AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE

Curso de Formação Profissional Técnico em
Eletroeletrônica – Módulo II
Senai Arcos-MG
Instalação e Manutenção
de Sistemas Eletrônicos
Analógicos
Raphael Roberto Ribeiro Silva
Técnico em eletroeletrônica pelo INPA – Arcos
Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga
CFP Eliezer
Vitorino Costa
1
Transistor
O transistor é um componente eletrônico de três terminais,
constituído de material semicondutor.
Um dos terminais recebe a tensão elétrica e o outro envia o sinal
amplificado. O terminal do meio é o responsável pelo controle desse
processo, pois a corrente elétrica entra e sai pelos outros dois terminais
somente quando é aplicada tensão elétrica ao terminal do meio.
Transistor de Junção Bipolar - TJB
O transistor é formado por 3 regiões de material semicondutor
dopado, chamados de emissor, coletor e base.
Emissor: região composta por material semicondutor fortemente dopado
do tipo N, ou seja, uma região com muitos elétrons livres.
Coletor: é a maior região constituída por material semicondutor do tipo
N. ela é bem mais fortemente dopada do que a base e menos fortemente
dopada que o emissor e tem elétrons livres.
Base: região estreita e composta de material semicondutor fracamente
dopado do tipo P. apresenta algumas poucas lacunas na sua camada de
valência.
Transistor de Junção Bipolar - TJB
Transistor Polarizado
Um transistor não polarizado pode ser visto como dois diodos um de
costa para o outro. Cada diodo tem uma barreira de potencial de
aproximadamente 0,7 V. quando você conecta uma fonte de tensão
externa no transistor, obtém circulação de corrente em diferentes partes
do transistor.
Ao ser polarizado o emissor fortemente dopado tem a seguinte
função: emitir ou injetar elétrons livres na base. A base fracamente
dopada tem também uma função bem definida: passar os elétrons
injetados pelo emissor para o coletor. O coletor tem esse nome porque
coleta ou captura a maior parte dos elétrons da base.
Corrente no Transistor
No transistor existem três tipos de correntes:
•
•
•
Corrente no emissor 𝐼𝐸 ;
Corrente no coletor 𝐼𝐶 ;
Corrente na base 𝐼𝐵 ;
Relação das correntes
𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵
𝛼𝐶𝐶
𝐼𝐶
=
𝐼𝐸
𝛽𝐶𝐶 =
𝐼𝐶
𝐼𝐵
Exercícios
1 – Um transistor tem uma corrente do coletor de 10 mA e uma corrente
de base de 40 µA. Qual é o ganho de corrente no transistor?
Resposta: 250
2 – Qual é o ganho de corrente no transistor do exercício 1 se sua
corrente de base for igual a 50 µA?
Reposta: 200
3 – Um transistor tem uma corrente do coletor de 2 mA. Se o ganho de
corrente for de 135, qual será a corrente de base?
Reposta: 14,8 µA
4 – Um transistor tem um ganho de corrente de 175. se a corrente da
base for de 0,1 mA, qual será a corrente do coletor?
Reposta: 17,5 mA
Exercícios
5 – Qual é a região do transistor NPN que tem dopagem mais forte e
muitos elétrons livres?
6 – Qual é a região do transistor que pode dissipar mais potencia por ter
maior área?
7 – Por que 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵 ?
Configurações do Transistor
Configuração
Emissor Comum
Base Comum
Coletor Comum
Impedância
entrada
média
Baixa
Impedância saída
Média
Alta
Baixa
Ganho de tensão
Médio
Alto
Baixo
Ganho de
corrente
Médio
Baixo
Alto
Alta
Ganho de
potência
Alto
Baixo
Médio
Desvio de fase
180º
0º
0º
Configurações do Transistor
• Base Comum (Ganho em tensão, sem ganho em corrente).
• Emissor Comum (Ganho em tensão e corrente).
• Coletor Comum (Ganho em corrente, sem ganho em tensão).
Transistor – Emissor Comum
A montagem de um transistor em emissor comum é um estágio
baseado num transistor bipolar em série com um elemento de carga. O
termo "emissor comum" refere-se ao fato de que o terminal do emissor do
transistor ter uma ligação "comum", tipicamente a referência de 0V ou
Terra. O terminal do coletor é ligado à carga da saída, e o terminal da
base
atua
como
a
entrada
de
sinal.
O circuito do emissor comum é constituído por uma resistência de
carga RC e um transistor NPN; os outros elementos do circuito são
usados para a polarização do transistor e para o acoplamento do sinal.
Os circuitos emissor comum são utilizados para amplificar sinais de
baixa voltagem, como os sinais de rádios fracos captados por uma
antena, para amplificação de um sinal de áudio ou vídeo
Transistor – Emissor Comum
Características de um amplificador com
transístor em emissor comum:
IMPEDÂNCIA DE ENTRADA (Ze):É igual ao
quociente entre a tensão de entrada e a corrente
de entrada. A impedância de entrada está
compreendida entre 10KΩ e 100KΩ
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA (Zs): É igual ao
quociente entre a tensão CA do sinal de saída
(Es), quando a saída esta em vazio e a corrente
CA do sinal de saída (Is), quando a saída está
em curto-circuito. A impedância de saída esta
situada entre 10KΩe 100KΩ.
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE (Ai): é o
quociente entre a corrente CA do sinal de saída
e a corrente CA do sinal de entrada. A
amplificação de corrente está compreendida
entre
10
e
100
vezes.
Transistor – Coletor Comum
O circuito com um transístor com coletor comum possui um ganho de
tensão muito próximo da unidade, significando que os sinais em CA que
são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída,
assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser
controlada pelo transistor. O circuito possui um ganho de corrente típico
que depende em grande parte do hFE do transistor. Uma pequena
mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança muito maior
na corrente de saída enviada à carga. Deste modo, um terminal de
entrada com uma fraca alimentação pode ser utilizado para alimentar
uma resistência menor no terminal de saída. Esta configuração é
comumente utilizada nos estágios de saída dos amplificadores Classe B
e Classe AB, o circuito base é modificado para operar o transístor no
modo classe B ou AB. No modo classe A, muitas vezes uma fonte de
corrente ativa é utilizada em vez do RE para melhorar a linearidade ou
eficiência.
Transistor – Coletor Comum
Características de um amplificador
com transístor em coletor comum:
IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: de
100KΩ a 1MΩ .
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: de 50Ω a
5000Ω.
AMPLIFICAÇÃO
DE
CORRENTE: de 10 a 100 vezes.
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: é
menor do que 1. Neste tipo de
amplificador não há amplificação de
tensão.
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: de
10 a 100 vezes.
RELAÇÃO DE FASE: não há
desfasamento entre a tensão do sinal
de saída e a tensão do sinal de
entrada.
Transistor – Base Comum
A ligação de um transístor em base comum é uma configuração de
um transístor na qual sua base é ligada ao ponto comum do circuito.
Esta montagem é utilizada de forma menos frequente do que as outras
configurações em circuitos de baixa de baixa frequência, é utilizada para
amplificadores que necessitam de uma impedância de entrada baixa.
Como
exemplo
temos
o
pré-amplificador
de
microfones.
É utilizado para amplificadores VHF e UHF onde a baixa capacitância da
saída à entrada é de importância crítica.
Os parâmetros α (Alfa) e β (Beta) de um transístor bipolar Quando
um transístor bipolar é ligado em base comum, o quociente entre a
corrente de coletor (Ic) e a corrente de emissor (Ie) recebe o nome de
GANHO DE CORRENTE ESTÁTICO DA MONTAGEM BASE COMUM, e
é indicado pela letra grega α (ALFA).
Transistor – Base Comum
Características de um amplificador
com transístor em base comum:
IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: entre 10Ω
e 100Ω .
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: entre 100KΩ e
1MΩ .
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: é um
pouco inferior à unidade (entre O,95 e
O,99).Portanto, neste tipo de circuito não
há amplificação de corrente.
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: entre 500
e 5.000 vezes.
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: entre
100 e 1.000 vezes.
RELAÇÃO
DE
FASE:
não
há
desfasamento entre a tensão do sinal de
saída e a tensão do sinal de entrada.
Transistor Darlington
O Darlington não é mais do que a ligação de vários transistores com
a finalidade de aumentar o ganho.
O ganho (HFE) total do Darlington é a multiplicação dos ganhos
individuais de cada um dos transistores.
Vantagens:
Maior ganho de corrente.
Tanto o disparo como bloqueio são sequenciais.
A queda de tensão em saturação é constante.
Desvantagens:
Utilização apenas com médias frequências e médias potências.
Transistor Darlington
Foto transistor
O foto transistor não é mais do que um transístor bipolar em que a luz
incide sobre a base.
O seu funcionamento não difere do funcionamento do transístor
bipolar, no entanto, a base é polarizada pela luz.
Tem um tempo de resposta maior e é mais sensível que o fotodiodo.
Tem uma enorme utilização nos acopladores ópticos que têm a
função de isolar eletricamente circuitos diferentes. O acoplador óptico é
composto por um díodo emissor de luz (LED) e um foto transístor.
Foto transistor
Curva Característica
As curvas características de transistores mostram como estes
componentes se comportam quando temos uma polarização fixa de sua
base e a tensão de coletor varia. A corrente de coletor vai variar em
função do seu ganho gerando uma família de curvas
Defeitos Comuns
Quando ocorre um defeito em um transistor, em geral são grandes
problemas como curto ou circuito aberto. Os curtos podem ocorrer
quando um componente queima. Defeitos como esses produzem
grandes variações nas correntes e tensões. Em qualquer um dos casos a
tensão no coletor será aproximadamente zero porque não há tensão de
alimentação no coletor.
Um outro defeito possível é um resisto de base aberto, o que faz com
que a corrente de base caia a zero. Isso força a corrente do coletor a
também cair a zero e a tensão coletor-emissor aumentar para 15 V, o
valor da tensão de alimentação do coletor.
Transistor
Transistor
Transistor
Grandezas Elétricas
GRANDEZA ELÉTRICA
UNIDADE
SÍMBOLO
Potência
Watt
W
Potencial Elétrico
Volt
V
Corrente Elétrica
Ampére
A
Resistência Elétrica
Ohm
Ω
Capacitância Elétrica
Farad
F
Indutância Elétrica
Henry
H
Frequência
Hertz
Hz
Segundos
s
Período
Diodo
O diodo é um semicondutor formado pela união de material dopado
do tipo P com um material do tipo N, formando uma junção PN.
Um dos principais usos dos diodos é a transformação da corrente
alternada em corrente continua.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
A corrente fornecida pelas empresas energéticas são alternadas, ou
seja, mudam sua polaridade entre positivo e negativo com uma
frequência de 60 Hz. Porém, a maioria dos aparelhos eletrônicos que
utilizamos funciona somente com corrente contínua, ou seja, uma só
polaridade. Dizemos que o diodo funciona como uma chave fechada
(resistência zero) para uma polaridade da tensão de entrada e como uma
chave aberta (resistência infinita) para a polaridade oposta.
Sendo assim, a função do diodo em um circuito é deixar passar a
corrente elétrica em apenas uma polaridade.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
O
gráfico
mostra a tensão de
entrada do diodo
oscilando entre o
positivo
e
o
negativo.
O
gráfico
mostra a tensão de
saída do diodo.
Agora ela tem
apenas polaridade
positiva.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
O diodo é construído a partir de materiais semicondutores, como o
silício ou o germânio, que são fundidos para criar uma junção PN, sendo
que P representa a polaridade positiva e N, a negativa. A polaridade
positiva P de um diodo é onde há falta de elétrons, sendo essa região
também chamada de lacuna ou buraco. A parte negativa N possui
excesso de elétrons.
A condução de corrente elétrica dependerá da forma como o diodo
está polarizado, podendo ser de duas formas:
•
•
Polarização direta;
Polarização inversa.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
Polarização direta: Nesse tipo de polarização o polo positivo da fonte de
tensão está conectado ao lado P do diodo. Isso faz com que o lado
positivo torne-se ainda mais positivo, e o lado N, ainda mais negativo. As
cargas elétricas conseguem atravessar a barreira de potencial existente
entre o lado P e o lado N do diodo, portanto, há condução de corrente;
Funcionamento do Diodo Semicondutor
Polarização inversa: O terminal positivo da fonte de tensão é conectado
ao lado N da junção PN do diodo. Isso faz com que a barreira de
potencial aumente. Nesse caso, a resistência do circuito é muito alta, e a
corrente elétrica não consegue atravessá-la.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
Temos que ter cuidado quando vamos polarizar um diodo
reversamente, pois existe um valor de tensão máxima que cada diodo
suporta estando polarizado desta forma, que é a tensão de ruptura. Se a
tensão reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura, o
mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipação
de calor.
O motivo desta condução destrutiva na ruptura é um efeito conhecido
como avalanche. Quando o diodo está polarizado reversamente, circula
pelo mesmo uma pequena corrente reversa causada pelos portadores
minoritários. Um aumento na tensão reversa pode acelerar estes
portadores minoritários, causando choque destes com os átomos do
cristal. Estes choques podem desalojar elétrons de valência, enviando-os
para a banda de condução, somando-se aos portadores minoritários,
aumentando ainda mais o número de elétrons livres e consequentemente
de choques. O processo continua até ocorrer uma avalanche de elétrons
(alta corrente elétrica), que causará a destruição do diodo.
Funcionamento do Diodo Semicondutor
A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada
valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa
o diodo. O gráfico completo é representado abaixo:
Exercícios
1 – Dado os circuitos abaixo, calcule a tensão em cada diodo e em cada
resistor e a corrente em cada ramo. Considerar diodo de silício.
a)
c)
b)
d)
Tiristor
O nome Tiristor vem do termo grego "thyr" (que significa porta) e
engloba uma família de dispositivos semicondutores multicamadas, que
operam em regime de chaveamento, tendo em comum uma estrutura de
no mínimo quatro camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N
(três junções semicondutoras), apresentando um comportamento
funcional biestável.
Os tiristores permitem por meio da adequada ativação do terminal de
controle, o chaveamento do estado de bloqueio para estado de
condução, sendo que alguns tiristores permitem também o chaveamento
do estado de condução para estado de bloqueio, também pelo terminal
de controle.
Como exemplo de tiristores, podemos citar o SCR, o TRIAC e o
DIAC.
SCR
O SCR (Silicon Controlled Rectifier) se assemelha a um diodo pelo
fato da corrente poder fluir pelo dispositivo em um único sentido,
entrando pelo terminal de anodo e saindo pelo terminal de catodo. No
entanto, difere de um diodo, porque, mesmo quando o dispositivo está
diretamente polarizado, ele não consegue entrar em condução, enquanto
não ocorrer a ativação do seu terminal de controle (terminal denominado
porta, ou gate em inglês).
Ao invés de usar um sinal de permanência continua na porta (como
nos transistores) como sinal de controle, os tiristores são comutados ao
ligamento pela aplicação de um pulso ao terminal de porta, que
normalmente pode ser de curta duração. Uma vez comutado para o
estado de ligado, o tiristor SCR permanecerá por tempo indefinido neste
estado, enquanto o dispositivo estiver diretamente polarizado e a
corrente de anodo se mantiver acima de um patamar mínimo.
SCR
Os SCR's são empregados em corrente alternada como retificadores
controlados e, quando utilizados em corrente contínua, comportam-se
como chaves. O SCR é apenas um tipo de tiristor, mas devido ao seu
disseminado uso na indústria, muitas vezes os termos tiristor e SCR são
confundidos.
TRIAC
Um TRIAC (TRIode for Alternating Current) é um componente
eletrônico equivalente a dois retificadores controlados de silício
(SCR/tiristores) ligados em antiparalelo e com os terminais de disparo
(gate) ligados juntos. Este tipo de ligação resulta em uma chave
eletrônica bidirecional, que pode conduzir a corrente elétrica nos dois
sentidos.
Um TRIAC pode ser disparado tanto por uma corrente positiva
quanto negativa aplicada no terminal de disparo. Uma vez disparado, o
dispositivo continua a conduzir até que a corrente elétrica caia abaixo do
valor de corte. Isto torna o TRIAC um conveniente dispositivo de controle
para circuitos de corrente alternada, que permite acionar grandes
potências com circuitos acionados por correntes da ordem de
miliamperes.
TRIAC
Também podemos controlar o início da condução do dispositivo,
aplicando um pulso em um ponto pré-determinado do ciclo de corrente
alternada, o que permite controlar a percentagem do ciclo que estará
alimentando a carga (também chamado de controle de fase).
O TRIAC de baixa potência é utilizado em várias aplicações como
controles de potência para lâmpadas dimmers, controles de velocidade
para ventiladores, entre outros. Contudo, quando usado com cargas
indutivas, como motores elétricos, é necessário que se assegure que o
TRIAC seja desligado corretamente, no final de cada semi-ciclo de
alimentação elétrica. Para circuitos de maior potência, podemos utilizar
dois SCRs ligados em antiparalelo, o que garante que cada SCR estará
controlando um semiciclo independente, não importando a natureza da
carga.
TRIAC
DIAC
O DIAC (DIode for Alternating Current) é um gatilho bidirecional ou
diodo que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida
e para de conduzir quando a corrente elétrica cai abaixo de um valor
característico, chamado de corrente de corte. Este comportamento é o
mesmo nas duas direções de condução de corrente. A tensão de disparo
é por volta dos 30 volts para a maioria destes dispositivos.
O DIAC é normalmente usado para disparar TRIACs e SCRs.
Como um DIAC é um gatilho bidirecional, seus terminais não são
marcados como anodo ou catodo mas a maioria é marcada como A1 ou
MT1 e A2 ou MT2.
DIAC
IGBT
O
nome
IGBT
significa
Insulated
Gate
Bipolar
Transistor ou, Transistor Bipolar de Porta Isolada. O IGBT é
um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento
dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs
apresentando baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente.
O IGBT destaca-se por possuir alta eficiência e rápido chaveamento.
Atualmente é muito utilizado em equipamentos modernos como carros
elétricos ou híbridos, trens, aparelhos de ar condicionado e fontes
chaveadas de alta potência. Devido a seu projeto que permite rápido
chaveamento
(liga/desliga),
encontra
aplicação
também
em amplificadores e geradores que necessitam sintetizar formas de onda
complexa através de PWM e filtros passa-baixa. O IGBT não pode
conduzir na direção inversa.
IGBT
Circuito Integrado
Circuito integrado (ou simplesmente C.I.) é um circuito eletrônico que
incorpora miniaturas de diversos componentes (principalmente
transistores, diodos, resistores e capacitores), "gravados" em uma
pequena lâmina (chip) de silício. O chip é montado e selado em um bloco
(de plástico ou cerâmica) com terminais que são conectados aos seus
componentes por pequenos fios condutores.
Com as mais diversas funções e aplicações na indústria, presente
tanto nos produtos eletrônicos de consumo quanto nos seus processos
de produção, os circuitos integrados, assim como outros componentes,
estão disponíveis em diversos formatos e tamanhos (encapsulamentos),
que também determinam a forma como serão fixados nas placas de
circuito impresso. Podem ser montados na superfície da placa, sem
atravessá-la (Surface Mount Technology "SMT", ou Surface Mount
Device "SMD"), ou podem ser montados com seus terminais
atravessando a placa (Thru Hole, ou PTH).
Circuito Integrado
Circuito Integrado
Circuito Integrado
CI – Família Lógica
A partir do surgimento do transistor, procurou-se padronizar os sinais
elétricos correspondentes aos níveis lógicos. Esta padronização
ocasionou o surgimento das famílias de componentes digitais com
características bastante distintas.
As famílias lógicas diferem basicamente pelo componente principal
utilizado por cada uma em seus circuitos. As famílias TTL (TransistorTransistor Logic) e ECL (Emitter Coupled Logic) usam transistores
bipolares como seu principal componente, enquanto as famílias PMOS,
NMOS e CMOS usam os transistores unipolares MOSFET (transistor de
efeito de campo construído segundo a técnica MOS - Metal Oxide
Semicondutor) como seu elemento principal de circuito.
Atualmente a Família TTL e a CMOS são as mais usadas, sendo
empregadas em uma grande quantidade de equipamentos digitais e
também nos computadores e periféricos. Dessa forma, essas serão as
famílias abordadas.
Família Lógica TTL
TTL significa Transistor-Transistor – Logic (Lógica TransistorTransistor). A tensão de alimentação se restringe a 5V contínuos, tendo,
porém, uma faixa de tensão correspondente aos níveis lógicos 0 e 1.
Esta família é principalmente reconhecida pelo fato de ter duas séries
que começam pelos números 54 para os componentes de uso militar e
74 para os componentes de uso comercial.
Os CIs da série TTL 74-padrão oferecem uma combinação de
velocidade e potências consumidas adequadas a um grande número de
aplicações. Entre os CIs desta série, podemos encontrar uma ampla
variedade de portas lógicas, flip-flops, construídos segundo a tecnologia
SSI, além
de registradores
de deslocamento, contadores,
decodificadores, memórias e circuitos aritméticos, construídos com a
tecnologia MSI.
Família Lógica TTL
Família Lógica CMOS
CMOS significa Complementary Metal Oxide Semiconductor
(Semicondutor de Óxido-Metal Complementar), usa tanto FETs canal-N
quanto canal-P no mesmo circuito, de forma a aproveitar as vantagens
de ambas as famílias lógicas.
As características principais desta família são o reduzido consumo de
corrente (baixa potência), alta imunidade a ruídos e uma faixa de
alimentação que se estende de 3V a 15V ou 18V dependendo do
modelo.
O processo de fabricação do CMOS é mais simples que o do TTL,
possuindo também uma densidade de integração maior, porém são mais
lentos do que os TTL, apesar da nova série CMOS de alta velocidade
competir em pé de igualdade com as séries TTL 74 e 74LS.
A família CMOS possui, também, uma determinada faixa de tensão
para representar os níveis lógicos de entrada e de saída, porém estes
valores dependem da tensão de alimentação e da temperatura ambiente.
Família Lógica CMOS
4000/14000: foram as primeiras séries da família CMOS, são bastante
utilizadas, apesar do aparecimento de novas séries, pelo fato de
implementarem diversas funções ainda não disponíveis nas novas séries.
74C: compatível, pino a pino e função por função, com os dispositivos
TTL de mesmo número. A performance desta série é quase idêntica à da
série 4000.
74HC (CMOS de Alta Velocidade): versão melhorada da 74C, o principal
melhoramento é o tempo de comutação (em torno de 10 vezes maior),
bem como a capacidade de suportar altas correntes na saída. A
velocidade dos dispositivos desta série é compatível com a velocidade
dos dispositivos da série TTL 74LS.
Família Lógica CMOS
74HCT: CMOS de alta velocidade. A principal diferença entre esta série e
a 7HC é o fato de ela ser desenvolvida para ser compatível em termos de
tensões com dispositivos da família TTL. Ou seja, os dispositivos 74HCT
podem ser alimentados diretamente por saídas de dispositivos TTL.
Compatibilidade: Ao contrário da família TTL, que é produzida com as
mesmas características elétricas por todos os fabricantes, a CMOS,
embora padronizada em sua numeração, apresenta grandes variações
na capacidade de saída e velocidade de operação, de um fabricante para
outro. Algumas vezes, até as funções sào diferentes e incompatíveis,
com o que deve-se ter muito cuidado.
Transistor
Texto
Transistor
Texto