATRAVS DO DIODO (Ip): Deve ser menor do que a corrente de pico especificada pelo fabricante. Como cada diodo opera como um retificador de onda teremos:

Ip = Vp ou VmaxR

EXEMPLO: Dado o circuito abaixo, calcule: a) tenso mdia na carga; b) corrente mdia na carga; c) tenso de pico na carga; d) tenso de trabalho nos diodos; e) corrente de pico nos diodos.

39

Soluo:

a) tenso mdia na carga: como Es = 100V, teremos: Es1 = Es2 = Es

2= 50V

Vm = (Vp - VD) . 0,637 Vp = Vef . 1,41 = 70,5V Vm = (70,5 - 0,7) . 0,637

Vm = 69,8 . 0,637 = 44,46V

b) corrente mdia na carga:

Im = VmR

= 44,46V500 = 88,92mA

c) tenso de pico na carga:

Vpcarga = (Vp - VD) = (70,5 0,7) = 69,8V

d) tenso de trabalho dos diodos: TIP = 2Vp = 2 . 69,8 = 139,6V

Cada diodo deve suportar no mnimo uma tenso reversa da ordem de 140V.

e) corrente de pico nos diodos:

Ip = Vp

500 = 69,8V500

= 139,6mA

2.4. RETIFICAO DE ONDA COMPLETA EM PONTE

A grande vantagem da retificao de onda completa em ponte deve-se ao fato de no ser necessrio utilizar dois sinais de amplitudes iguais defasados 180 entre si; isto significa que pode-se obter uma retificao de onda completa a partir da rede domiciliar.

40

O circuito bsico mostrado na figura abaixo.

A anlise do funcionamento de um retificador de onda completa, baseia-se como nos casos anteriores, no chaveamento eletrnicos dos diodos. Devem ser levados em considerao os semiciclos positivo e negativo da tenso alternada a ser retificada. Durante o semiciclo positivo os diodos D1 e D4 estaro conduzindo por estarem diretamente polarizados, enquanto que D2 e D3 estaro cortados. Durante o semiciclo negativo os diodos D2 e D3 estaro conduzindo e D1 e D4 estaro cortados. Veja nas figuras abaixo as ilustraes do que foi dito acima, para uma melhor compreenso.

D1 e D4 conduzindo; D2 e D3 cortados. Observa-se que os diodos D1 e D4 ficam em srie com a carga. Ento VD = VD1 + VD4 TIP = Vp

D2 e D3 conduzindo; D1 e D4 cortados. Neste caso, os diodos D2 e D3 esto em srie com a carga. Ento VD = VD2 + VD3 TIP = Vp

41

A forma da tenso na carga mostrada abaixo.

O valor retificado mdio na carga pode ser calculado pela frmula:

Vm ou Vdc = (Vp - 2VD) . 0,637

EXEMPLO: Calcule a tenso e potncia mdias em uma carga de 500, em um retificador de onda completa em ponte, cuja tenso de entrada 50Vrms. Soluo:

valor de pico da tenso a ser retificada: 50 . 1,41 = 70,5V

Vm = (70,5 - 1,4) . 0,637 = 44,02V Pm (carga) = 44,022 / 500 = 3,88W

2.5. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA SIMTRICO

O retificador de onda completa simtrico fornece duas tenses retificadas simtricas com polaridades opostas, sendo muito til quando deseja-se projetar retificadores para alimentao de amplificadores operacionais que na sua maioria necessitam de tenses positivas e negativas. Para a obteno de um retificador simtrico necessita-se de um transformador com secundrio dotado de ponto neutro (CT). Seu circuito bsico mostrado na figura abaixo.

42

A anlise de seu funcionamento similar a do retificador de onda completa em ponte. Note que o ponto B o referencial e est ligado ao CT. Com isto a tenso de sada ter polaridades opostas a partir desse referencial. Veja a figura abaixo.

No instante 1, o ponto x torna-se positivo e o ponto y negativo. Isto far os diodos D1 e D4 conduzirem enquanto que D2 e D3 estaro cortados. No instante 2, o ponto x torna-se negativo e o ponto y positivo. Isto far D2 e D3 conduzir enquanto D1 e D4 estaro cortados. Como resultado, em cada carga aparecer uma tenso retificada de onda completa de amplitudes iguais porm com polaridades opostas, devido ao referencial representado pelo ponto B, o qual est interligado ao CT. Entre os pontos A e C ser medida uma tenso que a soma das tenses entre os pontos A - B e B - C.

Observe na figura acima que entre os pontos A e C a tenso positiva, visto que o ponto A mais positivo do que o ponto C; evidentemente, esta tenso estaria invertida se fosse tomada entre os pontos C e A.

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A tenso retificada mdia na carga pode ser calculada pela frmula:

Vm ou Vdc = ( )[ ]Es . 1,41 - 2V . 0,637D

2 ou

Vm ou Vdc = [(Es1 . 1,41) - VD] . 0,637 ou ainda

Vm ou Vdc = [(Es2 . 1,41) - VD] . 0,637

importante lembrar que a simetria das tenses na sada do retificador ser obtida somente se as tenses no secundrio Es1 e Es2 forem iguais, mesmo que as correntes no o sejam. EXEMPLO: Para o circuito abaixo, calcule a tenso e a corrente mdias em cada uma das cargas.

Soluo: Tenso retificada mdia nas cargas:

Vm = [(50 . 1,41) - VD] . 0,637 Vm = [(50 . 1,41) - 0,7] . 0,637

Vm = 44,46V

teremos: em R1 + 44,46Vem R2 - 44,46V

Corrente mdia nas cargas:

Im R1 = 44,46V500 = 88,92mA Im R2 =

44,46V1,2k = 37,05mA

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3. Filtros em Retificadores 3.1. RETIFICADOR DE MEIA ONDA CARGA RC

Figura 3.1

Sem o capacitor, a forma de onda na carga seria a apresentada na

figura 3.2(a) .

Figura 3.2

tc Tempo de carga do capacitor. o tempo em que o diodo conduz e fornece carga ao capacitor e ao resistor. td Tempo em que o capacitor mantm a corrente na resistncia RL. Neste intervalo de tempo ocorre a descarga do capacitor, de modo que o diodo no conduz, pois a sua tenso de catodo (fornecida pelo capacitor) maior do que a sua tenso de anodo. Analisando agora a tenso reversa sobre o diodo, vamos considerar um exemplo em que a tenso de entrada mxima de 100V. Observando a figura 3.1, no semiciclo positivo o diodo conduz e o capacitor se carrega com a tenso mxima, ou seja, 100V. No semiciclo negativo, o anodo do diodo passar a ter 100V, e o catodo ter a tenso do capacitor, que ainda da ordem de +100V, de modo que a tenso reversa de pico sobre o diodo ser de 200V, como mostra a figura 3.3.

a) Tenso na carga sem o capacitor.

b) Tenso na carga

com o capacitor.

45

Figura 3.3

Portanto, na escolha do diodo, esse deve ser especificado para uma tenso reversa mxima maior do que 2.Vmx, em que Vmx a tenso de pico de entrada. FORMAS DE ONDA NO CIRCUITO:

Figura 3.4

CLCULO APROXIMADO DA TENSO MDIA NA CARGA: Vamos aproximar a curva de VL da figura 3.4 por retas. Suponhamos que o capacitor carrega-se instantaneamente, e que a descarga seja linear, como mostra a figura 3.5.

46

Figura 3.5

A corrente no capacitor ser dada por: Idc = Q em que: Q = C . V ; t = T = 1 e Idc = Vdc t f R Idc = C . V = C . V . f Vdc = R . C . V . f (1) T interessante observar, pela figura 3.5, que: Vdc Vmx - V V = (Vmx Vdc) . 2 (2) 2 Substituindo (2) em (1), temos: Vdc = R . C . f . (Vmx Vdc) . 2 Vdc = 2 . R . C . f . Vmx 1 + 2 . R . C . f Esta a frmula aproximada para o clculo da tenso mdia na carga. No diodo, a corrente mdia ser: Idc(diodo) = Vdc R 3.2. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA CARGA RC

Figura 3.6

47

Figura 3.7

Com relao tenso reversa mxima aplicada sobre os diodos, para o circuito da figura 3.6 ser de 2.Vmx, e para o circuito da figura 3.7 ser Vmx. Aproximando a forma de onda da carga (figura 3.8) curva da figura 3.9, podemos determinar a frmula aproximada para o clculo da tenso mdia na carga, usando o mesmo procedimento anterior.

Figura 3.9

Porm, nesses retificadores, devemos lembrar que o perodo da tenso na carga a metade do perodo da tenso de entrada. Assim, a tenso mdia na carga dada por: Vdc = 4 . R . C . f . Vmx 1 + 4 . R . C . f Nos diodos, a corrente mdia ser: Idc(diodo) = Vdc

Figura 3.8

48

2.R 3.3. CORRENTE DE PICO NO DIODO EM RETIFICADORES COM

CARGA CAPACITIVA EM REGIME PERMANENTE

Figura 3.10

A corrente total que circula pelo diodo no intervalo (2 - 1), em regime permanente, conforme a figura 3.11, dada por:

Id = Ic + IL

Figura 3.11

A corrente no capacitor : Ic = C . dv em que: v = Vmx . sen t dt Assim: Ic = C . d(Vmx . sen t) = . C . Vmx . cos t dt A corrente na carga ser: IL = Vmx . sen t R Portanto: Id = . C . Vmx . cos t + Vmx . sen t

49

R

Id = 1 . Vmx . ( . R . C . cos t + sen t) (para: 1 t 2) R A equao mostra que o valor da corrente do diodo pode assumir nveis elevados, dependendo do ngulo de conduo. Se desejarmos um ripple muito pequeno, o ngulo 1 ser aproximadamente 90. Alm disso, para que tenhamos um baixo ripple, a constante de tempo RC ter de ser muito grande, ou seja, o capacitor possuir uma descarga lenta, e isto far com que 2 tambm se aproxime de 90. Neste caso, o ngulo de conduo tambm diminuir. Desta maneira, chegamos concluso de que o pico de corrente no diodo ser elevado, pois a corrente mdia que fluir durante todo o ciclo ser obtida do gerador somente durante o intervalo de 1 at 2. Devido a este motivo, recomenda-se no utilizar a capacidade mxima de corrente dos diodos em retificadores com filtro capacitivo. 3.4. CORRENTE DE PICO TRANSITRIA NOS RETIFICADORES COM

CARGA RC

O valor de pico da tenso e da corrente de trabalho nos diodos no deve ultrapassar os valores que o fabricante fornece.

Nas fontes alimentadas pela rede, observa-se que a presena de

transientes, eventualidade que deve ser levada em conta pelo projetista (caso necessrio, colocam-se redes RC de amortecimento em paralelo com os diodos).

O pico de corrente produzido no momento da ligao do retificador

elevado em um circuito com carga capacitiva, pois o capacitor acha-se inicialmente descarregado, comportando-se como um virtual curto-circuito.

A corrente limitada apenas pela resistncia da fonte de alimentao. Por isso, essa resistncia deve assumir um valor de compromisso entre um mnimo que mantm este pico de corrente abaixo do nvel mximo permitido, e um mximo que ainda satisfaa as exigncias de regulao e rendimento do circuito.

50

O valor de Rs normalmente est compreendido entre 1 e 10% da resistncia da carga, para que no venha a interferir na regulao e no rendimento do circuito.

Figura 3.12

Quando o circuito ligado, encontrar o capacitor totalmente descarregado, comportando-se como um curto, e teremos neste instante circulando pelo diodo uma corrente transitria de pico mxima, dada por: IPmx = VSpico (retificador de meia onda) Rs + RD Podemos observar que este valor de corrente corresponde ao pior caso, e desta forma, se o diodo tem condies de suportar tal nvel de corrente, est mais do que garantido o seu perfeito funcionamento, pelo menos no que diz respeito a esta exigncia. O manual do fabricante fornece o valor mximo da corrente de pico transitria (IFSM) que o diodo suporta. Para o caso em que a resistncia do diodo assume um valor muito baixo, podemos desprez-la. Portanto, teremos: Rs = VSpico IFSM

O valor mximo que Rs pode assumir, de modo a no comprometer o rendimento e a regulao do circuito 10% da carga. Logo, o seu valor mximo dado por: RSmx = 0,1 . RL

Para o diodo escolhido, o valor de Rs do transformador deve estar compreendido entre: VSpico < Rs < 0,1 . RL IFSM

RD = resistncia direta do diodo RS = resistncia do enrolamento do secundrio

51

Devido a esta faixa de valores de Rs, a escolha do transformador torna-se mais simples e menos crtica, uma vez que Rs a resistncia do enrolamento secundrio.

4. Estabilizao de Tenso 4.1. DIODO ZENER

O diodo zener uma juno PN de silcio dimensionada para suportar a corrente reversa aps o efeito avalanche sem causar a ruptura.

Podemos dizer que o diodo zener equivalente a uma fonte de tenso CC, quando operando na regio de ruptura, isto , podemos consider-lo como uma fonte CC com uma pequena resistncia interna.

Sua principal vantagem manter a tenso nos seus terminais aproximadamente constante. Seu smbolo mostrado abaixo:

A figura abaixo mostra a curva caracterstica de um diodo zener (grfico I x V), onde na regio de polarizao direta, comea a conduzir por volta de 0,7V, como se fosse um diodo comum.

Na polarizao reversa, enquanto VD < VZ, a corrente reversa mnima, limitada pelas correntes de saturao e de fuga. Ao atingir a regio de avalanche, a tenso reversa VZ permanece praticamente constante para a faixa entre a corrente Zener mnima IZm e a corrente Zener mxima IZM.

Na figura acima, observa-se que na ruptura o joelho (VZ) bastante pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. Podemos observar tambm que a tenso praticamente constante (aproximadamente igual a VZ) em quase toda a regio de ruptura. O valor de VZ geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT.

52

Portanto, na regio de avalanche, o diodo Zener comporta-se como um estabilizador de tenso. Por causa dessa caracterstica, o diodo Zener tambm conhecido por diodo regulador de tenso ( voltage-regulator diode ).

A potncia dissipada por um diodo zener dada pela frmula:

PZ = VZ . IZ

Por exemplo, se VZ = 6,2V e IZ = 12mA, ento: PZ = 6,2V x 12mA = 74,4mW. Desde que a potncia no seja ultrapassada, o diodo zener pode operar dentro da regio de ruptura sem ser destrudo. Muitas vezes na especificao do fabricante inclui-se tambm a corrente mxima que um diodo pode suportar, em funo da mxima potncia que o mesmo pode suportar. Assim:

IZM = PZM / VZ onde:

IZM = mxima corrente de zener especificada PZM = potncia especificada

VZ = tenso de zener

Se quisermos saber a corrente especificada de um diodo zener de 6,2V com uma especificao de potncia de 500mW, ento:

IZM = 500mW / 6,2V = 80,6mA

Isto significa que, se houver uma resistncia limitadora de corrente suficiente para manter a corrente de zener abaixo de 80,6mA, o diodo zener pode operar dentro da regio de ruptura sem se danificar. Levando-se em conta uma tolerncia de 10% (por exemplo), acima ou abaixo do valor de 6,2V, ento aconselhvel para maior segurana recorrer ao procedimento abaixo:

IZM = 500mW / 6,2V(x 1,1) = 73,3mA

Quando um diodo zener est operando na regio de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tenso. Isto significa que o diodo zener tem uma pequena resistncia, que tambm denominada impedncia zener (ZZT), tambm referenciada corrente de teste IZT para medir VZ. Assim por exemplo, para um diodo fictcio 1NZX45, com as

53

especificaes VZT = 12V; IZT = 20mA e ZZT = 5, indica que o diodo zener tem uma tenso de 12V e uma resistncia de 5 para uma corrente de 20mA.

4.2. DIODO ZENER EM CORRENTE CONTNUA

RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

Considere o circuito ao lado, no qual o diodo Zener alimentado reversamente por uma fonte de tenso E constante, sendo E > VZ. O resistor RS tem a funo de limitar a corrente IZ abaixo de IZM (de forma a respeitar as especificaes da corrente mxima), polarizando o diodo Zener na regio de tenso estabilizada.

Pela Lei de Kirchhoff, temos: E = RS . IZ + VZ O valor de RS pode ser determinado por: RS = E VZ IZT

RETA DE CARGA E PONTO QUIESCENTE

Com os valores da tenso E da fonte de alimentao e do resistor RS, podemos definir a reta de carga do circuito e determinar graficamente o ponto quiescente Q do diodo Zener.

A reta de carga pode ser traada a partir dos pontos de corte (corrente nula) e de saturao (tenso nula). Corte IZc = 0 VZc = E Saturao VZs = 0 IZs = E / RS

O ponto quiescente Q (VZQ x IZQ) a interseo da curva do diodo Zener com a reta de carga.

DIODO ZENER COMO DISPOSITIVO ESTABILIZADOR DE TENSO

54

Considere um diodo Zener polarizado reversamente no ponto Q1 pela tenso E1 e por um resistor RS. Se a tenso de entrada aumentar para E2, a reta de carga deslocar-se-, produzindo um novo ponto quiescente Q2.

A grande variao da tenso E produz

uma pequena variao na tenso VZ. Isso significa que o diodo Zener estabiliza em VZ as ondulaes da tenso E de entrada.

EXEMPLO: Considere o circuito abaixo.

A corrente que circula por RS que a prpria corrente que circula pelo diodo zener dada pela frmula:

IRs = (VE - VZ) / RS

Para entender como funciona a regulao de tenso, suponha que a tenso VE varie para 9V e 12V respectivamente. Devemos ento obter o ponto de saturao (interseo vertical), fazendo com que VZ = 0. a) Obteno de Q1 (VZ = 0), temos: I = 9/500 = 18mA b) Obteno de Q2 (VZ = 0), temos: I = 12/500 = 24mA Para obter o ponto de ruptura (interseo horizontal), fazemos IZ = 0. a) Obteno de Q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V b) Obteno de Q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V O grfico ento fica com o aspecto a seguir:

55

Analisando o grfico acima, observa-se que embora a tenso VE varie para 9V e 12V respectivamente, haver mais corrente no diodo zener implicando nas intersees Q1 e Q2.

Portanto embora a tenso VE tenha variado de 9 a 12V, a tenso zener ainda aproximadamente igual a 6V.

Basta para isso comparar a diferena entre Q1 e Q2, onde observa-se

que a tenso de sada permaneceu praticamente constante mesmo que a tenso de entrada tenha variado. Essa a idia de regulao de tenso.

MODELOS EQUIVALENTES PARA O DIODO ZENER A determinao grfica do ponto quiescente nem sempre possvel, pois a curva caracterstica do diodo Zener raramente fornecida pelos manuais dos fabricantes. Porm, um circuito com diodo Zener pode ser resolvido analiticamente, substituindo-o por um modelo equivalente. DIODO ZENER IDEAL DIODO ZENER REAL

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Na primeira aproximao, podemos considerar a regio de ruptura

como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tenso de sada ser sempre constante, embora ocorra uma grande variao de corrente, o que eqivale ignorar a resistncia zener.

Isto implica que em um circuito o diodo zener pode ser substitudo por uma fonte de tenso com resistncia interna nula. Na segunda aproximao isto no ocorre, pois deve ser levada em considerao a resistncia zener. Isto quer dizer que na regio de ruptura a linha ligeiramente inclinada, isto , ao variar a corrente, haver uma variao, embora muito pequena, da tenso de sada.

Na segunda aproximao deve ser levada em considerao a resistncia zener (RZ) em srie com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistncia produzir uma queda de tenso maior. Retornando ao grfico anteriormente analisado, teremos ento: a) Tenso em Q1 ser: V1 = I1 . RZ + VZ b) Tenso em Q2 ser: V2 = I2 . RZ + VZ A variao da tenso de sada ser dada por:

V2 - V1 = (I2 - I1) . RZ ou VZ = IZ . RZ

Deduz-se ento que quanto menor for a resistncia zener, menor ser a variao da tenso de sada.

4.3. CIRCUITO ESTABILIZADOR DE TENSO Como vimos, a grande aplicao do diodo Zener poder estabilizar

uma tenso que sofre variaes, como, por exemplo, aquela proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo, que possui um valor mdio e um ripple.

O circuito estabilizador de tenso formado pela resistncia

limitadora RS e pelo diodo Zener. S que o clculo de RS deve levar em considerao a carga RL que se pretende alimentar, j que ele pode ser varivel.

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ESTABILIZAO DE TENSO COM CARGA VARIVEL

Quando se acrescenta uma carga RL na sada do circuito estabilizador

de tenso com Zener, a corrente proveniente do retificador com filtro se subdivide entre o Zener e a carga.

A parcela que passa pelo Zener deve ser responsvel por mant-lo na regio de estabilizao, isto , IZm < IZ < IZM.

Pela Lei de Kirchhoff para tenses na malha de entrada, temos:

E = RS . (IZ + IL) + VZ

O resistor limitador deve estar compreendido entre RSm < RS < RSM, considerando todos os limites mnimos e mximos das variveis envolvidas no circuito, isto : tenso de entrada (Em e EM), corrente no Zener (IZm e IZM) e corrente na carga (ILm e ILM).

O valor mnimo do resistor limitador RSm deve garantir que a corrente

no Zener seja menor que IZM, mesmo com tenso mxima de entrada EM e corrente mnima na carga ILm.

RSm = EM - VZ IZM + ILm

Geralmente, considera-se ILm = 0, que quando no h carga ligada

na sada. O valor mximo do resistor limitador RSM deve garantir que a corrente

no Zener seja maior que IZm, mesmo com tenso mnima de entrada Em e corrente mxima na carga ILM.

RSM = Em - VZ

IZm + ILM Geralmente, considera-se IZm = IZT, reduzindo a faixa de valores vlidos

para a resistncia limitadora (RSm < RS RSM). Nesse caso, o resistor RS adotado deve ser o mais prximo possvel de RSM.

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5. Transistor de Juno Bipolar 5.1. INTRODUO

O transistor de juno bipolar um dispositivo semicondutor de trs

terminais, formado por trs camadas consistindo de: duas camadas de material tipo "n" e uma de tipo "p" ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n".

O primeiro chamado de transistor npn enquanto que o segundo chamado de transistor pnp.

Atravs de uma polarizao de tenso adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inmeras aplicaes como: chaves comutadoras eletrnicas, amplificadores de tenso e de potncia, osciladores, etc.

O termo bipolar refere-se ao fato dos portadores lacunas e eltrons participarem do processo do fluxo de corrente. Se for utilizado apenas um portador, eltron ou lacuna, o transistor denominado unipolar (FET).

5.2. ESTRUTURA BSICA As figuras abaixo ilustram a estrutura bsica de um transistor, representando um circuito T equivalente com diodos, ligados de tal forma a permitir a identificao da polarizao das junes, as quais so: base-emissor e base-coletor (B-E e B-C respectivamente).

Observa-se que no transistor pnp a juno dos dois catodos do diodo forma a base, que negativa, sendo o emissor e o coletor positivos, enquanto que no transistor npn a juno dos dois anodos forma a base que positiva, sendo o emissor e o coletor negativos. A simbologia utilizada para os transistores de juno mostrada logo abaixo dos circuitos equivalentes "T" com diodos.

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5.3. POLARIZAO Para que um transistor funcione necessrio polarizar corretamente as suas junes, da seguinte forma: 1 - Juno base-emissor : deve ser polarizada diretamente 2 - Juno base-coletor : deve ser polarizada reversamente Esse tipo de polarizao deve ser utilizado para qualquer transistor de juno bipolar, seja ele npn ou pnp. As figuras abaixo ilustram exemplos de polarizao para os dois tipos de transistores:

Observe atentamente nas figuras acima a polaridade das baterias. 5.4. OPERAO BSICA 1 - Juno diretamente polarizada:

A figura abaixo mostra o desenho de um transistor pnp com a polarizao direta entre base e coletor. Para estudar o comportamento da juno diretamente polarizada, foi retirada a bateria de polarizao reversa entre base e coletor.

Transistor npn com polarizao direta entre base e emissor e polarizao reversa entre coletor e base.

Transistor pnp com polarizao direta entre base e emissor e polarizao reversa entre coletor e base.

60

Observa-se ento uma semelhana entre a polarizao direta de um

diodo com a polarizao direta entre base e emissor, onde aparece uma regio de depleo estreita.

Neste caso haver um fluxo relativamente intenso de portadores majoritrios do material p para o material n.

2 - Juno reversamente polarizada:

Passemos a analisar o comportamento da juno reversamente polarizada, conforme mostra a figura abaixo. Neste caso, foi removida a bateria de polarizao direta entre emissor e base.

Observa-se agora, em virtude da polarizao reversa um aumento da regio de depleo semelhante ao que acontece com os diodos de juno, isto , ocorre um fluxo de portadores minoritrios (corrente de fuga nos diodos), fluxo este que depende tambm da temperatura. Podemos ento dizer que uma juno p-n deve ser diretamente polarizada (base-emissor) enquanto que a outra juno p-n deve ser reversamente polarizada (base-coletor).

PORTADORES MAJORITRIOS

REGIO DE DEPLEO

PORTADORES MINORITRIOS

REGIO DE DEPLEO

61

5.5. FLUXO DE CORRENTE Quando um transistor polarizado corretamente, haver um fluxo de corrente, atravs das junes e que se difundir pelas camadas formadas pelos cristais p ou n. Essas camadas no tem a mesma espessura e dopagem, de tal forma que: 1. A base a camada mais fina e menos dopada; 2. O emissor a camada mais dopada; 3. O coletor uma camada mais dopada do que a base e menos dopada do

que o emissor.

Uma pequena parte dos portadores majoritrios ficam retidos na base.

Como a base uma pelcula muito fina, a maioria atravessa a base a se difunde para o coletor.

A corrente que fica retida na base recebe o nome de corrente de base

(IB), sendo da ordem de microampres. As correntes de coletor e emissor so bem maiores, ou seja da ordem de miliampres, isto para transistores de baixa potncia, podendo alcanar alguns ampres em transistores de potncia. Da mesma forma, para transistores de potncia, a corrente de base significativamente maior.

Podemos ento dizer que o emissor (E) o responsvel pela emisso

dos portadores majoritrios; a base (B) controla esses portadores enquanto que o coletor (C) recebe os portadores majoritrios provenientes do emissor.

PORTADORES MAJORITRIOS

PORTADORES MINORITRIOS

REGIES DE DEPLEO

Ico

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A exemplo dos diodos reversamente polarizados, ocorre uma pequena

corrente de fuga, praticamente desprezvel, formada por portadores minoritrios. Os portadores minoritrios so gerados no material tipo n (base), denominados tambm de corrente de fuga e so difundidos com relativa facilidade at ao material do tipo p (coletor), formando assim uma corrente minoritria de lacunas. Lembre-se de que os portadores minoritrios em um cristal do tipo n so as lacunas.

Desta forma a corrente de coletor (IC), formada pelos portadores

majoritrios provenientes do emissor soma-se aos portadores minoritrios (ICO) ou (ICBO).

Aplicando-se a lei de Kirchhoff para corrente (LKT), obtemos:

IE = IC + IB, onde:

IC = IC (PORTADORES MAJORITRIOS) + ICO ou ICBO (PORTADORES MINORITRIOS) Para uma melhor compreenso, a figura a seguir ilustra o fluxo de corrente em um transistor npn, atravs de uma outra forma de representao. No entanto, o processo de anlise o mesmo.

Na figura acima oberva-se que os portadores minoritrios (ICO ou ICBO)

provenientes da base so os eltrons, que se somaro a corrente de coletor.

Verifica-se ainda em relao ao exemplo anterior (transistor pnp), que a corrente de base (IB) tem um sentido oposto, uma vez que, essa corrente

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formada por lacunas. Da mesma forma as correntes de emissor (IE) e de coletor (IC) tambm tem sentidos opostos, por serem formadas por eltrons.

OBS.: Os transistores do tipo pnp e npn so submetidos ao mesmo processo de anlise, bastando para isso, inverter a polaridade das baterias de polarizao e lembrar que: Cristal N - os portadores majoritrios so os eltrons e os minoritrios as lacunas; Cristal P - os portadores majoritrios so as lacunas e os minoritrios os eltrons.

A figura abaixo mostra um circuito com transistor npn.

A juno base-emissor est polarizada diretamente e, por isto, representa uma regio de baixa impedncia. A voltagem de polarizao base-emissor baixa (da ordem de 0,55V a 0,7V para transistores de silcio), polarizao esta, caracterizada pela bateria VEE enquanto que, a juno base-coletor est reversamente polarizada em funo da bateria VCC. Na prtica, VCC assume valores maiores do que VEE.

Como j foi dito anteriormente, a corrente IC o resultado dos portadores majoritrios provenientes do emissor. A corrente de coletor divide-se basicamente em duas componentes: a corrente proveniente do emissor e a corrente proveniente do juno reversamente polarizada coletor-base, denominada ICBO, sendo que esta ltima assume valores extremamente baixos que em muitos casos podem ser desprezados.

A quantidade de corrente que chega no coletor proveniente do emissor depende do tipo de material e dopagem do emissor. Essa quantidade de corrente varia de acordo com o tipo de transistor.

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A constante de proporcionalidade dessa corrente definida como

(alfa)2, de forma que, a corrente de coletor representada por IE. Os valores tpicos de variam de 0,9 a 0,99. Isto significa que parte da corrente do emissor no chega ao coletor3.

Exemplo: Qual a corrente de coletor de um transistor com = 0,95,

sabendo-se que a corrente de emissor 2mA? Soluo:

IC = IE IC = 0,95 . 2mA = 1,9mA

Caso ICBO no seja desprezada, a corrente de coletor dada por:

IC = IE + ICBO ( I )

Como dito anteriormente, parte da corrente do emissor que fica retida na base forma a corrente de base, assim:

IE = IC + IB ( II )

Substituindo ( I ) em ( II ), podemos calcular a corrente de base:

IB = (1 - ) . IE - ICBO = - 1 . IC -

CBOI A relao / (1 - ) representada por (beta)4. Podemos ento estabelecer as relaes:

= - 1

= 1 +

Exemplos:

a) Um transistor possui um fator = 0,92. Qual o fator ? Soluo:

= 0,92 - 1

0,92 = 0,080,92 = 11,5

2 O smbolo hFB algumas vezes usado na lugar de 3 Isto explicvel, pois menor do que 1. 4 O smbolo hFE algumas vezes usado no lugar de

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b) Um transistor possui um fator = 100. Qual o fator ?

Soluo: =

1 + =

101100 = 0,99

Podemos ento estabelecer uma relao entre e .5 Temos ento:

= B

C

II e =

E

C

II

assume valores muito mais elevados em relao a (o valor tpico de

da ordem de 30 a 300). Ento, quanto maior for o valor de , mais o valor de tende a aproximar-se de 1. Assim, levando-se em conta que IC = IE, para um valor de 100, podemos considerar para fins prticos:

IC = IE

5.6. CONFIGURAES BSICAS Os transistores podem ser ligados em trs configuraes bsicas: base comum (BC), emissor comum (EC) e coletor comum (CC). Essas denominaes relacionam-se aos pontos onde o sinal injetado e retirado, ou ainda, qual dos terminais do transistor referncia para a entrada e sada de sinal. BASE COMUM: No circuito a seguir, observa-se que o sinal injetado entre emissor e base e retirado entre coletor e base. Desta forma, pode-se dizer que a base o terminal comum para a entrada e sada do sinal. O capacitor "C" ligado da base a terra assegura que a base seja efetivamente aterrada para sinais alternados. 5 Alguns autores utilizam a notao CC e CC

66

EMISSOR COMUM: No circuito emissor comum, o sinal aplicado entre base e emissor e retirado entre coletor e emissor. O capacitor no emissor "CE" assegura o aterramento do emissor para sinais alternados. CA um capacitor de acoplamento de sinal.

COLETOR COMUM: A figura a seguir mostra um circuito na configurao coletor comum. A configurao coletor comum tambm conhecida como seguidor de emissor. Essa denominao dada devido a tendncia de todo o sinal

CARACTERSTICAS: Ganho de corrente (Gi): < 1 Ganho de tenso (GV): elevado Resistncia de entrada (RIN): baixa Resistncia de sada (ROUT): alta

CARACTERSTICAS: Ganho de corrente (Gi): elevado Ganho de tenso (GV) elevado Resistncia de entrada (RIN) mdia Resistncia de sada (ROUT) alta

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aplicado na entrada estar praticamente presente na sada (circuito de emissor).

O sinal de entrada aplicado entre base e coletor e retirado do circuito de emissor. O capacitor "CC" ligado do coletor a terra assegura que o coletor esteja aterrado para sinais alternados. CA um capacitor de acoplamento de sinal.

As configuraes emissor comum, base comum e coletor comum, so tambm denominadas emissor a terra, base a terra e coletor a terra. Essas configuraes tambm podem ser apresentadas conforme ilustram as figuras abaixo:

5.7. REPRESENTAO DE TENSES E CORRENTES Para representar tenses e correntes em um circuito com transistores, utiliza-se usualmente o mtodo convencional (do + para o -), atravs de setas.

CARACTERSTICAS: Ganho de corrente (Gi): elevado Ganho de tenso (GV): 1 Resistncia de entrada (RIN): muito

elevada Resistncia de sada (ROUT): muito baixa

68

Para as tenses, a ponta da seta aponta sempre para o potencial mais

positivo e as correntes so representadas com setas em sentido contrrio as das tenses.

Podemos por exemplo representar uma tenso entre coletor e emissor por VCE quando o transistor for npn. Isto significa que o coletor mais positivo do que o emissor. Em outras palavras, a primeira letra aps o V (neste caso o coletor) mais positiva do que a segunda letra (neste caso o emissor). Para um transistor pnp a tenso entre coletor e emissor representada por VEC, indicando que o emissor mais positivo do que o coletor. A figura abaixo ilustra dois transistores com polaridades opostas, utilizando essa representao.

Na figura abaixo temos um outro exemplo utilizando essas representaes; observe que as setas que indicam o sentido da corrente so opostas aquelas que indicam as tenses.

Para as tenses VRC (tenso no resistor de coletor) e VRE ( tenso no resistor de emissor), a ponta da seta indica que a tenso na parte superior desses resistores mais positiva do que na parte inferior.

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5.8. POLARIZAO COM UMA NICA BATERIA Temos visto at agora a polarizao de transistores utilizando duas baterias, sendo uma para polarizao da juno base-emissor e outra para a juno base-coletor.

Na maioria das vezes, uma nica bateria pode polarizar um circuito transistorizado, visto que o mesmo comporta-se como um circuito fechado.

As tenses nas junes do transistor e nos componentes externos, como resistores, capacitores, indutores, etc. podem ser calculadas utilizando-se as leis de Kirchhoff para tenso (LKT). Da mesma forma, as correntes podem ser calculadas aplicando-se LKC.

A figura a seguir mostra um transistor com polarizao por divisor de tenso na base. Observe atentamente as indicaes das tenses e das correntes em funo do sentido das setas.

Aplicando-se LKT, podemos obter vrias equaes:

1. VCC - VRC - VCE - VRE = 0 2. VCE -VBE - VCB = 0 3. VCC - VRB1 - VRB2 = 0 4. VRB1 - VRC - VCB = 0 5. VRB2 - VBE - VRE = 0 6. VCC - VRC - VCB - VBE - VRE = 0

Aplicando-se LKC no ponto X, temos:

1. IB = I1 - I2 2. I1 = I2 + IB

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5.9. CURVAS CARACTERSTICAS As curvas caractersticas definem a regio de operao de um transistor, tais como: regio de saturao, regio de corte, regio ativa e regio de ruptura.

De acordo com as necessidades do projeto essas regies de operao devem ser escolhidas. Quando necessitamos de um transistor como chave eletrnica, normalmente as regies de corte e saturao so selecionadas; no caso de transistor operando como amplificador, via de regra, escolhe-se a regio ativa.

A regio de ruptura indica a mxima tenso que o transistor pode suportar sem riscos de danos.

A seguir so mostradas algumas curvas caractersticas, apenas como fim didtico, no sendo obedecido a rigor nenhum tipo de escala. CURVA CARACTERSTICA PARA MONTAGEM EM EMISSOR COMUM

A regio de corte mostrada na rea sombreada, onde IB = 0.

A curva de potncia mxima representa a mxima potncia que pode ser dissipada pelo transistor.

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CURVA CARACTERSTICA PARA MONTAGEM EM BASE COMUM

Observa-se na curva caracterstica para montagem em base comum, que a corrente de emissor controla a corrente de coletor, enquanto que na curva caracterstica para montagem em emissor comum, a corrente de base controla a corrente de coletor.

CURVA CARACTERSTICA PARA MONTAGEM EM COLETOR COMUM

Observe a calibrao dos eixos de tenso e corrente para a montagem em coletor comum, onde a corrente de base controla a corrente de emissor.

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A figura abaixo mostra a curva caracterstica para emissor comum semelhante a vista anteriormente, no entanto, observe a rea sombreada, a qual denominada de rea til, na qual o transistor opera com total segurana.

A regio til delimitada pela curva de potncia mxima6 e conforme dito anteriormente, o transistor trabalha com segurana, no ultrapassando a mxima potncia permitida.

5.10. CIRCUITOS DE POLARIZAO

Apresentaremos a seguir alguns circuitos de polarizao muito utilizados e suas principais caractersticas:

POLARIZAO POR CORRENTE DE BASE CONSTANTE

Tambm denominado de polarizao fixa, um circuito muito utilizado quando deseja-se que o transistor opere como chaveamento eletrnico, com dois pontos bem definidos: corte e saturao. 6 Tambm denominada hiprbole de mxima dissipao.

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Por esse motivo esse tipo de polarizao no utilizado em circuitos

lineares, pois muito instvel, pois uma variao da temperatura provoca uma variao de . Para este tipo de polarizao: IC = IB Para evitar o disparo trmico, adota-se geralmente: VCE = 0,5VCC

POLARIZAO POR CORRENTE DE EMISSOR CONSTANTE

Diferente do caso anterior, procura-se compensar as variaes de

atravs do resistor de emissor.

Assim, quando aumentar, a corrente de coletor aumenta, aumentando tambm a tenso no emissor, fazendo com que haja uma diminuio da tenso de polarizao VBE, reduzindo a corrente de base. Isto resulta numa corrente de coletor menor compensando parcialmente o aumento original de .

Aplicando LKT:

VCC = VRC + VCE + REIE onde: VRC = RCIC Logo:

VCC = RCIC + VCE + REIE

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Adota-se como prtica para garantir a estabilidade trmica sem afetar o

sinal de sada: VRE = 0,1VCC Equaes bsicas:

IB = EB

CC

R RV+ ou ainda: IB =

CI

IE = ( + 1)IB

POLARIZAO POR REALIMENTAO NEGATIVA

Este circuito reduz o ganho, mas em compensao aumenta a estabilidade. Equaes bsicas:

VRE = 0,1VCC

VRC = VCC - (VCE + VRE)

IB = CB

CC

R RV+

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SEGUIDOR DE EMISSOR

O seguidor de emissor tem como caracterstica o ganho de tenso baixo ( 1) Equaes bsicas:

VCE = 0,5VCC

RE = E

CC

I0,5V

IE = IB

IB = EB

CC

R RV+

POLARIZAO POR DIVISOR DE TENSO NA BASE

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A polarizao por divisor de tenso na base ou polarizao universal um dos mtodos mais usados em circuitos lineares.

A grande vantagem desse tipo de polarizao sua estabilidade

trmica (praticamente independente de ). O nome divisor de tenso proveniente do divisor de tenso formado por RB1 e RB2, onde RB2 polariza diretamente a juno base-emissor.

Passemos a analisar como opera esse tipo de polarizao.

Aplicando Thvenin:

Abrindo o terminal da base temos: VTH = B2B1

CCB2

RRV . R+

Ainda com o terminal da base aberto e VCC em curto, temos:

RTH = B2B1

B2B1

RRR . R

+

Isto nos d o circuito equivalente de Thvenin:

OBS: A resistncia equivalente de Thvenin recebe o nome de RBB

enquanto que a tenso equivalente de Thvenin recebe o nome de VBB Aplicando LKT:

VTH - RTHIB - VBE - REIE = 0

Sendo: IB = 1 IE+ , temos: IE =

1 R R

V - VTH

E

BETH

++

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Se RE for 10 vezes maior do que 1 RTH+ , podemos simplificar a frmula:

IE = E

BETH

RV - V

Para se conseguir uma boa estabilidade no circuito utiliza-se a regra 10:1, o que equivale dizer que:

RTH 0,1RE

Apresentamos a seguir algumas regras prticas para a elaborao de um projeto de polarizao por divisor de tenso na base:

VE = 0,1VCC VCE = 0,5VCC VRC = 0,4VCC

RC = 4RE RBB = 0,1RE

RB1 = BB

CCBB

VV . R ou RB1 = RBB .

BB

CC

VV

RB2 = BB B1

BBB1

R-RR . R ou RB2 =

CC

BB

BB

VV - 1

R

Clculo das correntes de emissor, base e coletor Em funo de

IB = 1) (IE+ - ICBO IE = ( + 1)IB + ( + 1)ICBO

IC = IB + ( + 1)ICBO onde: ( + 1)ICBO = ICEO Em funo de : Partindo da equao: IC = IE + ICBO Temos: IE = IC + IB

Logo: IC = (IC + IB) + ICBO

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Portanto: IC = IC + IB + ICBO

Resolvendo: IC - IC = IB + ICBO Colocando IC em evidncia resulta:

IC (1 - ) = IB + ICBO Portanto:

IC = +

-1I

-1I CBOB

5.11. CORRENTES DE FUGA NO TRANSISTOR Existem trs situaes distintas para o transistor: coletor aberto; emissor aberto e base aberta.

IEBO: a corrente entre base e emissor com o coletor aberto. No normal termos esta situao, uma vez que a juno base-emissor de um transistor sempre polarizada diretamente. ICEO: Esta corrente ao contrrio da anterior, tem um elevado significado. Trata-se da corrente entre coletor e emissor com a base aberta.

ICEO = ( + 1)ICBO

Basicamente determina a amplificao de um circuito, conforme ser visto mais adiante. ICBO: Varia com a temperatura, sendo de grande importncia, uma vez que, para cada 10C de aumento de temperatura, essa corrente dobra. a corrente entre coletor e base, com o emissor aberto.

79

5.12. RETA DE CARGA Podemos determinar o ponto de operao de um transistor atravs da reta de carga, definindo em um projeto ou aplicao os parmetros de tenso e corrente. Esse mtodo grfico somente pode ser aplicado se tivermos disponvel a curva caracterstica do transistor, fornecida pelo fabricante. A vantagem da utilizao do mtodo grfico a rapidez na anlise dos pontos de operao de um transistor. No momento abordaremos apenas reta de carga para CC; reta de carga para CA ser abordada posteriormente. Entende-se como ponto de operao, um determinado ponto em que o transistor opera na ausncia de sinal, podendo esse ponto ser escolhido ao longo da reta de carga, se quisermos que ele opere na regio linear, regio de corte ou regio de saturao. Este ponto denominado "ponto quiescente" ou simplesmente "Q". Tomemos como exemplo o circuito a seguir na montagem em emissor comum, onde a curva caracterstica do transistor mostrada ao lado.

Observe as reas sombreadas, que representam as regies de corte e de saturao.

80

Para determinarmos a reta de carga, necessitamos de dois pontos. Atravs da equao VCC = (RC + RE) . IC + VCE, obtemos: 1 ponto: para IC = 0, temos VCC = VCE = 25V 2 ponto: para VCE = 0, temos IC = 20mA 1,25k

25V R R

VEC

CC ==+

Procedimento: Traa-se ento a reta de carga unindo os dois pontos. Para que o transistor opere na regio linear, o ponto Q dever ser o ponto mdio da reta de carga. No nosso exemplo o ponto mdio (bem aproximado) coincidiu com a corrente de base equivalente a 30A. A partir da ento podemos determinar a corrente de coletor e a tenso entre coletor e emissor:

ICQ = 11,25mA VCEQ = 11V IBQ = 30A

Podemos ento calcular o e aplicar LKT para determinar a tenso nos resistores:

= 375 A30

11,25mA IIB

C ==

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Partindo da equao: VCC = VRC + VCE + VRE VRC = (11,25mA).1k = 11,25V VRE = (11,25mA).250 = 2,812V Ento: VCC = 11,25 + 11 + 2,812 = 25,062V 25V Se na mesma curva selecionarmos um ponto quiescente (Q1) mais prximo da regio de saturao, por exemplo IB = 45A, teremos um aumento da corrente de coletor e uma diminuio de VCE; para um ponto quiescente (Q2) mais prximo da regio de corte, por exemplo IB = 10A, teremos uma diminuio da corrente de coletor e um aumento de VCE, conforme ilustra a figura abaixo:

CONCLUSES: 1. Quando um transistor opera na regio de saturao ou bem prxima dela,

a tenso entre coletor e emissor (VCE) tende a zero, pois aumenta consideravelmente a corrente de coletor.

2. Quando um transistor opera na regio de corte ou bem prxima dela, a

tenso entre coletor e emissor (VCE) tende a se igualar a VCC, pois a corrente de coletor tende a zero.

A tenso de saturao tpica para um transistor de silcio da ordem de 150 a 250mV.

82

Podemos ento aplicar LKT referente aos pontos Q1 e Q2, e constatar a variao de ao longo da reta de carga. Para Q1: = 400

A4518mA

IIB

C == VCC = VRC + VCE + VRE = 1k.(18mA) + 2,6 + 250.(18mA) VCC = 18 + 2,6 + 4,5 = 25,1V 25V Para Q2:

= 250 A102,5mA

IIB

C == VCC = VRC + VCE + VRE = 1k.(2,5mA) + 22 + 250.(2,5mA) VCC = 2,5 + 22 + 0,625 = 25,125V 25V 6. Transistor como Chave Eletrnica a forma mais simples de operao de um transistor, pois ao longo da reta de carga so definidos apenas dois pontos: corte e saturao e, portanto, podemos dizer que quando um transistor est saturado, comporta-se como uma chave eletrnica fechada e quando est em corte, como uma chave eletrnica aberta.

Para que efetivamente o transistor opere como uma chave eletrnica, preciso garantir sua saturao para qualquer tipo de transistor, sob todas as condies de funcionamento; variao da temperatura, correntes, , etc.

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Na prtica, ao projetar uma chave eletrnica com transistor, utiliza-se a corrente de base da ordem de 1/10 da corrente de coletor no extremo superior da reta de carga, conforme mostra a figura abaixo:

O valor de 20mA foi escolhido na curva caracterstica e portanto, a corrente de base ser 1/20mA = 2mA. OBS: Na elaborao do projeto, deve-se tomar o cuidado de no ultrapassar os valores mximos especificados pelo fabricante, como corrente de coletor, corrente de base, tenso entre coletor e emissor, potncia de dissipao, etc. Estamos considerando o valor de 20mA plenamente compatvel com nosso exemplo de projeto. Podemos ento definir os valores de RC e RB :

RB = ==== 5,65k 2mA11,3V

2mA0,7 - 12

IV -V

IV

B

BE CC

B

RB

Considerando VCE de saturao = 0, teremos: RC = == 600 20mA12V

IV