Transistor de Junção Bipolar (TJB) Introdução

O transistor de Junção Bipolar (ou Transistor Bipolar) é um componente eletrônico que possui três terminais, que são: Coletor, Base e Emissor. Cada um dos terminais é formado por um material semicondutor dopado, para um TJB NPN, temos que o Coletor é formado por um material tipo N, a Base por um material tipo P e o Emissor por um material tipo N. Dessa forma, temos a formação de duas junções PN, Base-Emissor e Base-Coletor. O termo Bipolar refere-se a fato que a corrente no transistor é formada por elétrons livres e lacunas.

Existem dois tipos de TJB, o NPN e o PNP. Para o PNP, temos que o material semicondutor de cada terminal é o inverso do que foi descrito, anteriormente, para o TJB NPN. Assim, para um TJB PNP, temos que o Coletor é formado por um material tipo P, a Base por um material tipo N e o Emissor por um material tipo P. O esquemático de um transistor NPN e um PNP, respectivamente, podem ser vistos na imagem a seguir: 

Figura 1. Esquemático NPN e PNP

Operação

Para um transistor NPN, temos que a Base e o Emissor formam uma junção PN, assim, devemos polarizar essa junção diretamente, como se é feito com um diodo. Entretendo, o Emissor apresenta uma alta densidade de elétrons livres, enquanto que a Base apresenta uma baixa densidade de lacunas. Dessa forma, os elétrons livres do Emissor se recombinam com as lacunas da Base gerando um pequeno fluxo de corrente do Emissor para a Base, assim, gerando um pequeno fluxo de corrente formada por lacunas da Base para o Emissor. 

Como a densidade de lacunas é bem menor que a densidade de elétrons livres, a maior parte dos elétrons livres do Emissor não conseguem se recombinarem com as lacunas da Base e são atraídos pela tensão positiva aplicada no Coletor. Para um transistor PNP, as tensões na Base e Coletor devem ser negativas em relação à Tensão no Emissor.

Como uma pequena parte dos elétrons livres do Emissor flui para a Base. Temos que a corrente do Emissor será maior que corrente do Coletor, assim, tem-se que:

$I_{E}=I_{C}+I_{B}$

Características

A corrente da Base é, em geral, bem menor que a corrente do Coletor, dessa forma, o transistor apresenta um ganho de corrente, que é dado por:

$h_{FE}=\frac{I_{C}}{I_{B}}$

O ganho típico de um transistor é de 20 a 200 ou até bem mais. A relação entre a corrente do Coletor e do Emissor é dada por:

$\alpha=\frac{I_{C}}{I_{E}}$

Essa relação apresentará um valor sempre menor que 1, tipicamente entre 0.95 e 0.99. Um TJB é dito como uma fonte de corrente controlada por corrente, podendo ser representado pelo modelo da figura a seguir: 

Figura 2. Modelo ideal de um TBJ NPN

Pelo modelo apresentado, nota-se que a tensão entre a Base e o Emissor deve ser próxima ou maior que 0.7 V para que ocorra condução de corrente elétrica. 

Região de Operação

O TBJ apresenta três regiões de operação, que são: região de Corte, Saturação e Ativa. Assim, temos valores limites de corrente e tensão para cada região de operação.

Na região de Corte, o corrente da Base é igual a 0, com isso, impossibilitando a presença de corrente no Coletor e no Emissor.

Região de saturação, a corrente no Coletor é limitada pela carga ligada entre a fonte e o Coletor, dessa forma, a corrente do Coletor independe da corrente da Base.

Região Ativa, temos que a corrente no Coletor é diretamente proporcional a corrente da Base. As regiões de operação do TJB podem ser resumidas pelo gráfico a seguir:

Figura 3. Curva característica 

Nota-se que para cada corrente de Base existe uma corrente de Coletor máxima, além disso, é apresentada a região de ruptura que representa a tensão máxima entre Coletor e Emissor suportada pelo TJB. A partir desse gráfico, é possível ainda, traçar a curva de carga do TJB.

Além da tensão máxima entre Coletor e Emissor, outra limitação de operação do TJB, como todo componente eletrônico, é a sua potência, dada por:

$P=V_{CE}\times I_{C}$

Assim, para uma tensão máxima entre Coletor e Emissor, pode-se calcular a corrente máxima do Coletor por:

$I_{C}=\frac{P_{MAX}}{V_{CE}}$

Com isso, encerra-se a primeira parte do conteúdo sobre Transistor Bipolar nesta página, a segunda parte abordará suas aplicações. Até lá e parabéns por ter chegado até aqui.

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Diodo Aplicações

Grampeador de tensão

Um grampeador de tensão tem como função adicionar um nível DC (offset) a um sinal AC. O circuito e sua saída, para um sinal AC (Vp = 5 V e f = 1 kHz), podem ser vistos na figura a seguir:

Figura 1. Grampeador de tensão

O funcionamento é bastante simples, na primeira metade do semiciclo negativo do sinal de entrada, o diodo conduz e o capacitor se carrega com o valor de pico da entrada menos a queda no diodo. Na segunda metade do semiciclo negativo, o diodo deixa de conduzir e a tensão na saída será igual à soma a tensão no capacitor com o sinal de entrada. Dessa forma, o circuito grampeador adiciona um nível DC ao sinal que é próximo ao seu valor de pico.

Dobrador de tensão

Utilizando um grampeador de tensão e um retificador de meia onda com um capacitor de filtro, é possível obter uma tensão DC de saída com valor próximo ao dobro do valor de pico de um sinal AC de entrada. O circuito pode ser visto na figura a seguir:

Figura 2. Dobrador de tensão de meia onda

O funcionamento é bastante simples, o capacitor irá se carregar com a tensão máxima do grampeador, que é, aproximadamente, 2 vezes o valor de pico do sinal de entrada. O diodo não permitirá a circulação de corrente, dessa forma, o capacitor só poderá se descarregar fornecendo corrente para a carga.

A topologia vista anteriormente é de meia onda, existindo outras topologias, como a de onda completa. Seguindo o mesmo principio do dobrador é possível montar outros circuitos multiplicadores de tensão, como o triplicador de tensão.

Retificador de meia onda

Como o diodo só conduz em um sentido é possível permitir que apenas a parte positiva de um sinal AC chegue a uma carga, além disso, utilizando um capacitor é possível filtrar esse sinal para que se mantenha em um nível DC constante. Um circuito retificador de meia onda com e sem filtro, com suas saídas, podem ser vistos na imagem a seguir:

Figura 3. Retificador de meia onda, com e sem filtro

Essas ondulações (Ripple) na saída do retificador com filtro são resultados da descarga do capacitor, o tempo de descarga do capacitor depende da constante RC. Dessa forma, é possível diminuir a tensão de ripple utilizando-se um capacitor de maior capacitância. Para o calculo da tensão de ripple, temos:

$V_{Ripple}=\frac{V_{P}}{f\times C\times R_{L}}$

Onde:

$V_{P}=$ Tensão de pico

$f=$ frequência do sinal retificado

$C=$ Capacitância do capacitor de filtro

$R_{L}=$ Resistência da carga

A tensão de ripple pode ser eliminada com o uso de um regulador de tensão.

Retificador de onda completa

Outra forma de se diminuir a tensão de ripple é usar um retificador de onda completa. Como pode ser visto na imagem a seguir:

Figura 4. Retificador de onda completa

O funcionamento é bastante simples, no semiciclo positivo o diodo superior conduz e o inferior não conduz. No semiciclo negativo o diodo superior não confuz e o inferior conduz, fazendo com que a corrente circule pelo terminal positivo da carga sempre. Dessa forma, o sinal de saída apresenta uma frequência duas vezes maior que a frequência do sinal de entrada, fazendo com que o processo de carga do capacitor ocorra mais rapidamente e, consequentemente, diminuindo a tensão de ripple.

A desvantagem, dessa topologia é o uso de um transformador com um secundário de 3 terminais, o uso do terminal central como GND, reduz a tensão de pico pela metade. Uma forma de superar essa limitação é o uso de uma ponde retificadora, que será explicada a seguir:

Ponte retificadora 

Uma ponte retificadora retifica o sinal de entrada de forma completa, sem a redução do valor de pico. Uma ponte retificadora com e sem filtro, com suas saídas, podem ser vistos na imagem a seguir:

Figura 5. Ponte retificadora, com e sem filtro

O funcionamento é bastante simples, no semiciclo positivo, apenas o diodo superior direito e o diodo inferior esquerdo conduzem. No semiciclo negativo, apenas o diodo inferior direito e o diodo superior esquerdo conduzem. Dessa forma, nos dois semiciclos ocorre a condução de corrente na carga. A desvantagem, dessa topologia é o uso de 4 diodos.

Tipos especiais de Diodo 

Além do diodo comum, existem outros tipos de diodo, tais como, Diodo Zener, Varicap, LED, Schottky, Fotodiodo e etc. Focarei apenas em dois, o LED e o Zener.

LED

O LED (Light Emitting Diode) é um diodo emissor de luz. Funcionamento, quando diretamente polarizado, na região de depleção ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essas recombinações fazem com que os elétrons liberem energia, na forma de calor ou luz. No silício e no germânio essa energia é quase totalmente liberada na forma de calor, mas em materiais como o arsenieto de gálio e o fosfeto de gálio, parte da energia é liberada como fótons de luz.

Os LEDs são muito usados na produção de displays, iluminação, indicadores, e etc. Para seu uso, alguns critérios devem ser respeitados, como, polarização e corrente máxima, para mais informações consultar o datasheet do LED a ser usado.

Se quisermos alimentar um LED com uma determinada tensão, precisamos usar um resistor limitador de corrente. Para um LED vermelho de 5 mm, considerando sua barreira de potencial igual a 2 V, com uma corrente de 15 mA. Calcular o resistor para uma tensão de 5 V e 9 V.

$R=\frac{V_{CC}-V_{D}}{I_{D}}$ 

$R=\frac{5-2}{15\times10^{-3}}$

$R=200 \Omega$

$R=\frac{9-2}{15\times10^{-3}}$

$R=466.67$ 

$R=470 \Omega$ (valor comercial)

Diodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo utilizado para trabalhar na região de ruptura. Sua função é fornecer uma tensão de referencia, aproximadamente, constante que será igual a sua tensão de ruptura.

Sua aplicação será mais bem entendida em um exemplo, observe o circuito a seguir:

Figura 6. Divisor de tensão

Como as duas resistências são iguais, a tensão da bateria será dividida igualmente. Dessa forma, temos 6 V em cada resistor, se quisermos que a tensão no segundo resistor seja igual a 5 V , podemos usar um diodo Zener (1N4733A) para gerar essa tensão de referência, como pode ser visto na imagem a seguir:

Figura 7. Diodo Zener

O diodo Zener só irá ligar quando a tensão no segundo resistor for maior que 5 V. Uma coisa que deve ser considerada é a potencia máxima suportada pelo diodo Zener. Para o calculo da potencia no diodo Zener, temos:

$P_{Z}=I_{Z}\times V_{Z}$

$V_{Z}=5 V$

$I_{Z}=I_{R1}-I_{R2}$

$I_{R1}=\frac{12-5}{1000}$

$I_{R1}=7 mA$

$I_{R2}=\frac{5}{1000}$

$I_{R2}=5 mA$

$I_{Z}=7m-5m$

$I_{Z}=2 mA$

$P_{Z}=2m\times5$

$P_{Z}=10 mW$

Essa potencia não pode ser maior que a potencia especificada pelo datasheet do componente, caso seja maior, outro componente deve ser usado para atender as necessidades.

Com isso, encerra-se o conteúdo sobre diodo nesta página, o próximo assunto a ser abortado será transistor de junção bipolar (TJB). Até lá e parabéns por ter chegado até aqui.

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Diodo Introdução

O diodo é constituído pela junção de um material tipo P com um material tipo N, dessa forma, formando uma junção PN com uma região de depleção no meio. Um símbolo para o diodo pode ser visto na figura a seguir:

Símbolo do diodo

Polarização do diodo

Ao se ligar o ânodo ao terminal positivo de uma pilha e o cátodo ao terminal negativo, o diodo estará polarizado diretamente. Neste estado, o diodo permitirá a circulação de corrente. O que acontece é que as lacunas, por se comportarem como cargas positivas, são repelidas pelo terminal positivo, enquanto que os elétrons livres são repelidos pelo terminal negativo. Com isso, ocorre uma diminuição da região de depleção e os elétrons podem circular do terminal negativo para o positivo - mind explosion -.

A corrente é formada pelo movimento dos elétrons, que são cargas negativas, logo o sentido real de circulação da corrente é do terminal negativo para o positivo. Entretanto, na análise de circuitos usamos o sentido convencional que considera o sentido de circulação da corrente do terminal positivo para o negativo, mas não se preocupe essa convenção não muda os valores dos cálculos. Mais informações aqui.

Ao se ligar o ânodo ao terminal negativo de uma pilha e o cátodo ao terminal positivo, o diodo estará polarizado reversamente. Neste estado o diodo não permitirá a circulação de corrente. Isso ocorre, pois, as lacunas são atraídas pelo terminal negativo, enquanto que os elétrons livres são atraídos pelo terminal positivo, dessa forma, aumentando a região de depleção, impossibilitando a circulação de corrente.

Em resumo, o diodo diretamente polarizado se comporta como uma chave fechada (curto circuito), enquanto que o diodo reversamente polarizado se comporta como uma chave aberta (circuito aberto).

Diodo ideal vs diodo real

Anteriormente foi feita uma analogia para o diodo diretamente e reversamente polarizado, essas características são validas apenas para um diodo ideal.

O diodo real apresenta limitações (ou características), uma delas é a tensão de ruptura que corresponde à tensão máxima suportada pelo diodo reversamente polarizado, a partir dessa tensão o diodo não se comportará mais como um circuito aberto, mas sim, como um curto circuito (podendo ocorrer danos ao componente se a corrente não for limitada). Além disso, existe uma corrente reversa no diodo reversamente polarizado, essa corrente é extremamente baixa, podendo ser negligenciada.

Outra limitação do diodo real é que quando diretamente polarizado, a corrente só começa a crescer exponencialmente no momento em que a tensão no diodo for maior que a barreira de potencial. A barreira de potencial é formada pela região de depleção, para diodos de silício essa barreira é de aproximadamente 0,7 V, para diodos de germânio e essa barreira é de aproximadamente 0,3 V.

A temperatura pode afetar os valores da corrente reversa e da barreira de potencial. Um aumento da temperatura provocará um aumento da corrente reversa e uma diminuição da barreira de potencial. Enquanto uma diminuição da temperatura provocará uma diminuição da corrente reversa e um aumento da barreira de potencial. Isso ocorre, pois, alguns elétrons recebem energia suficiente para que passem para a banda de condução.

Tensão e corrente no diodo

Anteriormente foram vistas alguns características do diodo diretamente e reversamente polarizado, que podem ser expressas pelo gráfico a seguir:

Característica da tensão e corrente no diodo

A relação entre $I_{D}$ e $V_{D}$ pode ser aproximada por:

$I_{D}=I_{S}e^{\frac{V_{D}}{\eta V_{T}}}$

Onde: 

$I_{S}$ é a corrente de saturação, com valor típico de $10^{-15}$;

 $V_{T}=\frac{kT}{q}$, tensão térmica, com um valor típico de 25 mV a 25°C;

k = $1.38\times10^{-23} \frac{J}{K}$, constante de Boltzmann;

T é temperatura absoluta (K);

q = $1.60\times10^-19 C$, carga do elétron;

$\eta$ é uma constante, 1 (circuitos integrados) e 2 (circuitos discretos).

Exemplo

Um diodo de silício apresenta uma queda de tensão direta $V_{D}=0.7 V$ se a constante de saturação $I_{S}= 6,95\times 10^{-16} A$. Determine a corrente no diodo, considerando $\eta=1$ e $V_{T}= 25mV.$

$I_{D}=I_{S}e^{\frac{V_{D}}{\eta V_{T}}}$

$I_{D}=6.95\times10^{-16} e^{\frac{0.7}{1\times 23\times 10^{-3}}}$

$I_{D}=0.001005149$

$I_{D}=1mV$

No geral, para simplificação dos cálculos na analise de circuitos, podemos considerar o diodo diretamente polarizado, como uma queda de tensão de 0.7 V. 

Com isso, encerra-se a primeira parte do conteúdo sobre diodo nesta página, a segunda parte abordará aplicações com o diodo comum e alguns tipos especiais de diodo. Até lá e parabéns por ter chegado até aqui.

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Eletrônica Analógica Introdução

Iniciamos nossa viagem no mundo da eletrônica analógica por uma breve introdução sobre átomo e sobre os tipos de materiais. Esse estudo será de fundamental importância para um bom entendimento do funcionamento dos dispositivos eletrônicos, tais como, diodo, transistor e etc.

O que é o átomo?

Segundo o modelo de Bohr, o átomo é formado por um núcleo orbitado por elétrons, semelhante a um sistema planetário. O núcleo é constituído por dois tipos de partículas, prótons (cargas positivas) e neutros (não possuem carga). Os elétrons são cargas negativas.

Todos os átomos possuem um número igual de prótons e elétrons, dessa forma, gerando um equilíbrio elétrico. Cada átomo possui certa quantidade de prótons em seu núcleo, por exemplo: o cobre possui 29 prótons, consequentemente, possui 29 elétrons em sua orbita,  já o silício possui 14 prótons.

O número atômico representa número de prótons que um átomo possui em seu núcleo, de acordo com esse número, os átomos são organizados na tabela periódica.

O que é o elétron?

Elétrons são partículas de carga negativa que orbitam o núcleo do átomo, quanto maior a distancia entre o núcleo e a orbita do elétron, maior será sua energia e menor será a ligação com o núcleo. Na eletrônica os elétrons de interesse são os elétrons de valência, que são os mais distantes do núcleo.

O que é um semicondutor?

Um semicondutor é um tipo de material que apresenta uma condutividade menor que a de um material condutor e maior que a de um material isolante. Dessa forma, um semicondutor não é nem um bom condutor, nem um bom isolante.

Nos condutores os elétrons na camada de valência apresentam uma ligação fraca com núcleo, dessa forma, podem facilmente sair dessa camada e se tornarem elétrons livres. Nos isolantes os elétrons na camada de valência estão fortemente ligados ao núcleo.

Materiais tipo N e tipo P

São materiais criados a partir de um processo de dopagem. Para o tipo N, a dopagem aumenta o número de elétrons na banda de condução de um semicondutor puro. Para o tipo P, a dopagem aumenta o número de lacunas de um semicondutor puro.

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