UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus

UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Curitiba – DAELN
BREVE HISTÓRICO SOBRE O TRIODO
O triodo é um dispositivo eletrônico de amplificação comumente conhecido como tubo de
vácuo (vacuum tube) ou válvula. É composto por três eletrodos: Catodo aquecido (via um filamento
incandescente), Anodo (ou placa) e a Grade de controle. O dispositivo original foi patenteado em
1908 por Lee De Forest.
O aquecimento do catodo faz com que este libere elétrons, formando uma nuvem eletrônica
ao redor do mesmo. Aplicando no catodo uma polaridade negativa, este funciona como um Emissor
de elétrons. Os elétrons são acelerados em direção ao anodo ou placa com tensão positiva elevada
(centenas de volts), que funciona como um Coletor de elétrons. A função principal da grade (ou
grelha) de controle é controlar a passagem do fluxo de elétrons (corrente entre o catodo e o anodo).
Ela é construída com fios em forma de grade para facilitar a passagem da corrente, porém conforme
sua polarização pode reduzir e até bloquear totalmente a corrente.
Exemplo de um Amplificador de Sinal com Triodo.
Prof. Sérgio Francisco Pichorim
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FUNDAMENTOS DO TRANSISTOR E AMPLIFICADORES
O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone por Bardeen e Brattain em
1947. Também, em 1948, Shockley desenvolveu pesquisas sobre semicondutores e o transistor. Os
três foram laureados com o Nobel de Física em 1956. O termo TRANS-ISTOR vem de transfer
resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.
Transistor Bipolar (ou de Duas Junções)
Tipo NPN
Outra possibilidade é a construção PNP que produz um transistor de funcionamento idêntico
ao NPN, apenas observando que todas as tensões devem ter polaridades invertidas e as correntes
circulam em sentido contrário.
Duas equações elementares:
IC + IB = IE
VCB + VBE = VCE
Para o funcionamento do Transistor como Amplificador a junção Base-Emissor deve ser
polarizada Diretamente, ou seja, VBE=0,7V para o transistor de silício. No entanto, a junção
Coletor-Base deve estar sempre polarizada INVERSAMENTE!
Relação Saída / Entrada
A figura ao lado mostra a relação de IC e
VCE para alguns valores fixos de IB.
Efeito Transistor Æ Observa-se que uma
pequena corrente de Base (IB na ordem
de dezenas de µA) controla uma grande
corrente de Coletor (IC na ordem de mA)!
Fator de Amplificação da Corrente
HFE ou β =
IC / IB
Alguns Multímetros fazem a medição direta
deste parâmetro nos transistores.
No gráfico ao lado, por exemplo,
para VCE=5V e IB=20µA, IC será 2,2 mA e β = 110.
Prof. Sérgio Francisco Pichorim
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O Transistor como Chave Eletrônica
Na saturação (linha em vermelho) tem-se altos valores de IC e baixos de VCE, ou seja,
baixas resistências (reta quase vertical). Aqui o transistor se comporta como uma “chave ligada”.
No corte (linha em azul) tem-se baixos valores de IC e altos de VCE, ou seja, altas
resistências (reta quase horizontal). Aqui o transistor se comporta como uma “chave desligada”.
CORTE Î Quando VBE << 0,7 V (IB=0)
a “chave” está Desligada (transistor em
Corte). Assim, IC = 0 e VCE é máximo
(=VCC).
SATURACAO Î Quando VBE ≥ 0,7 V a
“chave” está Ligada (transistor Saturado).
Assim, IC é máximo e VCE ≈ 0.
Para tal, IB ≥ ICMÁXIMO / HFE
Exemplo: Acionamento do LED Infra-Vermelho de um Controle Remoto.
Saída dos Dados
Chaveamento do LED
Prof. Sérgio Francisco Pichorim
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AMPLIFICADOR GENÉRICO
FONTE
DE
SINAL
Rs
Vs
Ii
Zo
Vi
Entrada
Io
Zi
Avo . Vi
Vo
Saída
Carga
RL
AMPLIFICADOR
Parâmetros internos de um amplificador: Impedância de entrada (Zi), impedância de saída
(Zo) e a amplificação ou ganho de tensão Avo (saída em aberto, open). Uma fonte de sinal na
entrada (Vs e Rs) determina a tensão e a corrente na entrada (Vi e Ii). Uma carga na saída (RL)
determina a tensão e a corrente na saída (Vo e Io). Eis as equações:
Ii = Vi / Zi
Io = Vo / RL
Vi = Vs . Zi / (Rs+Zi)
Ganho de Tensão com Carga
Ganho de Corrente com Carga
Av = Vo / Vi
Ai = Io / Ii
ou
ou
Av = Avo . RL / (Zo+RL)
Ai = Av . Zi / RL
UM EXEMPLO DE AMPLIFICADOR COM TRANSISTOR
+ Vcc
Alimentação
RC
RB
Vi
Saída
Entrada
Co
Vo
Ci
RE
Através dos resistores RB e RE tem-se a polarização adequada das junções C-B e B-E. O
resistor de coletor determina a tensão no coletor (ou VCE). Os capacitores Ci e Co permitem a
entrada e saída do sinal alternado (Vi e Vo) no transistor. Entretanto eles bloqueiam a saída ou
entrada da tensão contínua (CC).
Análise de Corrente Contínua.
Para a corrente contínua os capacitores podem ser considerados como “circuito em aberto”.
Assim, a corrente IB contínua passa por RB:
IB =
Vcc − Vbe
RB + β .RE
lembrando que Vbe é 0,7 V para o transistor de silício.
A corrente IC contínua passa por RC, como IC = β .IB
tem-se:
VRE + VCE + VRC = Vcc ∴ VCE = Vcc − IC.RC − IE.RE .
Considerando IC≈IE Æ VCE = Vcc − IC.( RC + RE ) .
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Tendo sido determinados os valores de IC, VCE e IB contínuos pode-se consultar as Folhas
de Dados Técnicos (Datasheet) do fabricante do transistor para conhecer seus parâmetros de
sinais. Os dois parâmetros principais são o hfe e o hie, ganho de corrente e a impedância entre
base-emissor, respectivamente. Estes parâmetros compõem o modelo Híbrido Simplificado do
transistor na configuração EC (Emissor-Comum), conforme figura abaixo.
Circuito Interno
Equivalente do
Transistor
Exemplo de valores dos parâmetros de sinal (H) para um transistor comercial:
Análise de Corrente Alternada (Pequenos Sinais).
Para sinais alternados os capacitores podem ser considerados aproximadamente como
“curto-circuito” (suas reatâncias Xc devem se muito menores que as resistências do circuito).
Assim, o sinal de entrada Vi chega à base do transistor e o sinal do coletor chega à saída Vo.
Desta forma as impedâncias de entrada e saída e o ganho de tensão sem carga são:
Zi = RB //[hie + (hfe.RE )]
Avo =
Zo = RC
− RC
.
R E + (hie / hfe)
O ganho apresenta valor negativo, ou seja, quando o sinal Vi está no semi-ciclo positivo o
sinal Vo está no negativo e vice-versa. Assim este amplificador é dito Inversor de Fase. O ganho
negativo não significa perda ou atenuação. Isso ocorre apenas quando o ganho (em módulo) é
menor que UM!
Por exemplo, na figura a seguir tem-se um sinal de entrada Vi em um amplificador de 10
mV de pico e um sinal de saída de 70 mV de pico com uma inversão de fase. Ou seja, o ganho de
tensão vale –7.
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Tensão (mV)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10 0
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
Vo
Vi
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
Tempo (ms)
A utilização do capacitor CE
Uma forma de aumentar o ganho do amplificador em análise é colocar um capacitor (CE)
em paralelo com o resistor de emissor RE. Este capacitor não irá alterar em nada a Análise de
Corrente Contínua já apresentada, no entanto, irá “curto-circuitar” o resistor RE na Análise de
Corrente Alternada. Assim, os novos valores de impedâncias e ganho ficam:
Zi = RB // hie
Zo = RC
Avo =
− RC
(hie / hfe)
A dedução completa destas equações e o desenvolvimento das equações de outras
configurações de amplificadores com transistor podem ser encontradas em detalhes em:
•
•
•
Capítulos 4, 7 e 8 de Dispositivos Eletrônicos, Boylestad & Nashelsky.
Capítulo 10 de Eletrônica, A. P. Malvino, volume 1.
Capítulo 4 de Microeletrônica, Sedra & Smith.
A tabela seguinte apresenta um resumo com algumas configurações mais utilizadas. Os
valores de re e β podem calculados por:
β = hfe
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re = hie / hfe
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ALGUMAS CONFIGURAÇÕES DE AMPLIFICADORES COM TRANSISTOR BIPOLAR
Configuração
Emissor Comum com pol. divisor de
tensão e com CE
Ganho de Tensão
Impedância de
sem Carga (Avo)
Entrada (Zi)
Média
Alto
− RC
re
R1 // R2 // β .re
− RC
( RE + re)
Média
R1 // R2 // β .(re + RE )
Baixa
Alto
RC
re
Coletor Comum
RC
Alta
O mesmo circuito anterior mas SEM o Baixo
capacitor CE
Base Comum
Impedância de
Saída (Zo)
Média
Baixo (<1)
RC
Média
RC
RE // re
Alta
R1 // R2 // β .Rx
≅1
Rx = re + ( RE // RL )
RL = carga do
amplificador
Baixa
 Ry

RE // 
+ re 
 β

Ry = RS // R1 // R2
Rs = resistência da
fonte de sinal na
entrada.
Sergio Francisco Pichorim
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sois
Prof. Sérgio Francisco Pichorim
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