Transistores

Bom vamos falar agora sobre o transistor bipolar,A grosso modo podemos considerar o transístor como dois diodos em oposição ele é composto por trés regiões em um cristal semicondutor que são o coletor a base e o emissor. Se ligarmos um transistor como mostra a figura b-5 a

com o diodo coletor polarizado inversamente e o diodo emissor polarizado diretamente, teremos uma grande corrente apesar de se esperar que o diodo coletor polarizado reversalmente não conduza.
O motivo disso tem algumas explicações físicas. Mas vamos nos concentrar no fato que a corrente entre a base e o emissor controla a corrente do coletor apesar deste estar polarizado inversamente.
Quanto maior a corrente de base, maior a corrente entre coletor e o emissor, e se cortarmos a corrente de base a corrente entre o coletor e o emissor sera cortada. Dependendo do tipo do material da base podemos ter transistores pnp ou npn, o da figura é npn porque sua base é de material p e o coletor e o emissor é n. Se usarmos um transistor pnp teremos que inverter as tensões para mantermos o transistor polarizado corretamente.
Vemos na figura b-5 b como normalmente um transistor é usado.
Vemos na figura B-1 uma coleção de curvas tipicas de um transistor bipolar. Através dessas
curvas podemos ter uma noção do funcionamento do transistor podemos ver que cada corrente do coletor (Ic) é igual a corrente de base vezes algum fator. Neste caso 10. esse fator é chamado hfe. Também Betacc para corrente continua e betaca para corrente alternada substitua mentalmente a palavra beta pela letra do alfabeto grego beta. É muito importante observar que as curvas são quase planas para a corrente mas as tensões podem variar bastante . A corrente do coletor ira seguir as variações da corrente da base e será praticamente plana para cada valor de Vce, portanto temos um dispositivo controlador de corrente.
Mas como são produzidas essas curvas? Primeiro temos que construir um esquema como da figura B-2, depois escolhemos uma corrente de base alterando vbb e a mantemos a fixa. Variamos então Vcc e vamos construindo as curvas como mostra a figura D-2 plotando Ic versus Vce.

Observe que a tensão varia muito, mas a corrente permanece praticamente constante então feito a primeira curva escolhemos uma nova corrente de base e construímos a seguinte. Há também muitas explicações técnicas como por exemplo porque há uma pequena inclinação nas curvas quando se aumenta Vcc. É porque há um pequeno ampliação da camada de depleção do coletor que captura alguns elétrons a mais, mas nos não nos concentraremos muito nessas explicações físicas por enquanto, fique atento aos aspectos macroscópicos e nas forma das curvas.
Vemos nas figura D-2 algumas fases da construção da primeira curva referente a primeira escolha de Vbb. Então temos três momentos diferentes em que variamos Vcc. Geralmente você precisa considerar variações pequenas para termos uma boa resolução final. Na figura B-1 temos um exemplo de curvas já prontamente desenhadas. A área em azul corresponde a saturação, é onde o transistor funciona como uma chave fechada. A área em vermelho corresponde ao corte, onde o transistor funciona como uma chave aberta. juntas essas duas áreas permitem que o transistor funcione como um interruptor perfeito podendo estar conduzindo com resistência zero ou cortado com resistência infinita.
O que há mais comumente é folhas de dados com algumas características do transistor, você provavelmente não encontrara datasheets com curvas já desenhadas. Bom até mais.

A reta de carga para o transistor

Como disse no tópico sobre reta de carga e diodos, o método não é diferente para outros componentes não lineares. Vejamos agora a reta de carga para transistores. A equação da reta é Ic = Vcc+Vce/Rc. O leitor deve se convencer que essa é realmente a equação da linha de carga cc. Com ela você pode desenhar a linha plotando qualquer conjunto de pontos desde que mantenha Vcc e Rc constante. Mas os pontos mais fáceis de serem plotados assim como no caso do diodo são aqueles dos extremos da linha. Veja a figura seguinte(D-4). Para desenharmos a linha de carga vamos recorrer o esquema na figura B-2. Nesse esquema se dermos um curto entre o coletor e o emissor e o mesmo que fazer Vce =0, então Vcc+Vce/RC = Vcc/Rc temos então o extremo superior da linha de carga, onde a tensão é zero e a corrente é máxima. Se abrirmos os terminais do transistor teremos um circuito aberto e a tensão Vce será igual a tensão da fonte. Teremos então o ponto inferior na linha de carga igual a Vcc. Representando a tensão máxima do circuito. Traçamos uma reta entre esse dois pontos e obtemos a linha de carga. Para cada corrente de base especifica temos um ponto sobre linha
de carga que coincide com uma das curvas do transistor . Chamamos esse ponto de ponto Q do transistor ou ponto quiescente. como esse ponto esta sempre sobre a linha de carga a operação do transistor fica limitado a essa linha devido a limitação imposta pelo valor de Vcc e Rc. Se mudarmos esses valores, mudaremos também a linha de carga.


Obrigado. Até a o próximo assunto.

Thevenizar

Existem muitas formas de simplificar uma malha contendo elementos passivos. Uma das mais usadas é a chamada thevenizar, ou usar o teorema de thevenin em um circuito. Como funciona?, se temos o circuito já montado (figura A-1) primeiro curto circuitamos todas as fontes de tensão e abrimos todas as fontes de corrente. Então retirando a resistência de carga ( R load, daí o índice L) medimos com o ohmímetro a resistência através dos terminais da resistência de carga (figura A-2), se as fontes de tensão e de corrente tiverem resistência elas terão de ser deixadas no circuito. Fácil se a resistência interna é a de uma fonte de tensão, mas ainda não vi um exemplo de fonte de corrente. Estaremos procurando por isso. E então de posse da medida do ohmímetro chamaremos a de resistência thevenin Rth (figura A-1). Removendo o resistor de carga e deixando as fontes de tensão no circuito, medimos a tensão entre os terminais de carga abertos (figura A-3). Temos então a tensão thevenin, Vth.
No lugar do resistor de carga podemos ter um elemento ativo como por exemplo um diodo. Mais adiante discutiremos esse uso para o teorema de thevenin. Temos então na figura A-4 o circuito já thevenizado. Se só possuímos o esquema do circuito podemos usar qualquer método conhecido para calcular a resistência thevenin e a tensão thevenin estaremos discutindo os métodos matemáticos adiante . Também podemos escolher qualquer a resistência de carga arbitrariamente no esquema. Assim você pode ter vários circuitos thevenin do ponto de vista de varias cargas removidas mas geralmente ha um motivo especifico para a escolha desta ou daquela resistência como resistência de carga. Muitas vezes a resistência de carga é um aparelho como um fone ou um alto falante ou mesmo alguma especie de amplificador. Se você só tem um esquema ou mesmo só uma ideia você tera que usar um pouco de matemática para resolver. Quando se tem um circuito bem complexo já montado o procedimento descrito acima se torna bem fácil. Outra aplicação da thevenização é criação de modelos de transistores. Que servem para facilitar o calculo dos circuitos. Por enquanto é so, até mais.

Reta de garga

Bom, já vimos que curvas tipicas de diodos não tem uma função para representa-las e como não são lineares, não podemos usar a lei de ohm.o que fazer quando temos elementos lineares e não lineares como diodos e resistores no mesmo circuito. A solução é o uso da reta de carga que corta o gráfico entre a reta das correntes e a reta das tensões como mostra a figura c-1 equação desta reta para o esquema da figura é I=(Vs-V)/Rs. A construção da reta de carga não depende do componente não linear em questão . Assim sua construção para vários componentes ativos( diodos transistores etc) são semelhantes entre si. Basicamente essa reta de carga depende somente do valor da fonte de alimentação e de um resistor de proteção (figura c-2), veja bem, essa resistência pode também representar um circuito mais complexo, então vamos generalizar mentalmente porque esse esquema indica um principio matemático geral e não só um circuito especifico. Chamaremos de Vs a fonte , Rs o resístor e V a tensão sobre o diodo. Calculamos o valor de Vs/Rs e então marcamos o resultado sobre a reta das correntes. Essa equação surge quando fazemos V=0 em Vs-V/Rs isso equivale a substituir o diodo por um curto de forma que a corrente seja máxima . Removendo o diodo do circuito, é mesmo que considerarmos a sua resistência infinita, então V=Vs, a tensão máxima que você pode alcançar. Marcamos então o valor de Vs sobre a reta das tensões e unimos esses dois pontos por uma reta. (Figura c-1). Como pode ver é muito fácil e rápido e a intercessão entre a curva característica do diodo e a reta de carga fornece a corrente e tensão do circuito. Alem da tensão individual do resistor e do diodo. Então desenhamos a curva característica no mesmo gráfico, marcamos com a letra Q a interseção entre os dois gráficos, esse Q representa a solução simultânea entre as duas curvas e é chamado ponto de operação.

Podemos ver agora o caso das aproximações. Como a reta de carga não depende do diodo para ser traçada ela é a mesma para os três modelos de aproximação. Figura A-5, A-6, A-7.
Veja que no primeiro e segundo caso não temos uma indicação de que valor x nas reta da tensão corresponde a que valores na reta das correntes(figura D-1) , como já disse é possível ver no caso A-7 a que valor
corresponde X, devido a inclinação da curva, mas já não é tão fácil nos casos A-5 e A-6 porque temos vários valores para o único X plotado na reta das tensões. Já com a reta de carga, o valor obviamente, é aquele que intercepta a reta de carga não importando qual aproximação usamos. então é isso ai
Obrigado e até a próxima.

Visualizar gráficos

Sobre funções, temos nas figuras B-1, B-2 ,B-3 e B-4 alguns exemplos de curvas tipicas de diodos. O que há de diferente aqui. Algumas talvez não se encaixem no nosso conceito usual de função. Somos ensinados que, uma vez fornecido um valor para variável independente ele correspondera somente a um valor da variável dependente. Podemos ver pelas figuras que temos vários valores dependentes A e B que correspondem ao valor independente x. Como proceder neste casos? As figuras B-1 e B-2 já foram estudadas por nos, ele correspondem a duas aproximações para o diodo. ou você usa o modelo que tem resistência de corpo e nesse caso inclinação, ficando fácil escolher um valor para a variável independente e seu correspondente valor para a variável dependente, ou você usa a reta de carga, uma linha que atravessa o gráfico e coincide em um ponto com a curva do diodo. Falaremos da reta de carga mais adiante, no caso da curva B-3, ela corresponde ao gráfico típico de um diodo de quatro camadas shockley. em um trecho, essa que tem a barriguinha. ela tem duas respostas para cada valor da variável X. como proceder, na verdade o que você tem é um trecho que tem que ser usado em um contexto e um que tem que ser lido em outro. Você começa pela parte debaixo da curva no ponto zero e vai ate o final da barriga. A partir daí você ira pela parte de cima voltando pela barriga . A parte de baixo não é usada nesse momento. Você consegue então uma grande corrente. É mais ou menos como a porta de um porta-malas de carro, você força ate um certo ponto e partir dai a força muda subitamente de direção, fazendo força para o outro lado.Então , você aplica tensão até a curva mudar de direção. O mesmo para a figura B-4 essa figura é a curva tipica de diac ou tiristor, um tiristor é um dispositivo de chaveamento, não flui nenhuma corrente(ou quase nenhuma) até que se atinja o ponto de quebra. A partir daí a corrente flui levando o tiristor a saturação. Você começa do zero aumentando a tensão e segue a parte de baixo da curva e chegando no final passa a usar a parte de cima da curva, podendo até voltar um pouco na linha das tensões e ainda manter uma corrente intensa. Devemos lembrar que calculo não é um ramo da lógica, assim gráficos podem ter uma explicação bastante particular, dependendo do contexto que eles representam.

O diodo

Um elementos passivo como o resistor tem um comportamento único não importando a direção da corrente considerada. Isso é, em qualquer das duas direções possíveis as equações são totalmente lineares. Se consideramos um valor fixo de resistência e uma voltagem aplicada, se dobrarmos a tensão dobraremos também a corrente neste dispositivo. Mas temos componentes que não tem um funcionamento linear assim. Falaremos de vários, mas começaremos pelo mais simples, o diodo é basicamente um cristal de material semicondutor com uma parte dopada com impurezas tipo p e outra parte com material tipo n, se ligarmos uma fonte de tensão como mostra a figura A-1 a haverá uma forte corrente através do diodo, se ligarmos ao contrario a corrente sera praticamente zero figura A-1 b) .
O diodo além de não ter um funcionamento linear também muda de comportamento se mudarmos a direção da corrente. Apresentando uma resistência muito baixa numa direção e muito alta em outra. Existem muitas explicações físicas cientificas para o funcionamento do diodo, como elétrons e lacunas e camadas de depleção etc... mas você pode trabalhar com o diodo sem elas por enquanto.

Por isso nos concentraremos nos aspectos macroscópicos do diodo . Estamos considerando a corrente de fluxo de elétrons ou seja a corrente deixa o terminal negativo e se dirige para o positivo. Esse é o caminho real dos elétrons. No simbolo do diodo a barra corresponde ao catodo e corresponde ao material do tipo n, o material do tipo p é chamado anodo. então com mostra a figura A-1 e a seta do diodo aponta para onde saem os elétrons e para direção contraria da corrente. Se você é acostumado com a corrente convencional terá que inverter esse raciocínio. Muito bem, Vemos na figura A-4 uma curva tipica de um diodo. É bastante entendermos bem esse gráfico para entendermos o funcionamento do diodo.


Vemos na figura A-1 o simbolo gráfico do diodo. A a parte para onde a seta aponta chama catodo e o polo contrario chama-se ânodo. Temos também na figura A-1 d um exemplo de encapsulamento, uma linha indica o catodo. Temos muitos tipos de encapsulamento, mas esse de plastico ou vidro é um dos mais usuais e precisa ser soldado em seus terminais no circuito. Voltamos ao gráfico do diodo, como consegui-lo?. Uma das formas é plotarmos a corrente versus tensão usando o esquema da figura A-1 e, variando a tensão Vs um pouco de cada vez e anotando as variações da corrente e tensão. Difícil talvez seja encontrar uma fonte de tensão variável, mais difícil ainda uma que reverta a polarização, mas se você tem uma fonte dessas poderá inverter a polarização trocando os seus terminais, então primeiro faça metade do gráfico, reverta os terminais da fonte e depois termine a outra metade partindo do zero volt. Seria uma solução. Bom, vamos analisar o gráfico, já vimos que não é nem um pouco linear portanto não podemos usar a lei de ohm. Temos uma região reversa que corresponde a polarização reversa, nesta região temos na maioria das voltagens uma corrente reversa muito pequena, (também chamada corrente de fuga) que pode ser desprezada nas maiorias dos casos. Talvez não pareça muito pequena vista no gráfico mas lembre-se que o gráfico é só para ilustrar, talvez com uma representação realista a curva se confundiria com a linha do gráfico cartesiano e não poderíamos vê-la ou não, depende de fatores como o tamanho do gráfico, precisão da linha, etc...por isso é importante a experiencia. Se continuarmos a diminuir a tensão chegaremos a chamada tensão de ruptura, prejudicial a diodos mais comuns. embora aja diodos especialmente projetados para operar nessa região. Falarei deles em outra oportunidade. Na região direta quase não temos nenhuma corrente próximo de zero volt somente quando a tensão ultrapassa 0,7 volt para diodo de silício ou 0,3 volt para o diodo de germânio é que começa um comportamento linear, pequenos acréscimos na tensão produzem grandes acréscimos na corrente do diodo. Esse comportamento linear se deve a resistência de corpo do diodo, abaixo de 0,7 volt teremos um comportamento não linear. Acima, um comportamento linear como se fosse uma resistência de baixo valor que pode ser considerada zero em alguns casos.
Falando em aproximações, temos três casos a considerar primeiro o da figura A-5 podemos considerar o diodo como uma chave: aberta na região direta e fechada na região reversa, essa aproximação poderá ser usada quando as tensões consideradas forem muito maiores que 0,7 volts . O segundo caso(figura A-6) leva em consideração a tensão do joelho mas não a resistência de corpo e se assemelha ao primeiro caso combinado com uma bateria de 0,7 volt (0,3 para um diodo de germânio) é um caso muito interessante porque você pode usa-lo na pratica para estudar como funciona os 0,7 volts do diodo.

Seguindo o gráfico pode ser difícil de entender como funciona essa curva que parece ter um único valor de tensão para alguns valores de corrente. , mas seguindo o modelo da chave e mais adiante o conceito de linha de carga poderemos entender melhor como usa-la. O próximo caso A-7 leva em consideração a resistência de corpo produzindo uma inclinação na curva. Esse modelo é quase igual a curva original mas difere dele pela ausência dos contornos arrendondados que surgem naturalmente em gráfico feito com medidas físicas. É uma boa aproximação mesmo para projetos mais críticos e pode ser considerado como uma chave combinada com uma fonte de tensão e uma resistência igual a resistência de corpo , não temos problemas para entender essa curva que se parece mais de perto com o conceito de função , indicando um valor de corrente para cada valor de tensão. Nos três casos é preciso se lembrar que a chave do modelo é aberta na região direta e fechada na região reversa e que a corrente reversa é praticamente zero.