a07-08-o-transistor-de-junçã-2015-10-21

8/17/2019 A07-08-O-Transistor-de-Junçã-2015-10-21

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O Transistor de Junção 2012-01-27Sinais elétricos e amplificadores

Vimos que uma fonte elétrica é caracterizada por duas grandezas: sua forçaeletromotriz E e sua resistência interna

i R . Imagine agora uma fonte construída de tal

forma que estas características possam mudar com o tempo. Uma maneira simples deconstruir isto seria com ajuda de interruptores ouchaves. A figura 1 mostra uma fonte cuja forçaeletromotriz pode mudar entre os valores

( ) 10Vt =E e ( ) 0t ′ =E , dependendo da posição da

chave. Podemos imaginar também fontes com forçaeletromotriz continuamente variável como aquela dafigura 2. Estas fontes temporalmente variáveis são

fontes de sinais elétricos. Um sinal elétrico pode serusado para transmitir informação. Por exemplo, a

fonte da figura 1poderia ser ligada numa campanhinha elétrica dentro deuma casa e o interruptor fica fora da casa. Cada vez queum visitante coloca a chave na posição A a campanhinhatoca e desta forma transmite a informação que umvisitante chegou. Um exemplo de uma fonte contínua desinais elétricos é um microfone. O microfone é umequipamento que transforma um sinal acústico num sinalelétrico. Por outro lado, um alto-falante é umequipamento que faz a transformação inversa: eletransforma um sinal elétrico num sinal acústico.

Poderíamos pensar numa transmissão deinformação da seguinte forma: num ponto A um microfone capta a fala de uma pessoae transforma o sinal acústico num sinal elétrico. Este sinal elétrico é levado por dois fioscondutores para um ponto B muito distante onde um alto-falante converte este sinal denovo num sinal acústico que seria audível para uma grande platéia (figura 3).

Infelizmente este esquema dafigura 3 não funcionará. Em geral os

sinais elétricos gerados por ummicrofone são bastante fracos e o alto-falante requer um sinal elétrico forte. O quequeremos dizer com sinal fraco ou forte? O que significa fraco e forte neste caso é apotência envolvida. Sabemos (mostre-o !) que a potência máxima, que podemos tirar deuma fonte elétrica é dada por

2

maxi

P R

= E

(1)

Se o microfone fornece maximamente uma potência de um miliwatt e o alto-falanterequer uma potência de 500 W, a platéia não ouvirá nada com o esquema da figura 3.Para poder realizar a idéia da transmissão da fala para a grande platéia precisamos umamplificador . Um amplificador substitui um sinal elétrico fraco por um sinal forte, masde tal forma que as características que envolvem a informação contida no sinal sejam

10 V

A

B

Fig. 1 Fonte variável cominterruptor

10 V

Fig. 2 Fonte variávelcom potenciômetro

Fig. 3 Alto-falante ligado a ummicrofone

alto-falantemicrofone


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2

essencialmente mantidas. Por exemplo, o amplificador poderia substituir a função

( )t E por uma proporcionalmente maior mantendo a mesma resistência interna:

( )( )

força eletromotriz resistência interna

antigo sinal :sinal amplificado:

i

i

t R A t R

E

E

(2)

onde o fator de amplificação A seria algum número maior que 1. Com a equação (1)podemos concluir que a potência máxima que pode ser obtida do sinal cresceria pelofator 2 A . Outro tipo de amplificador frequentemente usado é um que abaixa aresistência interna mantendo a mesma força eletromotriz:

( )

( )

força eletromotriz resistência interna

antigo sinal :

1sinal amplificado:

i

i

t R

t R

B

E

E

(3)

com B>1 poder-se-ia aproveitar mais potência do novo sinal do que do sinal original.

Os amplificadores parecem violar a conservação de energia substituindo umsinal fraco por um sinal forte. Mas não há violação da conservação de energia. Oamplificador precisa de uma fonte de energia separada do sinal a ser amplificado.

Os elementos essenciais de um amplificador são os elementos ativos. Estes sãoos componentes que realmente amplificam um sinal. Eles podem ser comparados comtorneiras ou registros de água. Sabemos que podemos abrir uma torneira com facilidadeusando pouco esforço e provocar com nosso movimento um forte jato de água. Oselementos ativos da eletrônica funcionam exatamente desta forma. Os primeiros

elementos ativos foram as válvulas. Nestes dispositivos gera-se uma corrente deelétrons num tubo de vácuo e esta corrente pode ser regulada com campos elétricos. Asválvulas têm hoje um campo muito limitado de aplicação. A grande maioria doselementos ativos da eletrônica hoje em dia são transistores. Existem dois tipos detransistores: os transistores de junção e os transistores de efeito campo. Na prática dehoje vamos conhecer o transistor de junção. Trata-se de um elemento que tem trêsconectores elétricos chamados de emissor (E), base (B) e coletor (C). Existem doistipos de transistor de junção, os transistores NPN e os transistores PNP. Nos transistoresNPN o emissor deve ser ligado num pólo negativo e o coletor num pólo positivo e nostransistores PNP a polaridade é inversa. A figura 4 mostra os sinais que se usam pararepresentar transistores NPN e PNP em esquemas eletrônicos. Botamos as letras E, B e

C para indicar emissor (E), base (B) ecoletor (C). Mas em esquemas eletrônicosestas letras não são em geral indicadas.Pessoas treinadas reconhecem osrespectivos terminais pelo desenho: oemissor é o terminal com uma seta quelembra um símbolo de diodo e a basetermina perpendicularmente num traçogrosso.

Fig. 4 Representação simbólica de

transistores NPN e PNP.

E

C

B

E

C

B

NPN PNP


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3

A 07 Experimentos básicos com um transistor NPN.

A figura 5 mostra um transistor de junção ligado num pequeno circuito com doisamperímetros. Um potenciômetro (trimpot) é posto no circuito que serve para injetaruma pequena corrente B I na base do transistor. Esta corrente funciona como a

alavanca da torneira de água. O trajeto da água na torneira seria aqui o trajeto coletor –emissor. Se botarmos a posição do contato móvel do potenciômetro na posição 0 nãoteremos corrente na base e nem no coletor. Mas se levantarmos o ponto móvel dopotenciômetro aparecem correntes, sendo a corrente C I muito maior que a corrente

B I . Por exemplo, existem transistores para os quais C I seria 300 vezes maior que a

corrente B I . Este fator de proporcionalidade entre estas correntes chama-se fator de

amplificação de corrente do transistor. Frequentemente este parâmetro é escrito como

FE h .

C

BFE

I h

I = (4)

Fig. 5 Circuito teste com umtransistor para medir o fator deamplificação de corrente.

Tarefa 1: Monte o circuito da figura 5 usando o transistor número 1 na placa de testefornecida. Varie a posição do potenciômetro e meça os valores de B I e C I para um

número suficientemente grande de posições do potenciômetro para poder elaborar umbom gráfico que mostre a correlação de B I com C I . A partir do gráfico determine o

fator de amplificação do transistor.

Tarefa 2: Vimos nesta primeira tarefa experimental que a corrente no coletor éaproximadamente proporcional à corrente na base e ela é muito maior. Mas como seráque esta corrente depende da voltagem aplicada no transistor? Para ver esta dependênciamonte o circuito da figura 6 usando o transistor 1.

A

A

E

B

CI B

0

10V

I C

-

+

22 kΩ

2

2 0

k Ω

0,91

500Ω


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4

Fig. 6 Circuito teste com umtransistor para medir adependência entre C I e CEV

para uma dada corrente debase.

Coloque o contato móvel doreostato (potenciômetro) de

10 kΩ na posição extrema tal que a resistência deste resistor variável seja praticamentenula e regule no trimpot de 220kΩ uma corrente de base tal que a corrente no coletorseja aproximadamente igual a 2 mA≈ . Para variar a voltagem aplicada no transistor

CEV você pode agora alterar a posição do contato móvel do reostato de 10 kΩ . Mas

faça isto sem alterar a posição do potenciômetro de 220kΩ ! Cubra o intervalo devoltagens 9V até 0,1V com um número suficiente de medidas para poder elaborar umbom gráfico que mostre a corrente C I em função de CEV .

Tarefa 3: Monte o circuito da figura 7 e faça medidas que permitam elaborar umgráfico que correlacione as voltagens

BT V com

ET V . Descreva o resultado verbalmente

(olhe para a diferença BT ET V V − ).

Fig. 7 Circuito teste com umtransistor para comparar ospotencias da base e doemissor.

Tente finalmente descrever os resultados das três experiências verbalmente. Em qualaspecto a analogia com a torneira de água não funciona bem?

EB

C

0

10V

-

+

V V V ET.V BT

22 kΩ

2 2 0

k Ω0,91

5 0 0 Ω

EB

C

0

10V

-

+V

.

22 kΩ

2 2 0

k Ω

A

V CE

5 0 0 Ω

0,91

10 kΩ


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5

A 08 Uma teoria muito simplificada de amplificadores com transistores de junção .

Transistores de junção podem ser usados para montar vários tipos diferentes deamplificador. Aqui vamos discutir dois tipos. Começaremos com um amplificador devoltagem.

Imagine que tenhamos uma fonte de voltagem variável no tempo que forneçauma voltagem ( )V t . Queremos substituir este sinal elétrico por um maior mantendo a

informação contida na função ( )V i . Vamos aplicar esta voltagem na base de um

transistor. Mas como ( )V t pode ser menor que 0,7V e pode inclusive ser negativo, não

seria adequado aplicarmos ( )V t diretamente entre base e terra (= pólo negativo da

bateria no caso de transistor NPN). Vimos na última experiência que existe uma relaçãobem simples entre potencial na base e no emissor desde que o potencial na base sejamaior que 0,7V (tomando o potencial do pólo negativo da bateria como potencial zero).Para garantir que a diferença de potencial entre base e terra fique sempre maior que

0,7V temos que ligar a fonte da voltagem ( )V t em série com alguma fonte devoltagem DC que mantém uma diferença de potencial 1V . O valor de 1V deve ser

escolhido tal que ( )1 BV V V t = + seja sempre maior que 0,7V. O resto do amplificador

é bem simples: Temos uma bateria de força eletromotriz 0V que alimenta o transistor.

O emissor e o coletor são ligados aos terminais da bateria através de dois resistores E R

e C R como mostrado na figura 8.

Fig. 8 Esquema de umamplificador de voltagem

com transistor NPN.

Vimos na última experiência que o potencial no emissor EV segue fielmente o

potencial da base BV . Temos aproximadamente

E B 0,7VV V ≈ − (5)

A equação (5) vale desde que B 0,7VV > . A explicação desta equação é a seguinte: o

trajeto Base – Emissor é simplesmente um diodo. Se tentássemos levantar o potencialda Base, a corrente iria crescer exponencialmente (lembre da curva I xV do diodo). Masuma corrente elevada no Emissor provocaria uma maior queda de potencial no resistor

E R , o que elevaria o potencial do Emissor até que a diferença de potencial BEV fiquepequena.

V (t )

V 1

V B

V E

V saída

V 0

I E

I BI C

R E

R C


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6

Conhecendo o potencial EV podemos usar a lei de Ohm para determinar a corrente no

emissor:( ) 1B

EE E

0,70,7 V t V V V V I

R R

+ −−= = (6)

O transistor tem pouca capacitância e praticamente não armazena carga elétrica. Portanto, podemos tratá-lo como um nó:

E B C I I I = + (7)

Deste que tenhamos uma diferencia de potencial suficientemente grande (> 0,5V) entreemissor e coletor, vale C B I I >> . Então podemos fazer a aproximação

( ) 1C E

E

0,7V t V V I I

R

+ −≈ = (8)

Aplicando a lei de Ohm no resistor do coletor vemos que há uma queda de potencial

C C R I neste resistor. Então o potencial do terminal de saída será

( ) ( )

( )

1saída 0 C

E

C

E

0,7

.

V t V V V t V R R

Rconst V t

R

+ −= − =

= −

(9)

A parte temporalmente variável deste potencial é proporcional ao sinal ( )V t . O fato

que a constante de proporcionalidade é negativa não importa para muitas aplicações.Nos casos em que esta inversão de fato seja importante, podemos utilizar um segundotransistor e introduzir mais um sinal negativo para a recuperação da fase original. O queimporta é que C E / R R pode ser escolhido maior que 1. Existem limitações para este

fator de amplificação. Se escolhermos C E / R R grande demais esbarraremos emlimitações oriundos do domínio de validade das equações (5) e (8). Também podemocorrer instabilidades que levariam a oscilações. Aliás, esta era a razão pela qualutilizamos um resistor de 500Ω no emissor nas experiências 1 e 2.

O amplificador junto com a bateria de alimentação pode ser considerado umafonte com força eletromotriz

( ) ( )C1saída 0 CE E

0,7 RV V t V R V t

R R

−= − −

E (10)

Olhamos até agora somente para a força eletromotriz desta fonte. Temos que olhartambém para a resistência interna da fonte.

Fig. 9 Teste de resistênciainterna de uma fonte.

Para testar a resistência interna de uma fonte podemosligar a fonte numa resistência carga carga R . O nome

resistência carga é linguagem usual da engenharia.No caso carga não se refere à carga elétrica, mas éusado no sentido de ônus ou fardo. A voltagem nosterminais de uma fonte de força eletromotriz E eresistência interna i R quando ligado num resistor

carga R

seria (lembre do divisor de voltagem!)

R iR cargaV

E


7/12

7

carga

i carga

RV

R R=

+E (11)

Desta relação obtemos a resistência interna da fonte:

i carga1 R RV

= −

E (12)

Para poder julgar o valor da resistência interna da saída do amplificador, vamosconsiderar um resistor de carga ligado na saída, como indicado na figura 10.

Fig. 10 Amplificador ligado aum resistor de carga.

Temos

saída2

carga

V I

R

= (13)

e 1 2 C I I I = + . A queda de potencial no resistor C R é agora dado pela corrente 1 I .

Correspondentemente temos para o potencial de saída:

( ) 1saídasaída 0 C

carga E

0,7V t V V V V V R

R R

+ −= − +

(14)

Resolvendo isto para saídaV obtemos:

( )( )

10 C

saídaE

saídaC carga C carga

0,7

1 / 1 /

V t V V V R

t R

V R R R R

+ −−

= =+ +

E

(15)

Inserindo este resultado na fórmula da determinação de resistência interna (12) obtemos

i(saída) C R R= (16)

Então, se queremos um fator de amplificação C E / R R grande e para isto escolhemos um

C R grande, temos que pagar um preço: a resistência interna da saída do amplificador se

torna grande. Muitas vezes um valor grande da resistência interna da saída de umamplificador não é aceitável. Isto acontece quando se pretende usar o amplificador com

uma carga (no sentido de ônus) de resistência interna pequena (lembre do princípio decasamento de resistências internas que deve ter sido discutido nas aulas teóricas).

V (t )

V 1

V B

V E

V saída

V 0

I E

I BI C

R E

R C

R carga

I 1I 2


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8

Este problema nos leva ao segundo tipo de amplificador que pode ser realizadocom um transistor de junção. A figura 11 mostra um esquema deste tipo deamplificador. De novo ligamos o sinal a ser amplificado em série com uma fonteauxiliar na base do transistor. Mas desta vez a saída do amplificador não é no coletormas no emissor. Na figura já mostramos o resistor de carga que representa oequipamento que usará o sinal amplificado. Este pode por exemplo ser um alto-falante.Estamos prevendo que a fonte do sinal a ser amplificado tenha uma resistência interna

i R . O funcionamento deste amplificador é simples: O potencial na base BV é dado por

( )B 1 i BV V t R I = + −E (17)

Em condições normais de operação sabemos então que o potencial na saída é

( )saída 1 i B 0,7VV V t R I = + − −E (18)

Se desprezarmos a pequena corrente de base completamente, vemos que a voltagem de

saída segue fielmente a força eletromotriz da fonte da entrada, mas a corrente na suamaior parte não precisa vir da fonte de entrada mas ela vem do coletor. A voltagem nãoé amplificada, mas este amplificador reduz a resistência interna. Para avaliar estaredução da resistência interna mais quantitativamente vamos agora considerar a correntede base na equação (18).Temos

( )E B C B1 FE I I I h I = + = + (19)

e

aídaE

carga

V I

R= (20)

Então vale

( )saída

Bcarga1 FE

V I

h R=

+ (21)

Inserindo isto na (18) e resolvendo para saídaV obtemos:

( )

( )

1saída

i

carga

0,7V+

1+1

FE

V t V

R

h R

−=

+

E (22)

A saída do amplificador se comporta como uma fonte de força eletromotriz

( ) ( )saída 1 0,7V+t V t = −E E (23)

e (compare com a equação (12) ) de resistência interna

( )i

i saída 1+ FE

R R

h= (24)

Então este amplificador reduz a resistência interna pelo fator 1+ FE h .


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9

Fig. 11 Redutor deresistência interna.

O ideal para aplicaçõespráticas é uma combinaçãodos dois tipos deamplificador. Num primeiropasso a voltagem éamplificada e no final aresistência interna é reduzida.

Esta tarefa de juntar vários amplificadores nos obriga a falar de mais um assunto. Umpequeno detalhe precisa ser retificado na nossa teoria dos amplificadores.Em toda discussão dos amplificadores usamos fontes auxiliares em série com as fontesde entrada. Seria pouco prático encher um aparelho eletrônico com dúzias de bateriasauxiliares. Existe uma forma de substituir estas fontes auxiliares por divisores devoltagem. A figura 12 mostra uma possibilidade que funciona com sinais alternados(AC).

Fig. 12 Acoplamento de umafonte através de umcapacitor.

A idéia deste esquema ébaseada na hipótese que ocapacitor seja muito grandede tal forma que a diferençade potencial nas placas domesmo praticamente nãomuda nas oscilações da força

eletromotriz da fonte. Comesta hipótese e com um pouco de análise de circuitos pode-se mostrar que o potencial nabase do transistor é dado por

( ) ( )( )3 3 2B 0

3 2 i 3 2 3 2

R R RV V t

R R R R R R R≈ + −

+ + +E E (25)

onde E é a média temporal da força eletromotriz da fonte de entrada e( )

( )1

31

1

1FE E

FE E

R h R R

R h R

+=

+ + (26)

Com 1FE

h >> e com E

R não exageradamente pequeno temos 3 1 R R≈ . A equação (25)

tem essencialmente a mesma forma que se obtém botando a fonte em série com uma

V 1

V B

V 0

I B

V saída R carga

E (t )R i

V saída

V 0

I B

R E

R C

C R 2

R 1E (t )

R i


10/12

10

bateria auxiliar. Especialmente com { }i 2 3min , R R R


11/12

11

B

E

C

Fig. 14 Transistor Darlington

O Transistor de junção como interruptor.No Amplificador da figura 13 tomamos o cuidado de operar os transistores num regimetal que os sinais de saída estejam relacionados com os de entrada de formaaproximadamente linear. Para um amplificador de som esta condição é importante. Masesta maneira de operar um transistor tem certas desvantagens. Para poder alterar os

potenciais do coletor ou emissor continuamente numa ampla faixa temos que operar otransistor de tal forma que haja normalmente certa diferença de potencial ECV de alguns

volt entre emissor e coletor e que tenha uma corrente C I razoavelmente grande fluindo

no coletor. Nesta condição o transistor dissipa permanentemente a potência

Transistor EC CP V I = . Isto corresponde a um gasto de energia e cria problemas de

resfriamento. Você deve ter notado que o transistor 3 está acoplado a um dissipador decalor. Sem este dissipador o transistor 3 correria perigo de estragar com o uso doamplificador da figura 13.Existe uma forma de utilizar os transistores que apresenta muito menos gastos deenergia dentro do transistor. O truque é variar ECV e C I de tal forma que

Transistor EC CP V I = é sempre pequeno. O transistor é mantido em somente dois estados:

estado ligado com EC 0V ≈ e C I grande

estado desligado com ( )EC Alimentação grandeV V ≈ = e C 0 I ≈

A configuração básica para este tipo de operação é mostrada na figura 15

Fig. 15 Transistor comointerruptor.

Podemos pensar neste circuito como um amplificador de voltagem com fator de

amplificação ( C E / R R ) infinito. O resistor lim R serve para limitar a corrente da base.Geralmente usa-se um valor em torno de 300Ω a 500Ω para este resistor. O trajeto

EB

C10V

-

+

entrada

saída

R lim

R pb

R C


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12

base – emissor é nada mais do que um diodo. A corrente neste diodo iria adquirirvalores gigantes se o potencial da base fosse levado acima de 0,7V. Isto iria destruir otransistor e possivelmente também a fonte de sinal da entrada. É extremamenteimportante lembrar da necessidade deste resistor de limitação de corrente. Por exemplo,o esquecimento deste resistor num circuito de interface que é ligado na porta paralela

(porta de impressora) de um PC leva à destruição da placa mãe do computador!Somente quando a fonte de entrada tiver uma resistência interna alta pode-se dispensareste resistor. O resistor pb R serve para puxar o potencial da base para baixo para garantir

que o estado do transistor esteja desligado quando a entrada for aberta, isto é,indefinida.Veremos como funciona este tipo de circuito na prática.:Tarefa 6 : Monte o circuito da figura 16. O símbolo de círculo com uma cruz representauma lâmpada incandescente. Observação: não é necessário eliminar os resistores nosemissores dos transistores 1 e 2. Ligue simplesmente fios paralelos aos resistores.Também você não deve desmontar os divisores de voltagem das bases dos transistores 1e 2. Simplesmente desligue-as dos transistores. Desta forma você ajuda o próximogrupo de alunos. Ligue o circuito na fonte e estabeleça uma ligação entre voltagem dealimentação (+10V) e base do transistor 1 com os dedos.

Fig. 16 Detector de toque

10V

-

+

6 8 k Ω

1 0 k Ω

4 7 k Ω

1MΩ 1MΩ

470Ω 470Ω

lâmpada

d e

d o

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