Estabilidade Térmica - corradi.junior.nom.br

Eletrônica
Básica
Prof. Eng. Romeu Corradi Júnior
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Anexo 5 –
Análise de Sensibilidade ( Estabilidade e Compensação )
Supondo que o TjB seja substituído por outro de mesmo tipo, os parâmetros sofrerão um certo
desvio, principalmente de β, que pode variar até três vezes de valor para uma dada corrente de
coletor. Deste modo, mantendo-se a corrente de base constante pela rede de polarização de
entrada obtém-se uma significativa variação da corrente de coletor. Um outro fator
extremamente importante é a instabilidade da polarização devido as variações da temperatura.
Com isso, a utilização de circuitos realimentados de polarização devem ser preferivelmente
utilizados, minimizando este problema. Até este momento, o ponto de operação ( Q ), foi
definido para uma dada temperatura ambiente, É necessário que diferentes circuitos de
polarização possam ser comparados quando a sensibilidade em relação as variações das
correntes de fuga, por exemplo. Estas correntes fornecidas por I CBO sendo muito maiores nos
transistores de germânio, que são multiplicados por ( β + 1 ) para configurações emissorcomum e coletor-comum ( resistor de coletor reduzido à zero Ohms ), alterando p ponto Q. O
desvio causado pela temperatura ou substituição de transistores na polarização deve ser o
menor possível, forçando uma menor variação do ponto Q na reta de carga. As fontes de
instabilidade da corrente de coletor são basicamente três:
a. Corrente de saturação reversa I CBO que aumenta com a temperatura, dobrando de valor a
cada 10ºC;
b. Tensão base-emissor ( Vbe ), que decresce na faixa de 2,5 mV/ºC, tanto para silício como
para germânio;
c. Ganho de corrente estático ( β ), que aumenta com a temperatura.
A característica de transferencia de qualquer circuito polarizador é obtida combinando-se:
1- No circuito de base - equaciona-se utilizando a Segunda lei de Kirchhoff ( LKT );
2- Característica de saída para a corrente de coletor considerando-se a temperatura I C = β .I B + (β + 1).I CBO .
Desta forma passaremos a estudar a estabilidade dos circuitos polarizadores quanto à β. A
estabilidade de β é definida como sendo uma relação entre a variação na corrente de coletor e
a variação no próprio valor de β. Assim a variação percentual da corrente de coletor é K vezes
a variação percentual em β; matematicamente temos:
ΔI C
⎛ Δβ
I
ΔI
K = C então podemos escrever : C = K ⎜⎜
Δβ
IC
⎝ β
β
⎞
⎟⎟.
⎠
Obs.: Se K é zero, uma variação em β não produz qualquer mudança na corrente de coletor.
Isso é ideal. O pior caso é um valor unitário para K; neste caso, uma certa mudança percentual
Prof. Corradi
98
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
em β produz a mesma mudança percentual na corrente de coletor. Um exemplo numérico:
Dados: β(min) = 50, β(max) = 150, β(tip) = 100; temos então um Δβ = ±50, para β = 100 temos:
I C = 1 mA e ΔI C = ± 0,5 mA , então :
0 ,5 x10 −3
⎛ 50 ⎞
= K⎜
⎟ ⇒ K =1
3
1x10
⎝ 100 ⎠
Obs.: Podemos verificar que tal circuito é o pior caso para a estabilidade de beta (β). Você deve
recordar da polarização de base fixa comentada anteriormente, naquele momento já havíamos
comentado que o circuito era extremamente dependente das variações de beta e neste ponto
comprovamos as informações transmitidas.
Análise do circuito de estabilidade de beta ( β )
Estamos interessado na estabilidade do ponto de operação e sabemos que o mesmo é
determinado pela análise do circuito dc, assim iremos fazer uma análise mais detalhada em um
circuito com realimentação e verificar a estabilidade de forma geral.
-
circuito para análise: Realimentação do emissor.
Observe o circuito abaixo, aplicando LKT a malha de entrada temos:
VCC = VRB + VBE + VRE
VCC = I B .RB + VBE + I E .RE
VCC = I B .RB + VBE + (I C + I B )RE
VCC − VBE = I B .RB + I B .RE + I C .RE
VCC − VBE = I B (RB + RE ) + I C .RE
VCC − VBE =
IC
β
(RB + RE ) + I C .RE ⇒ eq. A
Obs.: Se o transistor for substituído teremos novos valores de β e corrente de coletor, então
teremos: (β + Δβ ) e (I C + ΔI C ) , assim substituindo estas variações na equação A temos:
Prof. Corradi
99
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
VCC − VBE =
(ΔI C + I C ) (R
(Δβ + β )
B
+ RE ) + (ΔI C + I C ).RE ⇒ eq. B
Subtraindo a equação A da equação B temos:
0=
(ΔI C + I C ) (R
(Δβ + β )
ΔI C
IC
=
Δβ
β
B
+ RE ) − (RB + RE )
IC
β
+ (RE .ΔI C )
1
1 + (β + Δβ )
RE
RB + RE
[β (RB + RE ) + β .RE (β + Δβ )]ΔI C = (RB + RE ).I C .Δβ
Resolvendo em termos de ΔI C / I C , temos:
ΔI C
Δβ
RB + RE
=
.
(RB + RE ) + β .RE + Δβ .RE β
IC
Dividindo toda a equação por (RB + RE ) , temos:
Prof. Corradi
100
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
ΔI C
1
=
I C 1 + (β + Δβ ).
ΔI C
IC
=
Δβ
β
RE
RB + RE
.
Δβ
β
1
1 + (β + Δβ ).
RE
RB + RE
Podemos observar que o primeiro termo da equação nada mais é do que o fator K, assim
temos que:
K=
1
1 + (β + Δβ ).
RE
RB + RE
Isto representa o fator de estabilidade de beta para todos os circuitos transistorizados.
Tabela para os circuitos polarizadores:
Polarização de base
Resistor do emissor = ZERO
Pol. Com realimentação do
“ deduzido no exemplo”
emissor
Pol. Com realimentação do
Rb = Rb ; Re = Rc
coletor
Divisor de tensão
Rb = R1//R2 e Re = Re
K=1
Equação acima
Se houver um R’e fica Re =
Rc + R’e
Correntes de fuga
I CBO - corrente de coletor à base com o emissor aberto;
I CEO - corrente de coletor à emissor com a base aberta.
De regras anteriores podemos escrever : I CEO = I CBO + β .I CBO ⇒ I CEO =
(β + 1).I CBO .
Regras básicas:
a.
I CBO dobra para cada aumento de 10ºC nos TjB’s;
b. então se o aumento da temperatura em ºC é ΔT, o numero de vezes que I CBO dobra é N
então : N = ΔT / 10;
c.
e a corrente de fuga na temperatura mais alta é
d. e consequentemente temos : I 'CEO =
Prof. Corradi
I 'CBO = 2 N .I CBO ;
(β + 1).2 N .I CBO .
101
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Sensibilidade de temperatura
Trata-se de uma relação entre a variação da corrente de coletor e a corrente de fuga, ou seja:
S=
ΔI C
, a dedução desta expressão foge do escopo desta apostila; deixamos a cargo do
ΔI CBO
estudante o desenvolvimento da mesma, assim temos como solução a expressão abaixo:
S=
RE + RB
R
RE + B
1+ β
Compensação de polarização
Escolhida uma determinada polarização dentre as vistas anteriormente, podemos melhorar a
sua estabilidade utilizando-se de características não lineares e de sensibilidade a temperatura
de alguns dispositivos. Estas são denominadas técnicas de compensação. Diferentemente das
técnicas de estabilização de um ponto Q, que mantém a corrente de coletor e a tensão entre
coletor e emissor com a menor variação possível em função da escolha dos resistores de uma
determinada configuração de polarização, a compensação utiliza, diodos e transistores para
melhorar ainda mais o fator de estabilidade.
Compensação por termistores ( dispositivos visto no anexo sobre sensores )
a) Controle de tensão do emissor:
b) Controle de tensão na base:
Prof. Corradi
102
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
c) Compensação utilizando diodos:
d) Compensação de I CBO .
Prof. Corradi
103
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Pesquisa:
1-
Faça uma pesquisa sobre um circuito estabilizador de tensão com saída variável e com
proteção contra curto-circuito, mas que utilize somente resistores, diodos, diodos zener e
transistores.
2-
Faça uma pesquisa sobre as características elétricas dos seguintes circuitos integrados
reguladores de tensão: 7805, 7905, 7812, 7912 e LM 317. Mostrar três exemplos práticos:
uma fonte de tensão positiva, uma fonte de tensão simétrica e uma fonte de tensão
ajustável empregando estes dispositivos.
3-
Faça uma pesquisa sobre fonte de corrente estabilizada que utilize apenas um diodo
zener, um transistor e resistores de limitação e polarização.
Prof. Corradi
104
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
ANEXO 6 –
Características básicas dos principais componentes utilizados nesta apostila
1- Código de cores para resistores de 4 e 5 faixas
Se seu resistor tem quatro faixas, as primeiras duas faixas são números, a terceira faixa é o
multiplicador, e a Quarta faixa é a tolerância, e se seu resistor tem cinco faixas, as primeiras
três são números, a Quarta faixa é o multiplicador, e a quinta faixa é a tolerância. Se não existir
a faixa para a tolerância, a tolerância é de ± 20% do valor do resistor. Nota – atualmente devido
ao avanço tecnológico você não irá encontrar resistores com essa tolerância, somente em
equipamento muito antigos em torno de mais de 20 anos. Assim para encontrar o valor do
resistor você deve tomar os primeiros números e multiplicar pelo fator de multiplicação e assim
você terá o valor do resistor em Ohms.
Prof. Corradi
105
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
2- Diodos Semicondutor
Características:
Diodos de Germânio
Código
I F (mA)
VRRM (V )
Uso
AA 119
AAZ 18
OA 70
OA 95
AA 113
AA 116
AA 117
1N 34
1N 60
35
180
50
50
25
45
500
15
40
45
20
22,5
115
65
30
115
60
50
Detetor de AM – discriminador FM e TV
Uso geral e comutação
Detetor de vídeo
Uso geral
Detetor AM/FM
Detetor AM/FM
Uso Geral
Uso Geral
Uso Geral
Prof. Corradi
106
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Principais encapsulamento:
I F [A ]
1
V RRM [V ]
50 - 100
1N4001
(50V)
1N4002
(100V)
200
400
600
800
1N4003
1N4004
1N4005
1N4007
1000
1200
1600
(DO-7)
12
12F20”
12F100”
(DO-4)
12FR20’
12FR100’
40
40HF10”
40HF60”
(DO-5
40HFR10’
40HFR60”
“ – Cátodo rosqueado
‘ – Ânodo rosqueado
Importante: - As correntes de condução direta citadas nos dispositivos de montagem
rosqueada são os valores nominais máximos. As informações do fabricante devem sempre ser
consultadas já que, em alguns casos, os dispositivos precisam ser resfriados a ar
artificialmente para que a corrente nominal máxima citada possa ser obtida.
Prof. Corradi
107
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
DIODOS ZENER
Tolerância de 5%
Principais encapsulamento
Fabr.
V Z N [V ]
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
Philips
National National
Cod.
Cod.
Cod.
BZX79C BZX55C BZX85C
400 mW 500 mW
1,3 W
2V4
2V7
3V0
3V3
3V3
3V3
3V6
3V6
3V6
3V9
3V9
3V9
4V3
4V3
4V3
4V7
4V7
4V7
5V1
5V1
5V1
5V6
5V6
5V6
6V2
6V2
6V2
6V8
6V8
6V8
7V5
7V5
7V5
Philips
Cod.
BZV85C
1,3 W
Philips
Cod.
BZT03C
3W
_
Cod.
1N53
5W
33B
5V1
5V6
6V2
6V8
7V5
7V5
35B
36B
37B
38B
39B
41B
42B
43B
8,2
9,1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
8V2
9V1
10
11
12
44B
46B
47B
48B
49B
13
13
13
13
13
13
50B
15
15
15
15
15
15
52B
16
16
16
16
16
16
53B
Prof. Corradi
Semicron Semicron
Cod.
Cod.
BZY93C BZY91C
20 W
75 W
7V5#
7V5R
8V2
9V1
10
11
12#
12R
13#
13R
15#
15R
16
10
12
15#
15R
108
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
18
18
18
18
18
18
55B
20
20
20
20
20
20
57B
22
24
22
24
22
24
22
24
22
24
22
24
59B
27
27
27
27
27
27
61B
30
33
36
39
30
33
36
39
30
33
30
33
36
30
33
36
39
30
33
36
39
63B
64B
65B
66B
43
47
51
56
62
68
75
43
47
51
56
62
68
75
82
91
100
43
47
51
56
62
68
75
82
91
100
110
120
130
150
160
180
200
220
270
47
56
75
120
130
150
160
180
200
220
270
68B
69B
70B
72B
73B
74B
75B
77B
78B
79B
18#
18R
20#
20R
22
24#
24R
27#
27R
30
33
36
39#
39R
43
47
51
56
62
68
75
18
24
30
33
36
43
47
51
68
75
83B
84B
86B
88B
# DISPONÍVEL DA FORMA NORMA ( CÁTODO ROSQUEADO )
SUFIXO “R” INDICA TIPO COM POLARIDADE INVERTIDA (REVERSE).
Seleção de Zeners de potência como diodos supressores de surto
Os zeners de potência das séries BZY93 e BZY91 descritos acima são extremamente rápidos
no ceifamento, comutam em menos de 5 ns e, portanto, são recomendados para o uso em
supressores de transientes bem como reguladores de tensão.
Os supressores são normalmente escolhidos com uma tensão de separação igual à tensão de
regime estável da linha na qual serão usados. A tensão de separação é a tensão reversa
máxima que pode ser aplicada sem provocar dissipação reversa significativa.
Nota: Na prática, a tensão de separação de um dispositivo é “ 3 estágios abaixo” na série da
tensão zener exibida no sufixo. Por exemplo, um BZY91-C15 deve ser usado como regulador
de tensão numa linha de 15 V, e como supressor de transiente numa linha de 11 V.
Prof. Corradi
109
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Outros Zeners:
500 mW
Tipo
1N746
1N747
1N748
1N749
1N750
1N751
1N752
1N753
1N754
1N755
1N756
1N757
1N758
1N962
1N759
1N964
1N965
1N966
1N967
1N968
1N969
1N970
1N971
1N972
1N973
encapsulamento DO-35
Zz @ Iz
Iz (mA)
max (Ω)
20
28
20
24
20
23
20
22
20
19
20
17
20
11
20
7
20
5
20
6
20
8
20
16
20
17
11,5
9,5
20
50
9,5
13
8,5
16
7,8
17
7
21
6,2
25
5,6
29
5,2
33
4,6
41
4,2
49
3,8
58
Diodos Zener
Tensão
Zener
VZn
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
8,2
9,1
10
11
12
13
15
16
18
20
22
24
27
30
33
1W
Tipo
1N4728
1N4729
1N4730
1N4731
1N4732
1N4733
1N4734
1N4735
1N4736
1N4737
1N4738
1N4739
1N4740
1N4741
1N4742
1N4743
1N4744
1N4745
1N4746
1N4747
1N4748
1N4749
1N4750
1N4751
1N4752
encapsulamento DO-41
Zz @ Iz
Iz (mA)
max (Ω)
76
10
69
10
64
9
58
9
53
8
49
7
45
5
41
2
37
3,5
34
4
32
4,5
28
5
25
7
23
8
22
9
19
10
17
14
15,5
16
14
20
12,5
22
11,5
23
10,5
25
9,5
35
8,5
40
7,5
45
Teste da junção PN com ohmímetro
Prof. Corradi
110
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Transistores
Principais encapsulamento
Prof. Corradi
111
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Teste com ohmímetro
Algumas dimensões dos principais encapsulamento ( em mm )
Prof. Corradi
112
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
Nomenclatura de Transistores
Identificação dos transistores e outros dispositivos semicondutores ( Código Europeu )
Exemplo: código com duas letras, três números e uma letra final – ( BC 548C )
1- Significado da primeira letra:
A : dispositivo com uma ou mais junção constituído por cristais de germânio;
B : dispositivo com uma ou mais junções constituído por cristais de silício;
C : dispositivo constituído de cristais de arsenieto de gálio ( GaAs );
D : dispositivo constituído de cristais de antimoneto de índio;
R : dispositivo com junções que utilizam materiais como empregados em células
fotocondutoras e geradores de efeito Hall ou materiais compostos; por exemplo Sulfeto de
Cádmio.
2- Significado da Segunda letra:
A : diodos detetores, diodos de comutação e diodos de baixo sinal;
B : diodos varicap ( diodos de capacitância variável );
C : transistores para áudio freqüência de baixa potência;
D : transistores para áudio freqüência de média potência;
E : diodo túnel;
F : transistores para rádio freqüência de baixa potência;
G : diversos, miscelâneas, dispositivos múltiplos;
H : prova de campos magnéticos ( sensores );
Prof. Corradi
113
Eletrônica – Dispositivos de estado sólido
K : gerador Hall;
L : tiristores de rádio freqüência de potência;
N : foto acoplador;
P : foto dispositivo ( detetor de radiação );
Q : gerador de radiação ( diodos emissores de luz );
R : SCR de baixa potência, dispositivo de controle e comutação;
S : transistores para comutação de baixa potência;
T : tiristores de potência;
U : transistores de comutação de potência;
X : diodos varicap ( multiplicadores );
Y : diodos retificadores;
Z : diodos de referência ou reguladores ( zeners ); com a terceira letra W indica que o
dispositivo é um supressor de transientes.
Obs.: Os números após as duas primeiras letras são utilizados apenas para ordenação; sem
significado técnico. Exemplo: de 100 à 999 – destinados a dispositivos comerciais.
3- Significado da ultima letra
Esta ultima letra tem a finalidade de indicar o ganho do dispositivo, para os transistores de
pequena potência, e para os de média potência indica a tensão entre o coletor e emissor com
base em aberto.
Transistores de baixa potência
Letra
A
B
C
-
hFE
125 à 260
250 à 500
450 à 900
-
Transistores de média potência
Letra
A
B
C
D
E
V CEO
100 V
200 V
300 V
400 V
500 V
Obs.: Norma Americana – Indicação: 1NXXX – diodos
2NXXX – transistores
Prof. Corradi
114