9355 tecnologia dos_semicondutores___componentes

COMUNIDADE EUROPEIA

Fundo Social Europeu

9355 MOPPESSCEPRA/11

Centro de Formação Profissionalda Reparação Automóvel

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes

Referências

Colecção Formação Modular Automóvel

Título do Módulo Tecnologia dos Semicondutores – Componentes

Coordenação Técnico-Pedagógica CEPRA – Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel Departamento Técnico Pedagógico

Direcção Editorial CEPRA – Direcção

Autor CEPRA – Desenvolvimento Curricular

Maquetagem CEPRA – Núcleo de Apoio Gráfico

Propriedade Instituto de Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, 11 - 1000 Lisboa

1ª Edição Portugal, Lisboa, Fevereiro de 2000

Depósito Legal 148441/00

“Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, cofinanciado peloEstado Português, e pela União Europeia, através do FSE”

“Ministério de Trabalho e da Solidariedade – Secretaria de Estado do Emprego e Formação”

© Copyright, 2000 Todos os direitos reservados

IEFP

Tecnologia semicondutores – Componentes E.1

Índice

ÍNDICE

DOCUMENTOS DE ENTRADA

ÍNDICE...................................................................................................... E.1

OBJECTIVOS GERAIS DO MÓDULO..................................................... E.5

OBJECTIVOS ESPECÍFICOS.................................................................. E.5

PRÉ - REQUISITOS ................................................................................. E.7

CORPO DO MÓDULO

INTRODUÇÃO.......................................................................................... 0.1

1 -SEMICONDUTORES ........................................................................... 1.1

1.1 -ESTRUTURA BÁSICA DOS SEMICONDUTORES.................................. 1.1

1.2 -SEMICONDUTORES DOPADOS OU EXTRÍNSECOS............................ 1.5

2 - A JUNÇÃO "PN"................................................................................. 2.1

2.1 -JUNÇÃO PN. FUNCIONAMENTO............................................................ 2.1

2.2 -JUNÇÃO PN "POLARIZADA DIRECTAMENTE....................................... 2.4

2.3 -JUNÇÃO PN "POLARIZADA INVERSAMENTE....................................... 2.7

2.4 -O DÍODO ................................................................................................... 2.8

2.5 -CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DUMA JUNÇÃO "PN"................... 2.12

2.6 -TIPOS DE DÍODOS................................................................................. 2.17

2.6.1 -DÍODO EMISSOR DE LUZ - LED .......................................................2.17

2.6.2 –DÍODO EMISSOR DE LUZ-LED.........................................................2.17

2.6.3 -FOTODÍODOS.....................................................................................2.19


Índice

2.6.4 -DÍODO FOTOVOLTÁICO....................................................................2.20

2.6.5 -DÍODO ZENNER .................................................................................2.22

2.7 -DÍODOS DE POTÊNCIA......................................................................... 2.28

2.7.1 -RECTIFICAÇÃO DE MEIA ONDA.......................................................2.28

2.7.2.1 -RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPPLETA COM DÍODOS ...2.30

2.7.2.2 -RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPPLETA COM DÍODOS

MONTADOS EM PONTE (PONTE RECTIFICADORA).......2.32

2.7.2.3 –ESTABILIZAÇÃO E REGULAÇÃO ........................... 2.35

3 -TRANSÍSTOR ...................................................................................... 3.1

3.1 –INTRODUÇÃO.......................................................................................... 3.1

3.2 -PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSÍSTOR .......................... 3.3

3.3 -TIPOS DE TRANSÍSTORES................................................................... 3.11

3.3.1 -TRANSÍSTORES DE POTÊNCIA........................................................3.12

3.3. 2 -CODIFICAÇÃO DE TRANSÍSTORES ................................................3.13

3.3. 3 -SIMBOLOGIA DE TRANSÍSTORES ..................................................3.16

3.4 -MONTAGENS COM TRANSÍSTORES................................................... 3.17

3.4.1 -REGULADORES ELETRÓNICOS DE CARGA DE BATERIAS ..........3.17

3.4.2 -IGNIÇÃO TRANSÍSTORIZADA...........................................................3.21

3.4.3 -DETECTOR DE SONOLÊNCIA...........................................................3.23

3.5 -APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TRANSÍSTORES................................ 3.27

3.5.1 -TÉCNICA DE IMPULSOS ...................................................................3.27

3.5.2 -CIRCUITO MONOESTÁVEL ...............................................................3.29

3.5.3 -CIRCUITO ASTÁVEL ..........................................................................3.35

3.5.4 -CIRCUITO BIESTÁVEL.......................................................................3.39

3.5.5 -FONTES DE ALIMENTAÇÃO ESTABILIZADAS.................................3.41

3.5.6 - A MONTAGEM DARLINGTON...........................................................3.43

3.6 -CIRCUITOS BÁSICOS AMPLIFICADORES E TRANSÍSTORES .......... 3.44


Índice

4 -OUTROS TIPOS DE TRANSÍSTORES ................................................4.1

4.1 - O TRANSÍSTOR DE UNIJUNÇÃO, UJT ..................................................4.1

4.2 -TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET) .........................................4.5

4.3 -FOTOTRANSÍSTOR..................................................................................4.7

5 -TIRÍSTORES.........................................................................................5.1

5.1 -CARACTERÍSTICAS DO TIRISTOR .........................................................5.3

5.1.1 -TIPOS DE DISPARO DO TIRISTOR .................................................... 5.4

5.2 -OUTRAS CARACTERÍSTICAS .................................................................5.5

5.2.1 -CARACTERÍSTICA INVERSA .............................................................. 5.5

5.2.2 -CARACTERÍSTICA DIRECTA SEM CORRENTE DE GATE................ 5.6

5.2.3 -CARACTERÍSTICA DIRECTA COM CORRENTE DE GATE ............... 5.6

5.2.4 -ESQUEMA EQUIVALENTE DO TIRÍSTOR .......................................... 5.6

5.3 -TIRISTOR GTO..........................................................................................5.7

5.4 -APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TIRÍSTORES.........................................5.7

5.4.1 -FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE CONTÍNUA ................. 5.8

5.4.2 -FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE ALTERNADA ............ 5.11

5.4.3 -DISPARO DA GATE DO TIRISTOR POR MEIO DE SENSORES...... 5.14

5.4.3.1 -DISPARO POR LUZ ............................................................. 5.15

5.4.3.2 -DISPARO POR CORRENTE DO CORPO HUMANO........... 5.16

5.4.3.3 -CARREGADOR DE BATERIAS DE 12V 5A ......................... 5.17

5.4.3.4 -SENSOR ESTROBÓSCOPICO PARA ACERTO

DO PONTO DE IGNIÇÃO DO MOTOR................................ 5.18

5.5 -CARACTERÍSTICAS DO TIRÍSTOR .......................................................5.19

BIBLIOGRAFIA........................................................................................ C.1


Índice

DOCUMENTOS DE SAÍDA

PÓS-TESTE.............................................................................................. S.1

CORRIGENDA DO PÓS - TESTE......................................................... S.12

ANEXOS

EXERCICIOS PRÁTICOS ........................................................................A.1

CORRIGENDA DOS EXERCICIOS PRÁTICOS......................................A.2

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes E.1

Objectivos Gerais e Específicos do Módulo

OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS

No final deste módulo, o formando deverá ser capaz de:

OBJECTIVOS GERAIS

Identificar as partículas da matéria e as suas propriedades semicondu-

toras, bem como definir com grande clareza todos os componentes

electrónicos mais usuais na industria automóvel

OBJECTIVOS ESPECÍFICOS

1. Com base na constituição da matéria atómica, identificar os ele-

mentos atómicos que melhor se ajustam ao fabrico de componen-

tes electrónicos semicondutores.

2. Descrever como se processa com toda a clareza o mecanismo da

corrente eléctrica neste tipo de materiais.

3. Enumerar quais os materiais usados para misturar com semicondu-

tores por forma que estes sejam considerados de semicondutores

dopados.

4. Face às técnicas de dopagem de semicondutores, identificar num

díodo ou transístor, quais as pastilhas tipo N e tipo P e qual o tipo

de elementos que se combinam com os semicondutores por forma

a obtermos semicondutores destes tipos.

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes E.2

Objectivos Gerais e Específicos do Módulo

5. Especificar com grande rigor, qual a constituição dum díodo e qual

o seu comportamento quando funciona, polarizado directamente e

indirectamente.

6. Distinguir um díodo convencional de um díodo de Zenner, e qual

aquele que se adapta mais como rectificador de corrente alternada

e como regulador de tensão.

7. Descrever o significado de tensão de Zenner, exemplificando num

circuito de regulação de tensão, o componente que tem como fun-

ção servir-se deste tipo de tensão.

8. Descrever o funcionamento duma junção NPN ou PNP a que

damos o nome de transístor

9. Identificar, num circuito electrónico, os componentes semiconduto-

res díodos e transístores.

10. Descrever o funcionamento de circuitos electrónicos como circuito

mono estável, astável e biestável, enumerando as suas aplica-

ções na área automóvel.

11. Identificar num circuito electrónico, um transístor e compreender a

sua função.

12. Descrever o funcionamento do tirístor, especificando algumas

possíveis aplicações práticas no automóvel.

Tecnologia dos semi – condutores componentes E.3

Pré-Requisitos

COLECÇÃO

Desenho Técnico M at emát ica ( cálculo)

Fí sica, Quí mica e M at eriais

Organização Of icinal

FORMAÇÃO MODULAR AUTOMÓVEL

Circ. Int egrados, M icrocont rolador

es e M icroprocessado

res

Rede de Ar Comp. e

M anut enção de Ferrament as Pneumát icas

Sist emas Elect rónicos

Diesel

Caract erí st icas e Funcionament o dos M ot ores

Focagem de Faróis

Lâmpadas, Faróis e Farolins

Sist emas de Arref eciment o

Sist emas de Sobrealiment ação

Rede Eléct rica e M anut enção de

Ferrament as Eléct ricas

Sist emas de Injecção M ecânica

Diagnóst ico/ Repa-ração em Sist emas

M ecânicos Convencionais

Int rodução ao Aut omóvel

Diagnóst ico e Rep. de Avarias

no Sist ema de Suspensão

Unidades Elect rónicas de

Comando, Sensores e Act uadores

Sist emas de Inf ormação

Sist emas de Segurança Passivos

Sist emas de Direcção

M ecânica e Assist ida

Sist emas de Transmissão

Sist emas de Conf ort o e Segurança

Embraiagem e Caixa de

V elocidades

Noções Básicas de Soldadura M et ro logia

Órgãos da Suspensão e seu Funcionament o

Geomet ria de Direcção

Análise de Gases de Escape e Opacidade

Processos de Furação,

Roscagem e M andrilagem

Gases Carburant es e

Combust ão

Módulo em estudo

Noções de M ecânica

Aut omóvel para GPL

Const it uição e Funcionament o do Equipament o Com-versor para GPL

Legislação Especí f ica sobre

GPL

Diagnóst ico/ Repa-ração em

Sist emas com Gest ão

Elect rónica

Diagnósico/ Reparação em Sist emas

Eléct ricos Convencionais

Rodas e Pneus

Pré-Requisito

Ferrament as de M ont agem e

Desmont agem

TermodinâmicaM anut enção Programada

Processos de Traçagem e

Puncionament o

Processos de Cort e e Desbast e

LEGENDA

Emissões Poluent es e

Disposit ivos de Cont rolo das

Emissões

Sist emas de Segurança Act iva

Sist emas de Travagem

Ant ibloqueio

Sist emas de Injecção Geridas Elect ronicament e

V ent ilação Forçada e Ar Condicionado

Sist emas de Travagem

Hidráulicos

M agnet ismo e Elect romagnet ism

o - M ot ores e Geradores

Sist emas de Carga e Arranque

Const rução da Inst alação Eléct rica

Lubrif icação de M ot ores e

Transmissão

Aliment ação Diesel

Sist emas de Aliment ação por

Carburador

Leit ura e Int erpret ação de

Esquemas Eléct ricos Aut o

Dist ribuição

Sist ema Eléct rico e sua Simbologia

Elect ricidade Básica

Sist emas de Aviso Acúst icos e

Luminosos

Sist emas de Ignição

Sist emas de Comunicação

Tecnologia dos Semi- Condut ores -

Component es

Cálculo e Curvas Caract erí st icas

do M ot or

Sist emas de Admissão e

Escape

Tipos de Bat erias e sua M anut enção

PRÉ-REQUISITOS

A electrónica está a impor-se definitivamente nos automóveis actuais, sendo a grande

responsável pelo enorme desenvolvimento tecnológico das ultimas décadas.

Os materiais semicondutores e o aparecimento do transístor trouxeram novas potencia-

lidades à humanidade.

Estes materiais e componentes electrónicos permitem-nos hoje, construir máquinas

mais pequenas, mais leves e sobretudo mais potentes e fiáveis.

Para termos uma ideia, um computador com as características de um vulgar computa-

dor pessoal moderno, nas décadas de 50 e 60, ocupava o espaço de uma sala.

Chegamos a um ponto em que praticamente todos os sistemas do automóvel são geri-

dos electronicamente.

Esta tecnologia requer técnicos altamente especializados sobretudo com grande capaci-

dade de aceitação de mudança.

Neste módulo vamos estudar o princípio de funcionamento dos componentes electróni-

cos e a sua aplicação nos sistemas do automóvel.

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.1

Semicondutores

1 – SEMICONDUTORES

Actualmente, os semicondutores são indispensáveis para a elaboração de circuitos

electrónicos. Desde os simples díodos aos microprocessadores, as suas capacidades

são enormes. Sem fugir à regra, a sua aplicação no automóvel tornou-se comum.

Assim, é necessário que qualquer técnico do ramo automóvel se inteire do seu princípio

de funcionamento e das suas potencialidades.

1.1 – ESTRUTURA BÁSICA DOS SEMICONDUTORES -SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

Os electrões giram em torno do

núcleo do átomo, em órbitas mais ou

menos bem definidas e distintas.

Estas órbitas encontram-se a dife-

rentes distâncias do núcleo do áto-

mo, tornando-se possível agrupá-las

em camadas distintas, que se

encontram umas sobre as outras,

assemelhando-se às sucessivas

cascas de uma cebola.

Graficamente, representamos esta

situação como se mostra na Fig. 1.2.

No que diz respeito ao que vamos

estudar a seguir, interessa-nos ape-

nas considerar a última camada ou

camada exterior.

Fig. 1.1 – Órbitas efectuados pelos electrões num átomo

Fig. 1.2 – Representação gráfica das várias órbitas de átomo de um elemento


Semicondutores

Os materiais que são constituídos por átomos que facilmente recebem e libertam elec-

trões, quando sujeitos a uma fonte de electrões, são bons condutores.

Este fenómeno verifica-se nos materiais cujos átomos possuam menos de quatro elec-

trões numa camada exterior.

Os materiais que são constituídos

por átomos que dificilmente acei-

tam ou cedem electrões, quando

sujeitos a uma diferença de poten-

cial, são maus condutores.

Este fenómeno verifica-se nos

materiais cujos átomos possuam

mais de quatro electrões na cama-

da exterior.

Os átomos têm tendência para se ligarem uns aos outros, formando moléculas de maté-

ria elementar ou compostos.

Fig. 1.3 - Representação gráfica das várias órbi-tas de átomo de um elemento mau con-dutor

Fig. 1.4 - Em determinadas matérias, como por exemplo na maioria dos sólidos natu-rais, os átomos e as moléculas têm tendência para se agruparem em gru-pos estáveis, formando uma cadeia bastante coesa


Semicondutores

Para um mesmo tipo de matéria, os electrões da camada exterior de um átomo, mistu-

ram-se com os electrões das camadas exteriores dos átomos vizinhos, de modo a par-

tilharem das órbitas das camadas exteriores desses átomos.

A este tipo de entrelaçamento dá-se o nome de ligação covalente.

Em muitos casos, os átomos e as moléculas formam estruturas semelhantes à que se

ilustra ao lado.

Quando as substâncias apresentam estas características, designam-se por substân-

cias cristalinas ou cristais.

A matéria assim constituída não é mais do que o agrupamento destes cristais, que se

unem uns aos outros de modo que, num volume mínimo, caibam o maior número pos-

sível de cristais.

Fig. 1.5 – Ligação covalente

Fig. 1.6 – Estrutura cristalina


Semicondutores

Imagine como é que iria agrupar esferas, todas ao mesmo tamanho, de modo a ocupa-

rem o volume mínimo.

Os bons condutores de electricidade, tais como o cobre e o alumínio, são materiais que

são constituídos por um aglomerado de cristais.

Tal como os bons condutores, os semicondutores são construídos a partir de substâncias

formadas de cristais.

Os materiais básicos mais utilizados para o fabrico de semicondutores são o germânio e

o silício, possuindo cada um deles 4 electrões na última camada.

Fig. 1.7 – Aglomerado de cristais de dois bons condutores – Alumínio e Cobre

Fig. 1.8 – Átomos de Silício e Germânio


Semicondutores

No estado puro, os cristais de germânio e silício são maus condutores (isolantes).

1.2 – SEMICONDUTORES DOPADOS OU EXTRÍNSECOS

No cristal de silício, os electrões da camada exterior de cada átomo misturam-se com os

electrões das camadas exteriores dos outros átomos de silício, de modo a partilharem

das órbitas exteriores desses átomos. Assim, cada átomo passa a dispor de oito elec-

trões na sua camada exterior, como se mostra na Fig. 1.10.

Mas, com esta configuração, não existem electrões livres que permitam a condução

eléctrica.

Fig. 1.9 – Os semicondutores puros são maus condutores

Fig. 1.10 – Ligações covalentes entre átomos de Silício


Semicondutores

Até este momento só foram considerados os semicondutores puros ou intrínsecos.

Os cristais de silício ou germânio puros não têm aplicação prática, sendo o seu compor-

tamento dependente da temperatura de funcionamento.

Para tornar o cristal puro num semicondutor, é necessário juntar uma porção de ele-

mentos diferentes ao silício e ao germânio. A estes elementos dá-se o nome de impure-

zas. A operação de adição de impurezas tem o nome de dopagem. O semicondutor

dopado é, também, designado como semicondutor extrínseco.

A concentração de impurezas auxiliares é normalmente fraca dependendo da aplicação

prática do semicondutor.

Para se dopar um semicondutor utilizam-se dois tipos de impurezas:

Elementos contendo cinco electrões de valência, tais como o fósforo e

o antimónio.

Elementos contendo três electrões de valência, tais como o boro, o

gálio e o índio;

Fig. 1.11 – Representação dos átomos de fósforo e antimónio


Semicondutores

A adição de elementos com cinco electrões de valência, leva a que o cristal fique com

um excesso de electrões na sua estrutura cristalina. Estes electrões comportam-se como

electrões livres, tornando o cristal num semicondutor.

Todo o cristal que é constituído que é dopado com elementos com cinco electrões de

valência possuindo assim electrões livres, é denominado material do tipo N (N negativo)

ou semicondutor tipo N.

A adição de elementos com três electrões de valência ao silício, ocasiona falta de elec-

trões na estrutura cristalina.

Fig. 1.12 – Representação dos átomos de boro e índio

Boro

Índio

Fig. 1.13 – Electrão livre na ligação covalente


Semicondutores

Fica assim um lugar por ocupar na interligação dos átomos. Ao lugar que falta ocupar,

dá-se o nome de lacuna. Esta lacuna pode-se considerar como uma carga eléctrica

positiva.

Todo o material que é construído desta maneira e tenha electrões a menos na sua estru-

tura cristalina, é denominado material do tipo P (P-positivo) ou semicondutor tipo P.

Para que compreenda

melhor como se efectua o

deslocamento de uma lacu-

na, imagine que um indiví-

duo chega tarde ao cinema e

que apenas existe um lugar

vago no centro de uma fila.

Para que o indivíduo possa

ocupar o seu lugar, basta

pedir a cada ocupante que

se desloque para a direita

(Fig. 1.15), correspondendo

assim ao deslocamento do

lugar na direcção do indiví-

duo.

Fig. 1.14 – Lacuna na ligação covalente

Fig. 1.15 - Analogia entre o deslocamento de uma lacuna e o de um lugar livre no cinema


Semicondutores

Considerando que a lacuna é um portador de uma carga positiva (+) da mesma manei-

ra que um electrão é um portador de uma carga (-). A lacuna pode deslocar-se de um

átomo para o outro, como um electrão (Fig. 1.16).

Ligando uma fonte de alimentação, como por exemplo uma pilha, ao material semicon-

dutor do tipo P, verificar-se-á o seguinte...

Fig. 1.16 - Deslocamento da lacuna entre átomos

Fig. 1.17 – Deslocamento de uma lacuna entre átomos

Fig. 1.18 – Ligação de um semicondutor tipo P a uma pilha


Semicondutores

... O borne positivo da pilha atrai os electrões (-) do semicondutor (cargas de sinal con-

trário atraem-se) e, da mesma maneira, o borne negativo (-) da pilha repele os elec-

trões.

Deste modo, liberta-se um electrão de ligação covalente, que se irá deslocar para a

esquerda para o borne positivo (+) que vai substituir uma das lacunas da vizinhança do

borne. Este deslocamento de um electrão deixa uma lacuna em sua substituição.

A lacuna estando carregada positivamente, deslocar-se-á para a direita, para o borne

negativo (-) da pilha. Este processo repete-se e a lacuna continuará a deslocar-se para

a direita, até que atinge a vizinhança da ligação negativa da pilha.

Nesta altura, a lacuna será substituída por um electrão que deixa o fio que está ligado

ao borne negativo da pilha e o fio está ligado ao borne positivo da pilha, removerá um

electrão à outra extremidade do semicondutor.

O processo volta a repetir-se sucessivamente.

1 4

2 5

3 6

Fig. 1.18 – Deslocamento da lacuna ao longo do semicondutor


Semicondutores

Esta remoção contínua das lacunas do borne positivo (+) para o borne negativo (-) oca-

siona (uma corrente de cargas positivas) num material do tipo P e produz-se quando a

tensão da pilha obriga os electrões a moverem-se na ligação covalente.

Nota: Este movimento das lacunas não se produz senão no interior do semicondutor,

enquanto que o fluxo de electrões circula na totalidade do circuito.

Ligando uma fonte de alimentação como por exemplo uma pilha, ao material do tipo N,

gerar-se-á uma corrente de electrões. Esta corrente é devida ao movimento dos elec-

trões livres em excesso, existentes no material semicondutor.

Como pode aperceber-se, este comportamento é muito parecido com o que se passa

num fio de cobre.

Fig. 1.19 – Corrente de lacunas e corrente de electrões num material tipo P

Fig. 1.20 - Corrente de electrões num material tipo N


A Junção “PN”

2 – A JUNÇÃO “PN”

Todos os componentes semicondutores são baseados em junções “PN”, por tal facto, é

muito importante compreender o que é uma junção “PN” e como encontrar as suas pro-

priedades.

Se aplicarmos um potencial através de um cristal semicondutor, Tipo P ou N, este deixa-

se atravessar por uma corrente eléctrica, se invertermos a polaridade do potencial apli-

cado, obteremos uma corrente eléctrica no sentido inverso da primeira.

Suponhamos, que temos um pedaço de material semicondutor no qual a parte da

esquerda é do Tipo P, e o da direita e do Tipo N, e que lhe aplicamos um potencial entre

os dois extremos, com este arranjo verificamos que entre o Tipo P e o Tipo N existe uma

região de contacto onde se verificam alguns fenómenos importantes, isto é, uma deter-

minada direcção da corrente eléctrica, esta região apresenta uma baixa resistência e

quando se inverte o sentido da corrente, ao trocarmos a polaridade de potencial aplica-

do, ao trocarmos a polaridade de potencial aplicado, apresenta uma muito alta resistên-

cia.

Á região de transição chama-se junção PN.

2.1 – JUNÇÃO PN. FUNCIONAMENTO

Consideremos um semicondutor Tipo N, por exemplo, o silício. Cada átomo de silício é

formado por uma parte central com um excesso de carga (+4) quatro electrões de valên-

cia cada um dos quais com uma carga de (-1).

Este átomo de silício está electricamente neutro. Cada átomo dador tem uma central

com excesso de carga de (+5) cinco electrões de valência cada um dos quais com uma

carga (-1).

Só quatro destes electrões de valência são usadas em ligações com os átomos de silí-

cio.

O quinto electrão fica livre para vaguear no material. Como ele se movimenta longe do

átomo dador deixa ficar para trás um ião positivo com um excesso de carga (+1). O ião

positivo não mudará de posição, permanecerá portanto imóvel, pois fica fixo na estrutura

cristalina.


A Junção “PN”

Deste modo um semicondutor Tipo N fica cheio de iões positivos imóveis (ião dador) e

electrão móveis (cargas negativas).

De modo semelhante, o silício Tipo P pode ser considerado como u material neutro

cheio de iões negativos imóveis (ião aceitador) e lacunas móveis (cargas positivas).

O semicondutor do Tipo N é geralmente de silício injectado com fósforo, enquanto que

o semicondutor do Tipo P é de silício injectado com boro.

Consideremos, então, o que acontece quando amostras de material Tipo P e Tipo N se

juntam uma à outra formando um cristal com estrutura contínua. Como se mostra na

figura 2.2.Na região Tipo P existe uma alta concentração de lacunas havendo, portanto,

uma movimentação de lacunas da região P para a região N.

Fig.2.1 – Concentração de carga eléctrica nos semicondutores dopados do Tipo P e Tipo N

Parte central do átomo Lacuna

Ião aceitador Electrão em excesso

Ião dador

_

+


A Junção “PN”

Recordando que na região Tipo P, as lacunas são portadoras maioritárias,, quando se

difundem para dentro da região Tipo N tornam-se portadores minoritários (os electrões

livres são nesta região Tipo N os portadores maioritários).

Como as lacunas se difundem para dentro da região Tipo N, elas recombinam-se com

os portadores maioritários, os electrões livres.

Existirá, igualmente uma difusão de electrões livres da região Tipo N para a região Tipo

P, porque há uma mais alta concentração de electrões livres na região Tipo N do que na

região tipo P.

Ao atingirem a região Tipo P, os electrões livres tornam-se portadores maioritários em

excesso e desaparecem por recombinação com as lacunas (portadores maioritários da

região Tipo P).

Fig.2.2 – Reparação simbólica duma junção PN com a região de depleção

Região de Depleção P N


A Junção “PN”

Pode parecer, eventualmente, que todas as lacunas deverão defundir-se para a região

tipo N e que todos os electrões livres deverão difundir-se para a região Tipo P, porém, tal

não acontece.

Só os portadores maioritários que se encontram perto da região da junção irão difundir-

se.

Recordar, que o material tipo P possui iões negativos imóveis e lacunas móveis.

Quando as lacunas próximas da junção de difundirem para dentro da região N, elas dei-

xam ficar para trás um ião negativo.

A região Tipo P não será mais electricamente neutra – tem mais cargas negativas do que

cargas positivas, devido a Ter perdido lacunas.

Por sua vez, a região Tipo N próxima da junção torna-se positivamente carregada, por-

que perdem electrões.

Os electrões livres difundindo-se da região Tipo N para a região Tipo P deixarão fica para

trás iões positivos na região Tipo N.

A difusão de portadores maioritários de cada região resulta no aparecimento de uma

zona saturada na qual deixa de haver futuras difusões estabelecendo-se uma situação de

equilíbrio.

Pelo facto desta região Ter muito poucas cargas móveis restantes, é chamada como se

vê na figura 2.2 de região de repleção.

2.2 – JUNÇÃO PN “POLARIDADE DIRECTAMENTE”

Uma tensão de polaridade é aplicada a uma junção PN ligando o terminal positivo da

bateria ao material Tipo P e negativo ao material Tipo N, como se indica na figura 2.3.

( A resistência R serve como limitadora de corrente)

Fig.2.3 – Polarização directa de junção PN


A Junção “PN”

A polaridade negativa da pilha ao ser aplicada ao semicondutor do Tipo N, irá repelir das

proximidades do terminal negativo (-) os electrões do semicondutor do Tipo P, irá repelir

das proximidades do terminal (+) as lacunas do semicondutor do Tipo P, Ver figura 2.4.

A movimentação de cargas eléctricas ao longo da junção PN vai causar a redução da

região de depleção.

Os electrões e as lacunas aproximar-se-ão da junção dos dois semicondutores.

Os electrões livres, como estão proximos das lacunas, atravessarão a junção, indo ocu-

par o lugar das lacunas e as lacunas o lugar dos electrões diminuindo assim a região de

depleção, como se apresenta na figura 2.5.

Fig.2.4 – Transmissão de cargas eléctricas ao longo da jnção PN

Fig.2.5 – Trocas de electrões e lacunas na junção PN


A Junção “PN”

Os electrões, depois de passarem à junção, dirigir-se-ão para o borne positivo da pilha,

completamente e criando assim uma corrente de electrões que irá circulart ao longo do

circuito, enquanto a pilha estiver aplicada aos terminais da junção PN, ver figura 2.6.

Desta forma, quando se aplica uma tensão a uma junção, de modo que a polaridade

positiva da pilha fique aplicada no semicondutor Tipo P e a negativa ao semicondutor do

Tipo N, diz-se que o semicondutor está polarizado directamente (polarização directa),

figura 2.7.

Fig.2.6 – Sentidos das correntes electrónicas e de lacunas

Fig.2.7 – Junção PN polarizada directamente


A Junção “PN”

2.3 – JUNÇÃO PN “POLARIZADA INVERSAMENTE”

Quando uma fonte de tensão é aplicada a uma junção como se mostra na figura 2.8, a jun-

ção diz-se estar “inversamente polarizada”.

O terminal positivo está ligado ao material Tipo N e o terminal negativo ao material Tipo P.

Com a junção polarizada desta forma, os electrões livres do material Tipo N são atraídos

para o terminal positivo e as lacunas para o terminal negativo.

Os portadores maioritários são puxados para longe da junção e deste modo mais os iões

positivos e iões negativos ficam a descoberto, como se mostra a figura 2.9.

Fig.2.8 – Junção PN polarizada inversamente

Fig.2.9 – Comportamento das cargas eléctricas quando a junção se apresenta polarizada inversamente

Polarizado Inversamente


A Junção “PN”

Como se pode constatar, a região de depelação sai aumentada.

Basta uma pequena tensão inversa, para parar completamente a difusão de portadores

maioritários e consequentemente tornar a circulação de corrente nula.

2.4 – O DÍODO

Até agora temos estudado somente um modelo que damos o nome de junção PN.

A junção PN é utilizada para a construção de díodos.

Díodos são completamente electrónicos semicondutores que têm grande número de apli-

cações.

Quando estão montados em circuitos eléctricos, umas vezes são polarizados directa-

mente e outras vezes indirectamente os díodos comportam-se, assim, como válvulas que

só deixam circular uma corrente num só sentido.

Isto torna bastante viável o uso do díodo em “transformação” de correntes alternadas em

correntes contínuas.

Um díodo é constituído pela junção de dois semicondutores um do Tipo P e outro do Tipo

N.

Fig.2.10 – Constituição interna dum díodo


A Junção “PN”

O díodo é ligado ao circuito eléctrico através de dois terminais de ligação que se cha-

mam respectivamente ânodo e cátodo.

Como já foi referido, os díodos

são dispositivos electrónicos que

têm por finalidade permitir que a

corrente eléctrica passe num úni-

co sentido.

O símbolo esquemático do díodo

é o representado na figura 2.11

indicando, a esta, o sentido con-

trário ao deslocamento dos elec-

trões.

Aqui vê-se igualmente a correspondência dos terminais de ligação respectivamente

ânodo (A) e cátodo (K).

Por analogia, resolvemos comparar o papel dum díodo num circuito, como uma válvula

montada num cano de água.

A figura 2.12 representa um cano com uma válvula que só deixa passar a água num dos

sentidos.

Fig.2.11 – Díodo

Sentido contrário ao da deslocação dos electrões

Fig.2.12 – Analogia do funcionamento do díodo com uma válvula

Válvula de paleta

Cano


A Junção “PN”

Quando a água circula no sentido indicado pelas setas a válvula deixa-a passar.

Se o sentido de circulação da água se inverter, a válvula de paleta vem para baixo e, ao

encontrar-se com o batente, fecha a conduta e o líquido deixa de circular, como se veri-

fica pela figura 2.13.

Na comparação atrás feita, o sentido de circulação da água corresponde ao da corrente

eléctrica e a válvula corresponde ao díodo.

O díodo tem a função de permitir a passagem de corrente num sentido, bloqueando a

sua passagem no sentido inverso.

Fig.2.13 – A válvula bloqueia o fluxo de corrente quando o sentido se inverte

Fig.2.14 – Símbolo eléctrico do díodo e sentido do flu-xo electrónico qundo polarizado directa-mente

Sentido de deslocação dos electrões


A Junção “PN”

Faça a montagem indicada pela figura 2.15.

Uma vez que o díodo está directamente polarizado, a corrente passará segundo o senti-

do fazendo com que a lâmpada acenda.

Fazendo agora a montagem indicada na figura 2.16.

Fig.2.15 – Circuito eléctrico simples com o uso de um díodo

Fig.2.16 – Quando o díodo é polarizado inversamente apresenta uma resis-tência eléctrica muito elevada comportando-se como um circuito aberto fazendo com a lâmpada não acenda.


A Junção “PN”

Como o ânodo está agora a um potencial negativo em relação ao cátodo, a corrente não

circula, comportando-se o díodo como um interruptor aberto fazendo.

Com que o circuito esteja igualmente aberto não circulando qualquer corrente.

Os díodos podem apresentar-se com variados aspectos, como se pode ver na figura

2.17.

2.5 – CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DUMA JUNÇÃO PN

Foram referidos até agora algumas características de funcionamento duma junção sujeita

a diferentes tipos de polarização.

Vamos agora estudar mais algumas propriedades tomando como referencia a curva

característica da figura 2.18.

Fig.2.17 – Aspecto exterior de vários tipos de díodos

Fig.2.18 – Curva característica típica tensão – corrente para uma dada junção PN

T. Ambiente

Alta Temperatura


A Junção “PN”

A análise da figura 2.18, permite-nos concluir que o aumento do valor da tensão directa

aplicada à junção, a partir de zero, só um ligeiro fluxo de corrente directa

Atravessa a junção, até se atingir um certo valor de tensão directa, a partir do qual esta

entra francamente em condução, a).

A corrente aumenta rapidamente para uma pequena variação de tensão (a resistência

directa de junção torna-se baixa).

Na direcção inversa, quando aplicamos uma tensão da polarização inversa, a corrente

inversa de saturação mantém praticamente constante, assumindo valores muito baixos

b).

A resistência inversa da junção torna-se muito alta, até ser atingido um determinado

valor limite de tensão denominado por tensão Inversa de Rotura (num díodo normal

20V).

A inversão das ligações num circuito (e a consequente inversão da sua polarização),

pode originar anomalias de funcionamento, podendo destruir elementos desse circuito

inclusivamente o próprio díodo.

Quando se polariza um díodo em sentido inverso, na realidade ele é atravessado por

uma corrente extremamente fraca.

Essa corrente é tão pequena, que somente com um microamperimetro (aparelho que

detecta correntes mais pequenas que o ampere) é possível detectá-la.

Se aumentar a tensão de polarização inversa, acima do valor para o qual o díodo foi pre-

visto, vai haver uma altura a partir da qual, a resistência do díodo diminui rapidamente,

dando lugar a um aumento de corrente muito brusco irá danificar o díodo.

Por esse motivo, verifique sempre qual é a tensão inversa que se prevê que o díodo

pode suportar.

Outro aspecto importante que se deve Ter em consideração, é a corrente máxima que o

díodo pode suportar sem se deteriorar, quando polarizado directamente.

Como sabe, quando uma corrente percorre um circuito, os seus componentes aquecem

(efeito de joule).

Quando o díodo está polarizado directamente, a corrente que o atravessa, obriga-o a

aquecer.

Para atenuar este efeito, os díodos que estão sujeitos à passagem de corrente intensas,

são constituídos de modo a serem montados sobre placas metálicas, nomeadamente em

alumínio, que têm a função de dissipar o calor.


A Junção “PN”

A maioria dos fabricantes, gravam no corpo do díodo letras identificadoras do ânodo e

do cátodo, o seu símbolo esquemático ou mais usualmente uma lista branca indicadora

do cátodo do díodo como se apresenta na figura 2.19.

Quando os díodos só possuem

um terminal de ligação, isso

quer dizer que a carcaça do

díodo corresponde ao outro

terminal de ligação.

Por vezes, a carcaça do díodo

tem um perno roscado. Este

tipo de díodos destinam-se a

serem montados sobre placas

metálicas, que t~em por função

dissipar o calor que se produz

quando estão em funciona-

mento.

Fig.2.19 – Indicação dos terminais cátodo e ânodo do dío-do através duma barra geralmente pintado a branco do lado do cátodo

Fig.2.20 – Configuração dos terminais de díodo com invólucros metálicos roscados

Fig.2.21 – Díodo com dissipador

Placa dissipadora de calor

Terminal Terminal de liogação


A Junção “PN”

Nota: As placas dissipadoras de calor são boas condutoras de calor e de electricidade.

É por este motivo que se pode fazer a ligação de um fio condutor à chapa e o terminal

de teste funcionar como um segundo terminal do díodo.

Quando estudar a rectificação das corrente, nos alternadores, irá verificar que na mes-

ma placa de dissipação são instalados vários díodos que possuem um ânodo ou cátodo

comum.

As propriedades duma junção PN estão dependentes de alguns factores condicionan-

tes:

Natureza do material semicondutor

Se observarmos as curvas características quer do silício, quer do germânio como se

apresenta na figura 2.22.

Verificamos que o valor da corrente inversa de saturação b) é muito menor para a jun-

ção semicondutora a silício do que para o germânio, logo, conclui-se que esta depende

de natureza do material intrínseco, em igualdade de outros factores, por isso as junções

de silício serem usadas em componentes que podem trabalhar a temperaturas mais

elevadas.

Fig.2.22 – Curva característica tensão–corrente do díodo de silicio compa-rativamente ao díodo de germânio


A Junção “PN”

Em circuitos ligados a grandes potências, onde circulam fortes correntes eléctricas, são

geralmente utilizadas díodos ou componentes feitos de silício.

O germânio devido igualmente ao seu custo mais elevado é utilizado em menor escala

do que o silício.

O germânio tem uma utilização muito grande em telecomunicações, em sistemas de

comando e sensores bastantes sensíveis.

Este tipo de semicondutores dita geralmente o preço do equipamento em questão.

Dopagem da região Tipo N e Tipo P

Para o mesmo material, quanto maior for a dopagem em ambos as regiões maior será o

efeito rectificador de junção, aumentando a corrente directa e diminuindo a corrente

inversa de saturação, em igualdade de tensões aplicadas.

A largura da zona de depleção é tanto menor quanto maior for as dopagens de ambas

as regiões.

Quando as regiões Tipo N e Tipo P possuem desigualdade de dopagens, a zona de

depleção estende-se para a região menos dopada.

Dimensão da Superfície da junção

Esta superfície da junção determina a corrente directa máxima admissível pela junção

sem que as perdas for feito de joule provoque o aumento de temperatura.

Situação analoga se passa quando fazemos passar por um fio com uma secção peque-

na, uma corrente bastante elevada o fio irá aquecer.

Quanto maior for a dimensão, sobretudo de secção de superfície de junção, maior será

a corrente nominal aceitável pelo díodo.


A Junção “PN”

Temperatura da junção

A temperatura é um dos limites mais determinantes das propriedades duma junção dum

díodo que afecta fundamentalmente a característica de rectificação podendo provocar a

distribuição do díodo, caso a temperatura seja elevada.

Pelo contrário, a temperatura muito baixas não haverá condução em qualquer dos senti-

dos.

2.6 – TIPOS DE DÍODOS

Nos capítulos atrás, falamos, sobretudo em díodos cujas junções semicondutoras eram

dopadas com materiais diferentes.

O semicondutor do Tipo N é geralmente silício dopado com fósforo enquanto que o semi-

condutor do Tipo P é de silício dopado com boro.

Existem outros tipos de díodos onde os materiais semicondutores são dopados com

outro tipo de substâncias, conforme a função que estão destinados.

2.6.2 – DÍODO EMISSOR DE LUZ – LED

O díodo emissor de luz (light emisson diode – led) é um díodo com a particularidade de

acender quando percorrido por uma corrente eléctrica no sentido directo.

Polarizada inversamente, ele não acende.

Isto acontece, porque o díodo, sendo constituído por duas junções uma do Tipo P e outra

do Tipo N, a dopagem usada nos semicondutores LED é diferente da dopagem descrita

noutros capítulos.

Quando os portadores de carga electrão – lacuna se recombinam, uma quantidade de

energia é gerada. Esta energia pode aparecer de diversas formas, uma das quais é a de

emissão de luz.


A Junção “PN”

Este feito é utilizado no díodo emissor de luz, o qual é uma junção PN especial, polariza-

da no sentido directo.

A luz emitida é essencialmente monocromática, e o comprimento de onda depende do

material usado.

Um led pode emitir luz no comprimento de onda na gama dos infravermelhos, ultraviole-

tas e até na gama visível pela nossa visão.

Na prática os compostos intermetálicas fornecem a melhor emissão de luz.

O arsenieto da gálio dopado com zinco fornece uma saída luminosa em infravermelhos.

O fosforeto de gálio dopado com silício e zinco fornece uma luz verde e o fosforeto de

gálio dopado com oxigénio e zinco fornece uma luz vermelha.

Só o título informativo fica com a ideia de que para um díodo emissor de luz típico de

arsenieto de gálio as dimensões da pastilha de junção é de 1,270 microns quadrados

sendo a luz emitida pelo topo da superfície da pastilha.

Com a polaridade de cerca de 1 volt e corrente de 100 mA, a luz de saída é de cerca de

50 w de potência luminosa à temperatura ambiente.

Em desenvolvimentos ruentes, a pastilha plana foi substituída por uma pastilha em forma

de abóboda, para evitar reflexões de luz internas dando assim maior eficiência à missão

de luz.

Fig.2.23 – Símbolo do díodo – LED


A Junção “PN”

2.6.3 – FOTODÍODOS

Quando a luz incide numa junção PN, a energia luminosa absorvida pela estrutura cristali-

na do díodo aumenta o nível de energia dos electrões.

Isto provoca a quebra de ligações dos electrões aos seus átomos, criando novos electrões

livres e novas lacunas.

No díodo fotocondutor, uma tensão é aplicada à junção PN e os electrões e lacunas cria-

das próximo da junção pela energia luminosa são atraídas em direcção aposta, resultante

uma corrente que fluirá através do díodo, sendo esta corrente proporcional à intensidade

luminosa.

Pode parecer que este tipo de díodo não tenha viabilidade prática mas ao contrário do

que se possa pensar de inicio este díodo tem grande aplicação em sistemas fotoelectri-

cos, sensores de luminosidade e dentro da industria automóvel

Em sensores de medição de quantidade de combustível existente no depósito.

Fig.2.24 – Fotodíodo em corte

Ligação do cátodo

Luz

Fio de arame

Semicondutor

Ligação do ânodo

Envólucro


A Junção “PN”

Num depósito de gasolina ou gás (GPL) tem de existir um método eléctrico ou electrónico

que seja de tal forma hermético por forma a não criar a ignição do combustível no próprio

depósito.

Existe normalmente um sistema que funciona por meios fotoelectricos como se apresenta

na figura seguinte, figura 2.25.

Ao diminuir o nível de combustível no interior do depósito faz deslocar por meio das

várias alavancas a barra a) opaca de modo a tapar o fluxo luminoso do led emissor de luz

para os fotodiodos que compõem os três sensores.

Este sensor pode operar no ambiente interior do depósito pois não existe nenhum con-

tacto que possa ocasionar alguma disrupção e consequentemente a combustão de todo

o combustível do depósito.

2.6.4 – DÍODO FOTOVOLTAICO

No díodo fotovoltaico nenhuma tensão de polarização é aplicada ao díodo, e desta forma

não existirá queda de tensão através da junção PN, permitindo o aparecimento de uma

barreira de potencial (zona de deflação) como vimos anteriormente.

Fig.2.25 – Sistema de medição da quantidade de gasolina existente no depósito

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3


A Junção “PN”

Quando a luz iniciada sobre a junção, a densidade dos portadores difundidos através da

junção irá aumentar.

Se a região de um dos lados da junção for produzida muito fina, ela pode tornar-se

rapidamente saturada com os portadores, e então, uma diferença de potencial será cria-

da através da junção, e uma corrente irá fluir através de uma resistência externa ligada

aos terminais do componente.

O exemplo mais comum de um díodo fotovoltaico é a célula solar, a qual converte a

energia recebida do sol em energia eléctrica.

Este díodo é largamente usado em satélites como fonte de energia para a alimentação

do equipamento electrónico.

Fig.2.26 – Díodo fotovoltaico

Caixa

Semiconsdutores Lente

Luz Saída

Caixa

Lente

Luz Saída


A Junção “PN”

Num satélite de comunicações os painéis fotovoltaicos são expostos à luz solar durante o

dia carregando as baterias do próprio satélite e de noite os painéis não

Não funcionam dando lugar à descarga sobre todo o equipamento electrónico compo-

nente do satélite.

No automóvel já vai começando a ser bastante utilizado o painel solar com vista na cons-

trução dum automóvel futuro mas ecológico.

O díodo fotovoltaico é o mais caro de todos os díodos o que torna, pelo menos no

momento, impensável economicamente a construção dum automóvel cuja fonte de ali-

mentação sejam os painéis solares fotovoltaicos.

Num satélite de comunicações, as peças mais caras são efectivamente os painéis sola-

res de alimentação ao próprio satélite.

2.6.5 – DÍODO DE ZENER

Em condições normais de funcionamento, quando aplicamos uma tensão inversa a uma

junção por forma a esta ficar polarizada inversamente, verificamos que ela não conduz

corrente eléctrica.

Assim, o díodo está polarizado comportando-se como um circuito aberto, não conduzindo

corrente eléctrica.

Se elevarmos a tensão inversa ao

díodo, chegamos a uma situação que

o díodo atinge o valor de tensão inver-

sa de rotura começando a conduzir

corrente eléctrica progressivamente

até ao ponto de se auto destruir.

Existem díodos, que graças à dopa-

gem utilizada nas junções Tipo P e

Tipo N permitem o seu funcionamento

permanente em polarização inversa.

Este tipo de díodos tem o nome de

díodo de zener. Fig.2.27 – Curva característica do dío-

do de zener

Zona de polariza-ção inversa


A Junção “PN”

Como se apresenta na figura 2.27 o díodo de zener destina-se a explorar a parte do grá-

fico assinalada como zona de polarização inversa.

Os gráficos a) e b) da figura 2.28 representam o comportamento de dois díodos de zener

a) díodo de zener de 4 V; b) díodo de zener de 30 V.

O díodo de zener é um componente electrónico semelhante ao díodo, possuindo tam-

bém dois terminais de ligação.

O seu símbolo esquemático é representado na figura 2.29.

Fig.2.28 – Tipos de curvas características tensão-corrente em polarização inversa

I inv. I inv.

V inv. V inv.

Fig.2.29 – Símbolo do díodo de zener

Sentido contrário ao da deslocação dos electrões


A Junção “PN”

O funcionamento do díodo de zener podes ser comparado a uma válvula montada na

secção dum cano de água como se apresenta nas figuras seguintes.

A figura 2.30 representa um cano no qual está montada uma válvula de paleta com o

eixo na parte de cima e um batente na parte de baixo.

Sobre a válvula de paleta existe uma outra válvula que se encontra fechada pela acção

duma mola.

Quando a água circula no sentido indicado pela figura, a válvula da paleta abre e deixa

passar o líquido.

Um díodo de zener, quando polarizado directamente, comporta-se de um modo seme-

lhante ao do circuito hidráulico indicado anteriormente ou seja: em polarização directa o

díodo de zener funciona como um díodo vulgar.

Fig.2.30 – Analogia do díodo zener a uma válvula hidráulica

Fig.2.31 – Díodo de zener em polarização directa

Sentido de deslocação dos electrões


A Junção “PN”

Se o sentido de circulação da água se inverte, a válvula de paleta encosta-se ao baten-

te e fecha o cano, impedindo o líquido de circular, como se apresenta na figura 2.32.

Um díodo de zender quando polarizado inversamente e desde que a tensão de polari-

zação não ultrapasse um determinado valor, comporta-se de um modo semelhante ao

do circuito hidráulico assinalado no bloco anterior.

Ao valor da tensão de polarização inversa à qual do díodo de zener se torna condutor

chama-se tensão de zener.

Quando neste caso o díodo de zener se torna condutor dá-se uma repentina queda de

resistência entre os seus terminais e consequentemente, um aumento de corrente.

Fig.2.32 – Analogia dum díodo de zener com uma vál-vula de paleta com segurança

Fig. 2.33 – Díodo de zener polarizado inversamente

A corrente não passa


A Junção “PN”

Perante pequenas variações de tensão em torno

do valor da tensão de zener, ocorrem grandes

variações de corrente, que podem repetir-se um

sem número de

Vezes, sem que o valor máximo da corrente não ultra-

passe aquela para que o díodo de zener foi projec-

tada.

A utilizada do díodo de zener reside na aplicação do efeito da tensão de zener.

As características dos díodos de zener são indicados nos manuais dos fabricantes.

Na figura 2.35 encontramos um tipo de díodo de zener e as seguintes características

do mesmo díodo catalogadas pelo fabricante.

As características dos díodos de zener são indicados nos manuais dos fabricantes.

Fig.2.34 –. Variação de corrente num díodo de zener

Fig.2.35 – Exemplo dum díodo de zener com todas as suas características de funcio-namento dadas pelo fabricante

Diodo de Zeuner de Silicio BZT 03/C... Aplicação: Reguladores de Tensio de média potência Prestação máxima Potência dissipada I = 10 mm, TL = 25ºC PV 3,25 W Tamb = 25ºC PV 1,3 W Potência dissipada quando sujeito a picos repetidos de corrente PZRM 10 W Potência dissipada quando sujeito a picos não repetidos de corrente PZSM 600 W Temperatura junção Tj 175 ºC Intervalo de temperatura de bom funcionamento Tstg -65.... 175 ºC

Características Tj = 25 ºC Voltagem directa VF 1,2 V IF = 0,5 A

Cátodo

Dimensões em mm


A Junção “PN”

Os díodos de zener devem ser usados, tendo sempre em conta as suas características

específicas.

Os díodos de zener tem larga aplicação na industria electrónica especificamente na

área de alimentação, mais concretamete em sistemas de estabilização e regulação de

tensão.

Todos os reguladores de tensão possuem díodos de zener com base em regularem a

tensão na aparelhagem ligada, posteriormente ao regulados.

A figura seguinte, apresenta-se um circuito simples com o objectivo de regular a tensão

na linha segundo a tensão dita de zener, figura 2.36.

Estando aplicada uma tensão contínua de 12 [V] aos terminais de entrada (Vin) do

circuito, esta tensão polariza o díodo de zener inversamente até ao valor de tensão

de zener de 6 [V].

Até se atingir a tensão V2 = 6 [V] o díodo não conduz nenhuma corrente.

A partir deste valor, até se atingir o valor de Vin = 12 [V] o díodo se zener passa a

conduzir uma determinada corrente fazendo com que a tensão de saída (Volt) seja

regulada nos 6 [V] não danificando nenhum componente que se encontra a jusante

do díodo de zener.

Fig.2.36 – Regulação duma tensão por meio dum díodo de zener


A Junção “PN”

2.7 – DÍODOS DE POTENCIA

RECTIFICAÇÃO E REGULAÇÃO

A principal aplicação dos díodos de potência são em circuitos rectificadores conver-

tendo tensões alternadas em tensões contínuas.

Iremos descrever de seguida o papel dos díodos de potência como rectificamos num cir-

cuito conversor de corrente alternada em corrente contínua.

Há, pelo menos duas maneiras de rectificar uma tensão alternada:

Rectificação de meia onda.

Rectificação de onda completa.

2.7.1 – RECTIFICAÇÃO DE MEIA ONDA

Quando ligamos um díodo em série com uma fonte de corrente alternada como por

exemplo um transformador eléctrico verificamos que o díodo rectifica a tensão alternada

como se apresenta na figura 2.37.

Fig.2.37 – Rectificação de meia onda

Diodo

Fonte CA


A Junção “PN”

Pelo que estudamos anteriormente, verificamos que o díodo ao ser percorrido pela for-

ma de onda que se apresenta em figura 2.38 vai sendo constantemente polarizado

directamente pelas alternâncias positivas a) e polarizado inversamente pelas alternân-

cias negativas b).

Como o díodo rectificado não conduz corrente eléctrica quando polarizado inversamente

ele só vai conduzir durante os periodos das alternâncias positivas sendo a resistência R

percorrida por uma corrente com uma forma de onda semelhante a da figura 2.39.

Fig.2.38 – Tensão alternada sinusoidal em S

Fig.2.39 – Tensão rectificada em R


A Junção “PN”

2.7.2.1 – RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DÍODOS

Atendendo ao circuito da figura 2.40 verificamos que a sinunoide características de ten-

são e corrente atravessam o transformador mantendo a mesma forma de onda diferido

apenas a amplitude em consequência da relação de transformação do transformador.

A sinusoide da figura 2.41 percorre os dois díodos em simultâneo.

O díodo D1 conduz a primeira alternância positiva uma vez que está polarizado direc-

tamente, o díodo D2, por sua vez, está a funcionar ao corte não conduzindo corrente

porque está inversamente polarizado.

Fig.2.41 – Tensão alternada sinusoidal em S

Fig.2.40 – Circuito eléctrico rectificador de onda completa

Transformador

Fonte CA

Díodo

Resistência

Díodo


A Junção “PN”

Na alternância negativa o díodo D1 encontra-se ao corte deixando de conduzir corrente

eléctrica mas díodos D2 uma vez que passa a estar polarizado directamente, passa à

condução.

Como os dois díodos estão ligados ao mesmo ponto da resistência R, contribuem os

dois para a forma de onda final que atravessa a resistência.

Esta forma de onda apresenta-se na figura 2.42.

Este tipo de rectificação é relativamente pouco utilizado pois necessita sempre dum

transformador de ponto médio por forma a garantir a ligação dos dois díodos, figura

2.43.

Fig.2.42 – Forma de onda de tensão rectificada em R

Fig.2.43 – Circuito eléctrico de rectificação de onda com-pleta utilizando um transformador de ponto médio


A Junção “PN”

2.7.2.2 – RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DÍODOS MONTADOS EM PONTE (PONTE RECTIFICADORA)

Este tipo de rectificação é muito semelhante ao tipo descrito no ponto anterior e é

actualmente o sistema de rectificação mais usual em electrónica.

A montagem dos díodos está disposto de tal forma que constitui uma fonte.

Normalmente denomina-se de fonte rectificadora e para que o circuito funcione devi-

damente todos os díodos terão de possuir características iguais ou equivalentes.

Aos terminais de saída do transformador verificamos a presente duma tensão alterna-

da como se apresenta na figura 2.45.

Fig.2.44 – Circuito eléctrico de rectificação usando uma ponte de díodos ou ponte rectificadora

Fig.2.45 – Forma de onda de tensão alterna-da medida em S


A Junção “PN”

Durante as alternâncias positivas só entram em condução de corrente eléctrica dois

díodos que se encontram, na ponte, polarizadas directamente, como se apresenta na

figura 2.46 na saída da ponte de rectificação de um alternador.

Somente os díodos d1 e d2 conduzem estando os restantes polarizados inversamente

não se encontram portanto à condução.

Por sua vez, durante as alternâncias negativas só entram em condução os díodos D3

e D4 pois são os únicos que se encontram polarizados directamente perante esta cor-

rente (negativa). Observe a figura 2.47.

Fig. 2.46 – Funcionamento da ponte rectificadora nas alternâncias positivas

Fig.2 47 – Funcionamento da ponte rectificadora nas alternâncias negativas


A Junção “PN”

Veja que o sentido da corrente muda somente antes de aingir a ponte rectificadora.

A resistência R é percorrida por uma tensão rectificada em onda completa tal como

se representa na figura 2.48.

As pontes rectificadora podem

existir nos circuitos concebidos

por quadros díodos de potência,

figura 2.49.

Por outro lado, existem no mer-

cada pontes rectificadoras já

feitas e integradas numa só cai-

xa como se demonstra pela

figura 2.50.

Fig.2.48 – Forma de onda de tensão rectificada aos terminais da bateria

Fig.2.49 – Montagem de díodo em ponte

Fig.2.50 – Ponte rectificadora integrada


A Junção “PN”

2.7.2.3 – ESTABILIZAÇÃO E REGULAÇÃO

Como foi visto, no ponto anterior, a forma de onda que obtemos à saída da ponte rectifi-

cadora é uma corrente contínua como se mostra na figura 2.48.

Por forma a tornar a forma de onda o mais contínua possível introduzimos o condensador

C de maneira a que o ripple seja atenuado, figura 2.52.

O condensador C armazena uma certa quantidade de energia à medida que a corrente o

atravessa atenuando assim os “vales” da forma de onda da figura 2.48.

Quanto maior for a capacidade de C maior será a linearidade da forma de onda.

Fig.2.51 – Circuito eléctrico de rectificação, estabilização e regulação de tensão

Fig.2.52 – Tensão aos terminais do condensador C


A Junção “PN”

Quanto menor for a capacidade de C menor será a linearidade da forma de onda.

Quando colocamos o díodo de zener verifica-se que a tensão de saída desta fonte de

alimentação fica regulada nos 6 [V] passando a forma de onda a Ter uma amplitude infe-

rior a forma de onda anterior, como se observa na forma de onde c) da figura 2.53.

a) Maior valor capacitivo em C

b) Manor valor capacitivo em C

c) Com díodo de zener de 6 [ V ] incluído no circuito Fig.2.53


Transístor

3 – TRANSÍSTOR

3.1 – INTRODUÇÃO

A atenção dedicada aos semicondutores ficou mais alrgada quando em 1948, W. Smock-

ley, J. Bardeen e W. M. Brattain inventaram o transistor.

O transístor de contacto pontual foi o primeiro tipo a ser fabricado, com grande aplicação

em pequenos amplificadores de audio, em próteses auditivas e receptores de rádio por-

táteis.

Um dos problemas do transístor de contacto pontual consiste em que hoje não se com-

preende claramente a maneira como funciona sendo portanto difícil conceber transísto-

res deste tipo adaptados às diversas aplicações.

A figura 3.1 mostra a maneira como é constituído um transístor de contacto pontual, e o

modo como pode ser utilizado para amplificar um sinal de corrente alternada.

Fig.3.1 – Tipos de transístores


Transístor

Neste transístor, os fios de contacto em ouro do emissor e do colector são ligados à

pastilha de germânio a uma distância de apenas 0,1 mm um do outro.

Se bem que tenha sido descoberto u pouco mais tarde do que o transístor de contacto

pontual, o transístor de junções é hoje o mais utilizado dadas as suas muitas vanta-

gens.

Em particular, é bastante menos ruidoso, mais pequeno, melhor segurança de funcio-

namento e mais simples de fabricar que o tipo de contacto pontual.

Além disso, a maneira como funciona é já claramente compreendida, podendo os tran-

sístores ser concebidos para aplicações particulares.

Existe um certo número de materiais semicondutores bons para o fabrico de transísto-

res.

Os mais importantes serão provavelmente o silício (Si), o germânio (Ge) e o arsenito de

gálio (GaAs).

Os primeiros transístores utilizavam germânio fundamentalmente dado que é fácil de

trabalhar e pode ser obtido em forma pura.

Outra vantagem deste material é que necessita apenas de uma baixa tensão directa, e

dado que os electrões e lacunas se movimentam facilmente no seu interior os dispositi-

vos podem funcionar a maiores frequências do que os fabricantes com outros materiais

semicondutores.

Fig.3.2 – Transístor de contactos pontuais

Emissor (contacto pontual em fio de ouro)

Colector (contacto pon-tual em fio de ouro)

Resistência de carga


Transístor

Infelizmente, só é útil a temperaturas inferiores a 100ºC. Os transístores, se bem que já

tenha sido necessário algum tempo para desenvolver métodos de produção de material

de alta qualidade e de seu tratamento.

No entanto, o silício, hoje, é o material mais utilizado no fabrico dos díodos comerciais,

transístores e circuitos integrados.

Uma sua grande vantagem relativamente ao germânio é que pode funcionar a temperatu-

ras até 200ºC.

No entanto, a qualidade de funcionamento a alta frequência não é tão boa como no caso

do germânio.

Entre os novos materiais semicondutores, o mais prometedor é o arsenito de gálio.

Está-se actualmente a desenvolver a sua qualidade cristalina e os métodos de fabrico, e

este material adquirirá certamente uma grande importância dentro de pouco tempo fun-

damentalmente no fabrico de lasers. O arseníto de gálio permite temperaturas de traba-

lho até 300ºC, juntamente com uma qualidade de trabalho a alta frequência semelhante à

do germânio.

3.2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR

O transístor é o semicondutor fabricado utilizado placas de material semicondutor.

Uma placa de material de Tipo P obtendo-se um transístor PNP, podendo-se igualmente

inserir uma placa de Tipo P entre placas do Tipo N obtendo-se um transístor NPN.

No transístor existem duas junções, sendo o controlo realizado por um sinal aplicado a

uma determinada secção do transístor.


Transístor

Atendendo à constituição dum díodo,

um transístor é constituído, juntamen-

te um segundo elemento semicondu-

tor do Tipo P ou do Tipo N, ao conjun-

to de junção PN utilizado nos díodos.

Verifica-se assim que, enquanto o

díodo somente possui uma zona de

junção, o transístor possui duas

zonas de junção.

Tal como foi visto no capítulo respei-

tante aos díodos, existem dois tipos

de pastilhas semicondutoras, do Tipo

P e do Tipo N, é possível construí-

rem-se dois tipos de transístores:

PNP e NPN, ver figura 3.4.

Cada uma das três placas condutores que constituem um transístor, possui um terminal

de ligação designando-se por:

Fig.3.3 – Junção PN no díodo e jun-ção do transístor

Fig.3.4 – Transístores do tipo PNP e NPN

E – Emissor; C – Colector; B – Base

Fig.3.5 – Terminais do transístor

Emissor, o elemento que fornece o fluxo de electrões ou lacunas ao tran-

Colector, o elemento para o qual os electrões ou lacunas fluem.

Base, o elemento central ou contro-lador.

Junção

Transístor

Junção Junção


Transístor

No transmissor os semicondutores

são dispostos de modo que o emissor

e o colector estejam muito perto um

do outro.

Como se verá mais adiante, isto desti-

na-se a que a maior parte das lacunas

ou electrões que se dirigem para a

base, passem facilmente para o colec-

tor por causa da velocidade de que

estão animados.

O material semicondutor que constitui a base dos transístores tem menos impurezas que

os materiais semicondutores que constituem o emissor e o colector.

Para explicar como funciona um transístor, vamos escolher um transístor do tipo NPN,

ligado a duas pilhas do modo indicado na figura ao lado.

Os interruptores A e B, nesta primeira fase estão abertos e portanto, não circula corrente.

Fig.3.6 – Constituição do transístor

Fig.3.7 – Distribuição das impurezas (+) e (-) pelas placas condutoras

Anel

Bese Emissor

Colector Cápsula


Transístor

As resistências R1 e R2 irão servir como limitadoras de corrente.

Fechando o interruptor A e mantendo

o interruptor B aberto, a polaridade

negativa da pilha ao ser aplicada ao

emissor (semicondutor tipo N) repele

os electrões do semicondutor do tipo

N em direcção à base, enquanto que

a polaridade aplicada à base

(semicondutor do tipo P) irá repelir

as lacunas do semicondutor do tipo

P.

Deste modo, os electrões e as lacunas, aproximar-se-ão da junção, recombinando-se e

dando assim origem a uma corrente de electrões que irá circular ao longo do circuito.

Esta situação corresponde à de um díodo em polarização directa.

Como comparativamente, a base (semicondutor do tipo P) tem menos impurezas

(menos lacunas) que o número de electrões livres existentes no emissor (semicondutor

do tipo N), nem todos os electrões existentes no emissor se recombinam com as lacu-

nas.

Fig.3.8 – Circuito de polarização do transístor no estado aberto

Fig.3.9 – Polarização directa da junção NP (emissor-base)


Transístor

Quer isto dizer que a corrente de electrões que circula no circuito de polarização directa

(emissor, base) é muito pequena.

Se agora fechar o interruptor B, a segunda junção fica inversamente polarizada e os

electrões do emissor que não se permutarem com as lacunas da base, são atraídos para

o colector que está a um potencial positivo.

Devido à pequena espessura da base

e à velocidade de que os electrões

ficam animados, estes atravessam a

base e, ao chegarem à extremidade

do colector escapam-se pelo terminal

condutor retornando ao gerador de

origem.

Quando aplicar as polaridades correc-

tas a um transístor NPN, poderá verifi-

car que o sentido das correntes são

as indicadas na figura ao lado e que,

a corrente que flui para o emissor é a

soma das correntes que vêm do

colector e da base.

Fig.3.10 – Corrente no circuito de polarização directa (emissor-base), NPN

Fig.3.11 – Passagem da corrente do emissor para o colector

Cor

rent

e do

em

isso

r

Corrente do colector

Corrente da Base


Transístor

A corrente da base representa cerca de 2% da corrente total que circula no circuito.

O funcionamento do transístor PNP é

idêntico ao do transístor NPN. No

entanto, as polaridades aplicadas num

transístor PNP terão de ser opostas

às utilizadas no transístor NPN.

Fechando o interruptor A e mantendo

o interruptor B aberto, a polaridade

positiva da pilha, ao ser aplicada ao

emissor, (semicondutor do tipo P)

repele as lacunas do semicondutor do

tipo P em direcção à base

(semicondutor do tipo N).

irá repelir os electrões do semicondu-

tor tipo N. Deste modo, os electrões e

as lacunas aproximar-se-ão da jun-

ção, recombinando-se e dando assim

origem a uma corrente de electrões

que irá circular ao longo do circuito.

Esta situação corresponde à de um

díodo em polarização directa.

Fig.3.13 – Circuito de polarização do transís-tor PNP no estado aberto

Fig.3.14 – Polarização directa da junção PN (emissor-base)

Fig.3.12 – Fluxos da corrente de electrões no transístor NPN

Corrente de electrões C

orre

nte

do e

mis

sor



Transístor

Como, comparativamente, a base

(semicondutor do tipo N) tem menos

impurezas (menos electrões) que o

número de lacunas livres existentes

no emissor (semicondutor do tipo P),

nem todas as lacunas existentes no

emissor se recombinam com os elec-

trões.

Quer isto dizer que a corrente de elec-

trões que circula no circuito de polari-

zação directa (emissor, base) é muito

pequena.

Nota: Repare que esta situação é idêntica à que acontece no transístor NPN, diferindo

apenas no sentido da corrente, pois neste caso os portadores maioritários são as lacu-

nas.

Se agora fechar o interruptor B, a segunda junção fica inversamente polarizada e as lacu-

nas que não se permutaram com os electrões da base são atraídas para o colector que

tem uma polaridade negativa.

Devido à pequena espessura de base e à velocidade de que as lacunas ficam animadas,

estas atravessam a base e, quando chegarem à extremidade do colector, são permuta-

das por electrões que fluem da pilha.

Fig.3.15 – Corrente no circuito de polarização directa (emissor-base), PNP

Fig.3.16 – Passagem de corrente do emissor para o colector

Cor

rent

e do

em

isso

r


Corrente da Base


Transístor

Quando aplicar as polaridades correctas a um transístor PNP, poderá verificar que os

sentidos das correntes são os indicados na figura ao lado e que a corrente que sai do

emissor representa a soma das correntes do colector e da base.

Tal como num transístor NPN, a corrente de base representa cerca de 2% da corrente

total que circula no circuito.

Nota: Note-se que em termos de corrente de electrões, as junções do emissor, base e

colector de um transístor PNP, estão invertidas em relação às de um transístor NPN.

Para que um transístor funcione correctamente, a primeira junção (emissor, base) deve

estar directamente polarizada e a segunda junção (colector, base) inversamente polariza-

da.

Fig.3.18 – A corrente de electrões do transístor PNP é invertida em relação ao NPN

Fig.3.17 – Fluxos da corrente de lacunas no tranistor PNP

Corrente de electrões

Cor

rent

e do

em

isso

r



Transístor

A partir destas condições, irá verificar que é possível comandar órgãos eléctricos e elec-

tro-mecânicos de grande consumo corrente, por meio de correntes muito pequenas.

Estas é uma das aplicações dos transístores, entre muitas outras existentes.

3.3 – TIPOS DE TRANSÍSTORES

Os transístores aplicam-se nas mais variadas funções na electrónica.

Existem no mercado variados tipos de transístores concebidos e fabricados com

base em diferentes funções.

É difícil enumerar todas as funções e aplicações dos transístores pois isso levaria a

uma explicação bastante exaustiva.

Basicamente os transístores podem ser utilizados em pré-amplificadores, circuitos de

comando de reflecção de imagem e varrimento de ecrãs de TV, circuitos de comando

de canhões electrónicos de cor de TV, circuitos de comutação em computadores e

interruptores.

Fig.3.19 – Polarização das junções nos transístores PNP e NPN

Junção inversamente polarizada Junção directamente polarizada

Junção inversamente polarizada Junção directamente polarizada


Transístor

De entre as variadas aplicações de transístores, podemos diferenciar dois grandes gru-

pos de transístores:

3.3.1 - TRANSÍSTORES DE POTÊNCIA

São concebidos em caixas ou pastilhas com dimensões relativamente grandes de modo

a suportarem correntes e potências elevadas.

As figuras seguintes mostram alguns tipos de transístores de potência.

Por outro lado existem transístores de baixa potência constituídos por invólucros mais

pequenos destinando-se principalmente a comandarem os transístores de potência.

Fig.3.20 – Transístor de potência do tipo NPN com aplicação em circuitos de comando de ignição e comando de injectores em sistemas de injecção MOTRONIC, suporta altos picos de tensão e potências até 10 W.

Fig.3.21 – Transístor de potência do tipo NPN com larga aplicação em circuitos de comuta-ção rápida, comanda potências da ordem dos 100 W e encontra-se normalmen-te em fontes de alimentação e carregadores de baterias.

Dimensão em mm


Transístor

Os fabricantes de transístores apresentam componentes com números de código diferen-

tes como se pode constatar pelas figuras anteriores.

3.3.2 – CODIFICAÇÂO DE TRANSÍSTORES

O código correspondente ao dispositivo semicondutor consiste em:

Duas letras seguidas por um número de série.

Exemplo:

Fig.3.22 – Transístor de potência do tipo NPN com aplicação geral em comutação de sinais de baixa amplitude e andares amplificado-

Dimensão em mm


Transístor

A primeira letra, neste caso B dá-nos a informação acerca do tipo de material semicondu-

tor usado no fabrico do transístor.

“A” – Corresponde a todos os díodos ou transístores constituídos com

germânico.

“B” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados

em silício.

“C” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados

em arsenito de gálio.

“R” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados

com um composto baseado em cádmio.

A Segunda letra indica a função para o transístor deve estar destinado segundo a garan-

tia do fabricante.

“A” – Díodo: Detecção de sinal, comutação, misturador de sinais.

“B” – Díodo: Capacidade variável (valiceptor).

“C” – Transístor: Baixa potência, audio frequência.

“D” – Transístor: Alta potência, audio frequência.

“E” – Díodo: Detecção de sinal.

“F” – Transístor: Baixa potência, alta frequência.

“G” – Díodo: Oscilador.

“H” – Díodo: Sensibilidade magnética.

“U” – Transístor: Alta potência, comutação.

“X” – Díodo: Multiplicador (usado em triplicadores de tensão em TV).

“Y” – Díodo: Rectificador.


Transístor

“Z” – Díodo: Regulador de tensão.

O número de série consiste em:

Três dígitos compreendidos entre 100 e 999 para dispositivos

projectados para uso doméstico.

Três dígitos compreendidos entre 100 e 999 para dispositivos

projectados para uso doméstico.

A nomenclatura seguinte difere da anterior e é bastante usual.

“IN” – Com dois a quatro dígitos numéricos significa que estamos

perante um díodo.

“2N” – Com dois a quatro dígitos numéricos significa que estamos

perante um transístor.

Para que fique com uma ideia mais concreta daquilo que acabou de ser dito, fique-se

com o seguinte exemplo:

O transístor com a codificação BC 549 corresponde a um transístor constituído basica-

mente em silício uma vez que a primeira letra é “B”.

A Segunda letra “C” significa que o fabricante garante o bom funcionamento do transístor

como comutador.

A comutação feita por este transístor não deve ser feita com elevados fluxos de corrente

uma vez que o transístor é de baixa potência.

Por outro lado, o transístor não serve para funcionar em circuitos que funcionam com

altas frequências ajustando-se a frequência muito mais baixas, por exemplo audio fre-

quência, limitando o uso do transístor num receptor de rádio ou TV aos andares respon-

sáveis pela amplificação ou comutação a baixa frequência.


Transístor

Dentro da gama de transístores específicos para comutação existem dois subgrupos que

dividem os transístores de comutação rápida geralmente aqueles que funcionam predo-

minantemente em alta frequência (do inglês High – Switch), e os transístores de comuta-

ção lenta (do inglês Low – Switch).

3.3.3 – SIMBOLOGIA DE TRANSÍSTORES

Basicamente, existem dois tipos de transístores independentes.

Existem transístores de junção NPN e PNP.

Atendendo ao seu funcionamento, como já foi referenciado, os transístores NPN e PNP

possuem símbologias diferentes.

Analogamente aquilo que se passava no capítulo dos díodos, a disposição das pastilhas

semicondutoras dá ao transístor um funcionamento distinto e particular.

No caso do díodo o símbolo utilizado era:

Para o caso dos transístores a símbologia utilizada é:

Fig.3.23 – Simbologia de díodos

Fig.3.23 – Simbologia de díodos


Transístor

3.4 – MONTAGENS COM TRANSÍSTORES

3.4.1 – REGULADORES ELECTRÒNICOS DE CARGA DE BATERIAS

Os técnicos estudaram diversos tipos de reguladores electrónicos com o objectivo de

conseguir uma maior capacidade de suporte de calor, a ocupação dum espaço mais

limitado e consequentemente o peso, um fabrico mais facilitado e sobretudo a libertação

das partes mecânicas que estavam aliadas aos relés que tornavam a vida dos regulado-

res bem limitada bem como outros aparelhos eléctricos ligados à ignição como por

exemplo os platinados.

Os reguladores utilizam básicamente transístores e díodos zener.

Na figura 3.25 está representado um circuito que corresponde a um regulador de carga

de baterias com cinco transístores e em 3.26 apresenta-se o esquema electrónico cor-

respondente.

Analisando a figura 3.26 começamos por distinguir, em primeiro lugar, a posição da

bateria (1) e o conjunto das bobinas do alternador trifásico (2) ligadas à ponte de díodos

rectificadores (3).

Também se pode ver no ponto 4 o interruptor de contacto da chave.

Fig.3.25 – Constituição interna dum regulador electrónico


Transístor

O circuito entra em funcionamento quando se estabelece a ligação com a bateria atra-

vés do interruptor da chave (4) circulando corrente eléctrica através de todo o circuito.

A corrente gerada pela bateria (1) passa através do regulador atravessando em primei-

ro lugar, o fusível (F) de protecção polarizando a base do transístor T2 através da resis-

tência R1.

Neste momento, T2 entra em condução deixando fluir corrente eléctrica que passa do

colector para o emissor deste mesmo transístor através da resistência R2. Como conse-

quência o transístor T1 entra igualmente em condução permitindo que a bobina DE seja

polarizada ligando assim o rotor do alternador que começa a gerar corrente eléctrica

para a bateria tomando em conta que o veio rotor do alternador se encontra em movi-

mento.

Fig.3.26 – Esquema electrónico dum regulador de carga da bateria


Transístor

Ao mesmo tempo, a corrente positiva que entra através da resistência R3 permite a

polarização do conjunto de transístores (T3 e T4) onde praticamente toda a corrente

deste ramo atravessa o transístor T3 comandado pela resistência R7 e pelo díodo de

zener que tem como função pilotar a regulação da tensão da bateria. Nestas condições

a corrente que circula entre o emissor – colector do transístor T4 é praticamente nula e

a corrente de base deste transístor é bastante baixa graças ao conjunto de resistências

R4 e R5 e ao potenciómetro (P).

Assim o transístor T5 não tem corrente de polarização de base encontrando-se na

zona de funcionamento de corte permitindo que a corrente atravesse os transístores T2

e T1 de modo a que o alternador carregue a bateria ligando (DE).

Tudo o que foi dito encontra-se documentado na figura 3.27.

No momento que a bateria se encontra totalmente carregada aumenta a tensão nos ter-

minais do díodo de zener (ZN) como se pode ver na figura 3.28.

Fig.3.27 – Regime de carga da bateria


Transístor

Deste modo, quando a tensão aumenta acima de determinados limites, o díodo de zener

entra em condução permitindo a passagem de corrente que irá polarizar o transístor T3.

Como este transístor é do tipo PNP, ao receber a polarização positiva na sua base leva a

que o transístor entre na zona de funcionamento de corte, bloqueando.

Assim o transístor T4 é polarizado entrando à condução, alimentando o transístor T5,

que por sua vez põe o transístor T2 ao corte uma vez que a tensão na base de T2 dimi-

nui significativamente permitindo que o transístor T1 não conduza nenhuma corrente

desligando do circuito a bobina (DE) de excitação do alternador.

Quando a tensão da bateria diminui até determinado valor, o díodo de zener (ZN) deixa

de conduzir conduzir corrente eléctrica fazendo com que o transístor T3 fique polarizado

e por sua vez T4 deixe de conduzir, e assim T5 fica ao corte deixando o transístor polari-

zado pela corrente da resistência R1.

O transístor T1 é novamente polarizado conduzindo corrente eléctrica para a bobina DE

por forma que esta ponha o alternador em funcionamento e carregue novamente a bate-

ria.

Fig.3.28 – Funcionamento do regulador no regime de bateria totalmente carregada


Transístor

3.4.2 – IGNIÇÂO TRANSISTORIZADA

Este tipo de circuitos tem a grande vantagem sobretudo no seu reduzido tamanho em

comparação com o sistema de ignição por meio de platinados.

Neste momento a electrónica impera já o domínio da ignição dos motores a gasolina

exactamente pela razão em cima referida.

A figura 3.29 temos representado um esquema dum sistema de ignição simples por

transístores.

Como se pode ver, o circuito apresenta fundamentalmente três fases de funcionamento

determinados por blocos, são eles:

Sensor de impulsos (A)

Pré – amplificador (B)

Amplificador de potência (C)

Quando o sensor de impulsos se encontra em posição neutra sem alimentar o transístor

T1, ocorre que o transístor de potência (T4) está a trabalhar na zona de funcionamento

de condução de corrente que uma vez que a sua base se encontra polarizada positiva-

mente, permite a circulação de corrente através da resistência (R1) polarizando o enro-

lamento primário da bobina de ignição.

Por outro lado, no circuito pré – amplificador, a entrada de corrente pela linha positiva

+BAT alimenta a base do transístor (T2) através das resistências (R2) e (R3).


Transístor

Esta polarização positiva da base de (T2) permite a passagem de corrente desde a

resistência (R4) até ao ramo emissor- colector do transístor NPN e o contacto com a

massa através da resistência R5.

Quando se produz um sinal no sensor de impulsos em (A) com a rotação do veio – son-

da, a base do transístor T1 fica polarizado positivamente através da resistência (R6),

este transístor funciona agora na zona de condução circulando a corrente através das

resistências (R2) e (R5). Por sua vez o transístor T2 encontra-se na zona de corte. O

condensador C1 sofre uma descarga positiva que alimenta a base do transístor T3 pon-

do-o em condução, circulando neste momento, uma corrente que atravessa R1, passan-

do por T3 até à massa.

O transístor de potência T4 está na zona de funcionamento de corte não conduzindo

corrente entre o seu colector e o seu emissor.

Assim o enrolamento primário da bobina de ignição deixa de ser percorrida por corrente

eléctrica, sendo este o momento em que se produz indução magnética no enrolamento

secundário e consequentemente alta tensão que posteriormente passará ao distribuidor

e ás velas de ignição.

Fig.3.29 – Esquema electrónico simples de um sistema de ignição

B Preamplificador

C Amplificador de Potência

A Sensor de Implusos


Transístor

Quando o impulso positivo dado à base do transístor T1 termina, este transístor entra

na zona de funcionamento de corte e todo o sistema toma o funcionamento descrito de

inicio.

O ciclo continuará quando, de novo, o sensor de impulso detectar a passagem do veio

– sonda emitindo um impulso à base do transístor T1 e assim sucessivamente.

Os outros componentes tem interesse para o estudo em questão embora possuam um

papel secundário.

O condensador C2 funciona como um filtro bem como C3 que evitam a geração de

interferências geradas pela comutação dos transístores fazendo com que o circuito

electrónico trabalhe com deficiências.

Por outro lado, este circuito permite demonstrar a grande potencialidade da electrónica

que é traduzir um sinal de pequena amplitude como é o caso do sinal detectado pelo

sensor de impulsos, num sinal de amplitude superior por forma a comandar um transís-

tor de potência que liga ou desliga a bobina de ignição do circuito. O transístor substitui

assim o antigo platinado que como peça mecânica possui uma vida muito mais limita-

da.

3.4.3 – DETECTOR DE SONOLÊNCIA

De modo a conseguir aquilo que se considera a máxima segurança na condução dum

veículo, desenvolveu-se um dispositivo electrónico de aviso de situações de alto risco.

Para os condutores profissionais, que nem sempre cumprem a norma que diz respeito

ao número de horas ao volante, criou-se um sistema electrónico que tem como função

avisar o condutor dum modo luminoso e sonoro quando o condutor apresenta o mínimo

sintoma de sonolência.

Quanto tal acontece, verifica-se através da experiência que os músculos ficam mais

distendidos que o normal, sobretudo sobre os músculos das mãos e em consequência

a condutividade da corrente eléctrica através das mãos diminui.

Com este principio colocou-se duas fitas coladas ao volante, feitas de material condutor

onde uma delas é ligada à massa dentro da unidade electrónica.


Transístor

A figura 3.30 representa o conjunto dos elementos que formam este equipamento elec-

trónico.

A figura 3.31 representa a dis-

posição das fitas metálicas no

volante e o respectiva ligação à

unidade electrónica.

Verifica-se que uma das fitas

metálicas é ligada à massa

sendo a outra fita o sensor

principal do sistema.

Fig.3.30 – Conjunto dos sistemas electrónicos que formam o detector de sonolência

Ao distribuidor

Bobina

Buzina Interruptor de contacto

1 – Sensor muscular; 2 – Sensor muscular; 3 – Cabo de ligação á unidade electrónica; 4 – Cur-sor; 5 – Anel de colector; 6 – Cabo de contacto à massa.

Fig.3.31 – Disposição dos controlos do volante para o sensor de distensão muscular

À Unidade Electrónica


Transístor

Pela figura 3.30 temos um esquema geral de todos os elementos onde se situa o sensor

de distensão muscular (A) colocado no mesmo volante.

Em circunstâncias normais, as mãos do condutor permitem estabelecer a ligação eléctri-

ca entre as duas fitas ligando o sistema à massa neste ponto.

É de referir que a corrente eléctrica que percorre as mãos do condutor é bastante baixa

daí que o esquema electrónico deverá incluir um sistema amplificador que terá a função

de tornar esta corrente perceptível pelo sistema.

Para conseguir este objectivo dispõem-se de seguida na figura 3.32 o esquema electró-

nico.

O esquema da figura 3.32 marca a primeira fase de funcionamento do sistema quando o

condutor fixa normalmente as mãos no volante do veículo.

Fig.3.32 – Esquema electrónico do sistema


Transístor

Neste momento passa uma corrente eléctrica que atravessa a resistência variável R2 e

passa através das mãos do condutor até à massa, esta corrente apresenta um valor

bastante baixo (da ordem dos mili – amperes), como já foi dito, mas é suficiente para

polarizar a base do transístor T1 que agrupado ao transístor T2 aumenta a sensíbilidade

do sistema fazendo com que R4 seja percorrida por uma corrente eléctrica por forma

que a tensão na base do transístor T3 é baixa.

Consequentemente e como o transístor T3 não é polarizado e o restante circuito que ele

comanda não é accionado, portanto a lâmpada não acende, o buzzer não emite qual-

quer sinal sonoro e o relé não é accionado, permitindo a continuidade da bateria com o

sistema de ignição.

O potenciómetro R2 serve para regular a sensibilidade do sistema tornando-o mais ou

menos rápido na resposta à distensão muscular das mãos do condutor.

No momento em que o condutor apresenta sinais de cansaço ao volante a firmeza com

que ele agarra o volante diminui aumentando a resistência eléctrica entre as fitas metáli-

cas.

A corrente que anteriormente circulava em R2 até à massa baixa consideravelmente e o

transístor T1 deixa de ver a sua base polarizada uma vez que o contacto das mãos com

o volante constitui um circuito aberto.

Portanto o transístor T1 e consequentemente o transístor T2 deixam de conduzir.

Como se vê pela figura 3.33 a corrente eléctrica passa pelos pontos do circuito assinala-

dos com traço mais grosso, uma vez que o transístor se apresenta ao corte a tensão

entre a base e o emissor do transístor T3 aumenta de forma que este transístor fica

polarizado permitindo que a lâmpada acenda.

Através do díodo D1 circula uma corrente eléctrica que permite que o transístor T4 não

conduza encontrando-se na zona de corte.

O transístor T5 fica com a sua base polarizada porque T4 está ao corte aumentando a

tensão na base do transístor T5 que permite ligar o buzzer e accionar o relé,uma vez

que os componentes se encontram ligados em paralelo.

Uma vez o relé (7) accionado faz com que o sistema de ignição seja desligado da bate-

ria fazendo com que o motor pare nesse mesmo instante.


Transístor

Este sistema constitui assim um dispositivo de segurança do veiculo que vigia constante-

mente a condição física do condutor actuando sobre o funcionamento do automóvel

quando necessário.

3.5 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TRANSÍSTORES

3.5.1 – TÉCNICA DE IMPULSOS

Os transístores podem ser utilizados para ligar ou desligar uma determinada carga a

uma fonte de tensão, com a vantagem sobre qualquer outro tipo de comutação mecâ-

nica, visto operar electricamente e ter uma resposta muito mais rápida.

Fig.3.33 – Esquema electrónico do sistema no momento em que o condutor apresenta sinais de cansaço


Transístor

No comutador mecânico quando ele está aberto, não flui corrente pela carga RL, no

entanto quando ele está fechado toda a tensão Vcc aparece aos terminais da carga RL.

O transístor de comutação tem as mesmas propriedades que o comutador mecânico.

Quando um transístor é usado como comutador é hábito dividir as suas zonas de fun-

cionamento em: região activa, região de corte e região de saturação.

Na região de corte, ambas as junções, a do emissor e a do colector polarizadas inver-

samente não havendo fluxo de corrente entre o emissor e o colector.

Nesta região, o transístor funciona abaixo da curva característica para IE = 0 em que

neste caso IE é a corrente do emissor.

Nos circuitos de comutação a região activa não tem interesse pratico uma vez que o

transístor situa-se normalmente na zona de corte ou na zona de saturação.

A região à esquerda de VCB =0 em que VCB é a tensão medida entre o colector e a base

do transístor e acima de IE = 0 é a zona de saturação.

Fig.3.34 – Circuitos simples de transístores como comutadores

Fig.3.35 – Curva característica do transístor apontando as regiões de funcionamento


Transístor

Nesta região, as junções de emissor e colector estão polarizadas directamente, sendo

portanto o momento em que há passagem de corrente através do transístor.

3.5.2 – CIRCUITO MONOESTÁVEL

O circuito monoestável é o circuito que tem somente um estado estável no qual pode

permanecer por um tempo indeterminado e tem um outro estado quase estável, no qual

pode permanecer um determinado tempo finito.

No circuito monoestável é necessário aplicar um impulso por meio de uma fonte exter-

na para que aquele faça uma transição do estado estável para o estado quase estável,

onde permanecerá um tempo bastante longo em comparação com o tempo de transi-

ção entre estados.

O circuito passará do estado quase estável para o estado estável com necessidade de

aplicar qualquer impulso exterior.

Assim quando se processa o disparo do circuito monoestável o mesmo volta ao estado

original por si próprio ao fim de um tempo T pelo que é conhecido como circuito univi-

brador.

Fig.3.36 – Circuito monoestável com transístores


Transístor

Para o estado quase estável (o transístor T1 a funcionar à condução e T2 ao corte), o cir-

cuito simplifica-se donde se obtém o circuito equivalente:

Para o instante t = 0 a tensão no condensador é dado por V(0) = Vcc + VcE onde VcE = 0

porque o transístor está a trabalhar na zona de saturação.

Ao aplicarmos um impulso aplicado no ponto D, o transístor T2 passa a zona de condu-

ção e consequentemente T1 passa ao centro.

Este estado permanece até que o condensador C descarregue toda a energia que adqui-

riu com o impulso.

Quando o condensador se descarregar, o transístor T1 passa a trabalhar novamente à

condução e T2 por sua vez volta a trabalhar ao corte, como de inicio.

Fig.3.37 – Malha do circuito monoestável

VD – Tensão na Base de T2

+ VCC

VD


Transístor

Como se vê pela figura na forma de onda gerada em VB2 (*) a curva ascendente e a sua

duração dependem do valor capacitivo do condensador conforme este armazene mais

ou menos caga durante o mesmo periudo de tempo

Fig.3.38 – Formas de onda em vários pontos do circuito


Transístor

Aplicações de circuito monoestavel

Este circuito tem aplicações em quase todos os dispositivos com memória podendo com-

plementar o sistema de comando do limpa pára brisas dum automóvel, e ainda poderá

fazer parte integrante da gestão electrónica do mesmo.

A figura 3.39 representa um esquema electrónico de um conta – rotações que tem

como sensor ou captador de impulsos uma pequena bobina que rodeia o cabo de alta

tensão da bobina.

Fig.3.39 – Esquema electrónico de um conta rotações com uma apli-cação dum circuito monoastável

Captador de impulsos


Transístor

Assim a corrente que percorre o cabo das velas gera um campo magnético que é detec-

tado pela bobina que rodeia o cabo. Por sua vez a bobina gera um impulso, por indução

magnética, que emite para o circuito electrónico (ver figura 3.40).

O transístor T1 entra em condução quando o motor está parado uma vez que a base

deste é polarizada negativamente e desta forma ele encontra massa a partir do díodo

D1.

Nestas condições o transístor T2 encontra-se igualmente ao corte porque tem polariza-

ção positiva.

Durante o funcionamento do sistema o transístor T1 é polarizado positivamente cada vez

que é detectado um impulso pelo sensor. Quando isto ocorre, o transístor T1 entra ao

corte mas permite que o transístor T2 entre na zona de condução e estabeleça corrente

para o aparelho M.

Por outro lado, quando o transístor T2 se encontra à condução, estabelece-se uma que-

da de tensão na resistência ligada ao seu colector (R8).

Fig.3.40 – Sensor de impulsos ligado ao cabo de alta ten-são da bobina

Ao conta – rotações


Transístor

O impulso situado no ponto A do circuito bloqueia o díodo D1 de modo que a corrente

de base de T1 não pode circular fazendo com que este transístor fique ao corte.

Na figura 3.41 pode ver-se com mais pormenor, um sistema com a mesma função que o

anterior utilizando um circuito monoestável.

Em primeiro lugar, a presença de um díodo de zener (DZ1) mantém a tensão de alimen-

tação a 8,2 volts para que todo o funcionamento do circuito não seja afectado por oscila-

ções de tensão.

O impulso que se produz no mili - amperímetro é sempre de duração e amplitude cons-

tantes.

Os conta – rotações modernos utilizam geralmente um circuito monoestável com o fim

de gerar os impulsos para o aparelho de medida.

Quando se pretende atrasar impulsos, de um determinado tempo (t), se aplicarmos um

impulso negativo através de um condensador na base do transístor T2, o qual estará a

saturação, passa ao corte ao fim de um determinado tempo, (atraso do impulso) temos

então, no colector do transístor T2 a passagem brusca do potencial Vcc para zero, o que

não é mais do que a resposta do circuito ao impulso aplicado, mas atrasada de um

determinado tempo (t), pretendido.

Fig.3.41 – Esquema dum circuito electrónico de um conta rotações


Transístor

3.5.3 – CIRCUITO ASTÁVEL

O circuito astável é aquele que não apresenta estados estáveis, isto é, por analogia com

o monoestável apresenta dois estados quase estáveis.

O circuito astável tem um comportamento bastante semelhante ao funcionamento do cir-

cuito monoestável. Este comportamento difere porque como se pode ver na figura 3.42,

existem agora dois condensadores ligados às bases dos transístores T1 e T2, ao contrá-

rio do circuito monoestável que só possui um condensador ligado a um dos dois transís-

tores.

Assim explica-se que a descarga do condensador marca o tempo de polarização da base

do transístor a que o condensador está ligado e consequentemente define o numero de

estados de funcionamento que o circuito pode ter.

No circuito astável, o condensador C1 (ver figura 3.42) tem carrega-se através da corren-

te que circula através das resistências R1 e Rc.

Neste momento o condensador C2 encontra-se carregado polarizando a base do tran-

sístor T2, conduzindo este corrente eléctrica (I2),por sua vez o transístor T1 não se

encontra polarizado estando na zona de funcionamento de corte.

Fig.3.42 – Circuito astável


Transístor

No estado seguinte a tensão Vb1 tende a aumentar e ao atingir determinado limite põe

o transístor T1 em condução e consequentemente T2 em corte.

O condensador C1 descarrega a sua energia armazenada sobre a base do transístor T1

e a condução deste permite a carga do condensador C2.

Quando C1 se descarrega o transístor volta a entrar em corte e o transístor T2 volta a

ser polarizado pelo condensador C2 estando em condução.

O circuito astável funciona de forma cíclica trocando as cargas e descargas dos conden-

sadores pelos transístores T1 e T2 indefinidamente até que a tensão de alimentação

seja suficiente para manter o circuito em funcionamento, por isso este circuito toma mui-

tas vezes o nome de multivibrador.

Este circuito gera ondas quadradas como se pode ver pela figura 3.43 cuja frequência

podemos variar pelo que o circuito estável pode ser utilizado como modulador, sendo

para isso necessário aplicar-lhe uma tensão variável V.

Fig.3.43 – Formas de onda do circuito astável medidos em vários pontos


Transístor

Pode ainda ser utilizado como circuito de comando duma gestão de ignição electrónica

ou unicamente como gerador de ondas quadradas ou rectangulares dependente dos

valores das capacidades e das resistências que fazem alongar ou encurtar os estados.

Aplicações de circuito astável

O circuito astável tem um papel importante em circuitos auto no que diz respeito a circui-

tos de comando do pisca-pisca pois não necessita de relés nem de qualquer aparelho

com base mecânica como se apresenta na figura 3.44.

Fig.3.44 – Esquema electrónico de um sistema de comando dos piscas


Transístor

Fig.3.45 – Esquema elaborado do circuito de comando de piscas usando um circuito astável


Transístor

3.5.4 – CIRCUITO BIESTÁVEL

O circuito biestável é aquele que apresenta dois estados estáveis, podendo existir inde-

finidamente em cada um dos estados, só mudando de estado, por uma transição abrup-

ta quando lhe é aplicada uma excitação ou um impulso exterior.

O circuito seguinte constitui aquilo que normalmente se designa por flip-flop.

Se designarmos um dos estados por estado 1, o qual corresponde a estar por exemplo

o transístor T2 a conduzir e o transístor T1 cortado. (Quando T2 está à saturação a ten-

são do colector é próxima de zero).

Para passar ao estado 2, o qual corresponde a termos T1 na saturação e reciprocamen-

te T2 ao corte, (para desbloquear T1) é necessário aplicar um sinal exterior na base, isto

é, um impulso negativo.

O circuito da figura 3.46, utiliza-se com os dispositivos activos, isto é, dois transístores

NPN:

Fig.3.46 – Circuito biestável

Impulso Impulso


Transístor

Quando injectarmos um impulso negativo na base do transístor T2, equivale a colocar-

mos o mesmo na zona de corte desligando o circuito que a ele está agregado.

Passará só a haver corrente no transístor T1 e todo o circuito que está agregado a ele,

como se apresenta na Figura 3.47.

Neste momento a tensão entre o colector e o emissor do transístor T1 é praticamente

nula porque o transístor se encontra na zona de condução existindo um fluxo de corren-

te eléctrica através dele.

Todo o restante circuito se encontra “inerte” no momento.

Quando ligamos um impulso negativo na base do transístor T1 este passa imediatamen-

te a funcionar na zona de corte, cortando todo o fluxo de corrente que por ele passa.

Neste momento o transístor T2 entra em funcionar na zona de saturação pois o impulso

expande-se através da resistência R2 que impondo uma diferença de potencial entre o

colector e o emissor do transístor T2 por forma a colocá-lo na zona de saturação fazendo

com que ele passe a conduzir corrente eléctrica.

Este circuito tem um uso bastante alargado em circuitos de comando electrónico funcio-

nando como interruptor.

O circuito biestável tem aplicação em quase todas as operações digitais de gestão elec-

trónica tal como circuitos de memória e em contadores.

Tem ainda larga aplicação como gerador de impulsos.

Fig.3.47 – Malha em funcionamento do circuito biestável


Transístor

3.5.5 – FONTES DE ALIMENTAÇÃO ESTABILIZADAS

A estabilidade nas fontes de alimentação D.C. tem por finalidade garantir aos terminais

de carga uma tensão constante, independentemente das variações que possa sofrer a

rede de alimentação, a tensão fornecida pelo rectificador e sistema de filtragem e o valor

de carga dentro de determinados valores.

Numa fonte de alimentação estabilizada podemos considerar dois blocos distintos: a rec-

tificação (de meia onda e de onda completa com transformador de ponto médio ou ponte

de díodos) na qual podemos incluir a filtragem e o circuito estabilizador.

Existem fundamentalmente dois tipos de estabilização: a estabilização série e a estabili-

zação paralelo, conforme o estabilizador fica situado em série ou em paralelo com a car-

ga a alimentar.

Fig.3.48 – Tipos de estabilização


Transístor

Estabilização Paralelo

Neste tipo de estabili-

zação o dispositivo

estabilizador é coloca-

do em paralelo com a

carga como referimos

atrás, sendo as varia-

ções de tensão com-

pensadas pela queda

de tensão na resistên-

cia R.

O dispositivo mais largamente utilizado, neste tipo de estabilização é o díodo de zener

como já foi visto no capítulo respeitante a díodos.

Estabilização Série

Este tipo de estabilização caracteriza-se pelo facto de o dispositivo estabilizador ficar em

série com a carga a alimentar.

O funcionamento sumário deste tipo de estabilização consiste no facto de o dispositivo

estabilizador apresentar uma resistência variável que vai compensar as variações de

tensão de entrada ou a variação da corrente na carga, de modo a determinar uma ten-

são constante na saída.

O elemento geralmente utilizado como estabilizador é o transístor aproveitando-se o fac-

to da sua resistência entre colector e emissor variar a corrente aplicada à sua base.

Fig.3.49 –Estabilização paralelo

Fig.3.50 – Estabilização série


Transístor

No circuito da figura 3.50 apenas temos o elemento que se destina a estabilizar e con-

sequentemente a regular a tensão de saída através de tensão de referência fornecida

pelo díodo de zener.

3.5.6 – A MONTAGEM DARLINGTON

Para potências demasiado ele-

vadas, muitas vezes existe difi-

culdade, e em muitos casos até

impossibilidade, de referenciar

um certo tipo de transístores

uma vez que a corrente que se

destina a circular através deles é

bastante elevada.

Para estes casos existe como

alternativa a montagem Darling-

ton.

A figura 3.51 representa o tipo

de montagem Darlington com

dois transístores.

Com o objectivo em aumentar o

rendimento do transístor, ganho

de corrente e tensão recorre-se

à montagem Darlington onde os

dois transístores repartem a

potência que se pretende ali-

mentar.

Outro modo de caracterizar este tipo de montagem é montagem em cascata.

Fig.3.51 – Montagem de transístores em cas-cata tipo Darlington


Transístor

Podem-se assim agrupar dois ou mais transístores com o objectivo de conseguir contro-

lar melhor cargas de elevada potência.

3.6 – CIRCUITOS BÁSICOS AMPLIFICADORES E TRANSÍS-TORES

Vamos considerar o transístor usando-o num circuito eléctrico simples como amplifica-

dor.

Como referimos atrás, dos três modos de funcionamento referidos – Base comum; Emis-

sor comum e Colector comum, ficou estabelecido que o ganho de corrente em base

comum é praticamente unitária e que em emissor comum, especialmente, e colector

comum, o mesmo ganho é alto dependendo porém do tipo de transístor.

Na prática utiliza-se mais vulgarmente a montagem em emissor comum por ser aquele

que apresenta melhores ganhos de corrente e tensão.

Fig.3.52 – Montagem de transístores em cascata tipo Darlington múltiplo


Transístor

Numa primeira análise vamos estudar as condições do transístor em corrente contínua

como se apresenta na figura 3.52.

O circuito da figura 3.52 pretende representar um andar dum circuito amplificador no

que diz somente respeito à polarização em corrente contínua.

Note-se que o transístor obteve a mesma técnica de polarização utilizada quando

referimos o circuito em emissor comum.

Note-se também que as resistências R1 e R2 servem de divisor de tensão para polariza-

ção de base do transístor.

Desta forma o transístor está polarizado e por ele fluem correntes eléctricas que são res-

ponsáveis pela elevação de amplitude da onda de saída do andar amplificador.

Sem polarização em corrente contínua o transístor não amplifica.

Fig.3.53 – Exemplo dum circuito dum patamar amplificador composto por uma mon-tagem em emissor comum sendo este o circuito de polarização em ten-são continua

Fig.3.54 – Aumento da amplitude da sinusoide feito pelo módulo amplificador


Transístor

Injectando um determinado sinal na base do transístor polarizado este sinal aproveita

parte de tensão de polarização por forma a ver a sua amplitude elevada.

O sinal AC é introduzido na base e sai do colector através de condensadores de

modo que as condições de polarização DC não são de qualquer modo afectados

pelo sinal do circuito exterior.

Para evitar perdas do sinal de entrada AC através da resistência de emissor, esta última

é curto-circuitada por um condensador de largo valor capacitivo, por forma a que o sinal

AC apareça directamente entre a Base e o Emissor do transístor.

Fig.3.55 – Circuito amplificador global

AC Entrada

AC Saída


Outros Tipos de Transístores

4 – OUTROS TIPOS DE TRANSÍSTORES

4.1 – O TRANSÍSTOR DE UNIJUNÇÃO, UJT

O transístor de unijunção é um dispositi-

vo com três terminais, cuja principal

característica é exibir uma zona de resis-

tência negativa.

Essa característica confere ao dispositi-

vo propriedades importantes aplicáveis

no projecto de circuitos de comando

mais simples do que com outros disposi-

tivos.

O transístor de unijunção quando está

ao corte, apresenta uma resistência

interna bastante elevada.

O transístor de unijunção é um dispositi-

vo ideal para circuitos de temporização,

circuitos de disparo, sobretudo oscilado-

res, sensores e dispositivos de controlo

de potência.

O transístor é constituído por uma barra de cristal semicondutor Tipo N, no qual está

implantada uma pequena zona de Tipo P.

Nas extremidades da barra estão ligados os dois eléctrodos que constituem a base 1 e

base 2. Na zona do tipo P está ligado o eléctrodo do emissor.

A construção básica e o símbolo de representação é mostrado na figura 4.2.

B1 = base 1

B2 = base 2

E = Emissor

Fig.4.1 – Transístor de unijunção



Uma junção PN é formada numa parte da região Tipo N de silício entre os terminais B e

C.

Podemos seguir o funcionamento através da figura 4.3.

Fig.4.2 – Constituição do transístor de unijunção

Junção PN

Base 2

Base 1

Emissor Emissor

Fig.4.3 – Funcionamento do transístor de unijunção

Forma de onda de saída



A junção PN torna-se directamente polarizada e uma alta concentração de lâminas é

injectada na região do Tipo N que irá provocar uma corrente para o eléctrodo C.

A resistência desta região irá assim descer, devido à presença de uma alta densidade de

portadores, e portanto parte da tensão (VBC) cairá através da região tipo N, mesmo

admitindo que a corrente através da região aumente.

Assim, a resistência negativa da região ocorre entre o emissor (E) e o colector (C), como

se ilustra pelo gráfico da figura 4.4.

Designa-se por região de resistência negativa, uma vez que para um aumento de ten-

são, a corrente desce.

O transístor de unijun-

ção, permite a realização

de geradores de impul-

sos muito simples e

geradores de formas de

onda não sinusoidal.

Fig.4.4 – Curvas características tensão-corrente do transístor de unijunção

Região de saturação

Vale Região de resistência Negativa

Pico

Tensão de Emissor Cor

rent

e do

em

isso

r

Cor

rent

e

Tensão

Fig.4.5 – Circuito prático oscilador com transístor de unijun-ção

Saída



O circuito da figura 4.5 permite

gerar impulso com determina-

da largura de banda e período,

impulsos esses que nos permi-

tem por à condução, dispositi-

vos tais como componentes de

comando ou componentes de

comutação.

Vejamos as formas de onda da

tensão nos vários pontos do

circuito.

Este tipo de transístor é em

muitos casos uma alternativa

aos circuitos monoestável e

astável possuindo a grande

vantagem da diminuição do

número de componentes no

circuito.

Na figura 4.7 apresentamos

um outro tipo de conta rota-

ções que utiliza um transístor

unijunção em substituição do

circuito monoestável como

vimos anteriormente.

Fig. 4.6 – Formas de onda medidos em diversos pontos do circuito

Fig. 4.7 – Esquema electrónico dum circuito conta rotações com um transístor unijunção



Por outro lado, temos na figura 4.8 um circuito electrónico que permite ligar os piscas

em que o circuito de comando é igualmente um circuito com um transístor unijunção.

Analisando a figura 4.6, a forma de onda gerada em Vb2, a frequência pode ser variada

pela variação do valor do condensador e também pela regulação da resistência variá-

vel.

No circuito da figura 4.8 ligamos a saída do transístor unijunção (B2) à base de um tran-

sístor NPN pois a amplitude de oscilação gerada pelo transístor unijunção não é sufi-

ciente para fazer ligar o conjunto de lâmpadas. Por este motivo, o circuito da figura 4.8

terá de possuir um condensador com uma capacidade elevada para que a lâmpada

acenda e apague. Com a diminuição da capacidade em C o circuito irá oscilar com uma

frequência superior até um ponto que a lâmpada manter-se-à sempre acesa.

4.2 – TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET)

O transístor de efeito de campo é um dispositivo cujo controlo de corrente é feito à cus-

ta dum campo eléctrico.

Fig. 4.8 – Circuito de comando de piscas com transístor unijunção



Existem dois tipos de transístores de efeito de campo:

Os de junção (FET, field effect transistors).

Os de Gate isolada, conhecidos por MOS (Metal – Óxido Semicondu-

tor).

Tal como os transístores convencionais de junção, também os transístores de efeito de

campo têm dois tipos de regiões, nomeadamente o canal N e o canal P.

O dispositivo FET é formado a partir duma barra de material semicondutor normalmente

de silício, na qual são injectadas impurezas de modo a torná-la do tipo N ou do tipo P,

daí a designação de canal n e canal p respectivamente.

Nos extremos dessa barra de silício são colocados os contactos puramente ohmícos

que vão constituir os terminais Drain e Source. Estes transístores têm um papel muito

determinante em circuitos de memória como veremos mais adiante.

Fig. 4.9 – Transístor de efeito de campo FET

D – Drain

S – Source

G – Gate



4.3 – FOTOTRANSÍSTOR

Tal como referenciamos no ponto 2.6.2 respeitante ao capítulo sobre díodos também o

transístor tem um seu familiar que funciona com meios fotoeléctricos.

O fototransístor é um dispositivo

fotoeléctrico, cujo funcionamento

pode ser comparado basicamente a

um transístor NPN e PNP, dispondo-

se de uma zona translúcida na cáp-

sula, por onde pode ser iluminado

através dum feixe de luz, não tendo o

terminal de base ligado.

A pastilha semicondutora respeitante à base do transístor é composta por silício ou arse-

nito de gálio e impurezas por forma a ser sensível a qualquer feixe luminoso suficiente-

mente intenso.

A “corrente de base” é gerada simplesmente à custa do feixe que excitando a base do

transístor o põe de imediato na zona de condução.

Este tipo de transístor tem grande aplicação prática em circuitos sensores e detectores

de passagem e proximidade.

A geração de automóveis com controlo automático possui nos seus circuitos de controlo

de navegação sensores múltiplos, todos eles fabricados à custa de fototransístores.

Existe uma geração de fototransístores que possuem duas formas de polarização de

base do transístor.

Fig.4.10 - Fototransístor

C – Colector

E – Emissor



Possuem um terminal que liga a base do transístor e admitem através duma janela, o

feixe luminoso como se apresenta na figura 4.9.

Os dispositivos fotoelécticos, tais como o fototransistor têm aplicações nos circuitos de

controlo devido ao isolamento que proporcionam.

Assim os chamados “opto – copler” que como o próprio nome indica fazem o acopla-

mento óptico de sinais, não são mais do que um fototransístor montados junto com o

díodo emissor de luz, Led (do inglês ligth emission diode) cujo símbolo se representa

do seguinte modo:

C – Colector B – Base E - Emissor

Fig.4.11 – Transístor fototransístor

Fig.4.12 – Opto - coplers


Tirístores

5 – TIRÍSTORES

Um dos componentes mais utilizados nos projectos electrónicos que envolvem controle

de potência, automatismos e temporização é o díodo controlado de silício mais conheci-

do por tiristor ou mais abreviadamente SCR (do inglês Silicon Controlled Rectifier).

Conhecer o princípio de funcionamento deste dispositivo semicondutor não significa

somente um acesso maior aos projectos que o envolvem como também a possibilidade

de criação de novos circuitos e aplicativos bastante interessantes.

O rectificador controlado de silício, é muitas vezes abreviado como SCR, é um compo-

nente rectificado que normalmente bloqueia o fluxo de corrente em ambas as direcções,

mas pode ser disparado de tal modo que a corrente fluirá no sentido directo, enquanto

se mantém bloqueado na direcção inversa, figura 5.1.

Esta característica permite o controlo dos períodos de rectificação, daí o seu nome.

Deste modo o seu funcionamento é muito semelhante ao da válvula electrónica conheci-

da por “Tiratrão”, este é muitas vezes denominado e correntemente conhecido como

tiristor.

Fig.5.1 – Curva característica tensão-corrente do tiristor SCR

Característica directa de condução

Impulso de disparo

Tensão directa de auto-restabelecimento

Característica directa de bloqueio

Tensão Inversa

Tensão de colapso

Cor

rent

e di

rect

a C

orre

nte

inve

rsa


Tirístores

O nome Tiristor é proveniente da palavra grega que significa uma porta. Então, exac-

tamente todos os componentes de quatro camadas (PNPN) com “gates” ou portas

tais como rectificadas controlados de silício, SCR, comutadores bidireccionais,

TRIACS, e interruptores controlados por gates, seriam chamados tiristores.

Contudo, a palavra tiristor começou a ser aceite nos últimos anos, como significando

um SCR.

Um tiristor é um comutador (ou interruptor) de material semicondutor que se apre-

senta vulgarmente como componente com três terminais.

O tiristor apresenta uma dissipação interna bastante baixa.

O tiristor unilateral SCR, e o comutador bilateral correntemente designado por TRIAC,

são frequentemente montados numa caixa como se ilustra pela figura 5.2.

O tiristor tem três ligações onde o perno roscado corresponde ao ânodo, o terminal

mais largo saliente da caixa é o cátodo, e o mais estreito é a gate.

Fig.5.2 – Exemplo prático dum tiristor e respectiva simbologia

Perno

Tiristor

Triac


Tirístores

Existem porém outros tipos de

tiristores com constituição física

bastante semelhante aos tran-

sístores, neste caso o próprio

fabricante define o posiciona-

mento dos terminais através de

marcas no invólucro do compo-

nente.

O triac, por sua vez, é idêntico ao tiristor, excepto no caso do terminal mais largo salien-

te da caixa que é normalmente referido como sendo o terminal principal 1, MT1 (maior

terminal 1) e o perno será portanto o terminal principal 2, MT2.

5.1 - CARACTERÍSTICAS DO TIRISTOR

A característica estática típica dum tiristor, para ambos os estados, condução e corte é

a seguinte:

Fig.5.3 – Terminais do tiristor

Fig.5.4 – Regiões de funcionamento do tiristor SRC

Estado de

condução

Bloqueio directo

Máxima tensão inversa

Avalanche inversa


Tirístores

Analisando a figura 5.4, inicialmente a sua característica eléctrica no sentido directo é de

alta resistência, semelhante portanto à característica no sentido inverso, mas quando é

disparado torna-se de baixa resistência semelhante, portanto, à característica no sentido

directo de um rectificador de junção normal, neste momento o tiristor atinge o estado de

condução.

Uma vez no estado de condução, o componente irá manter-se nesse estado até que a

corrente principal que o atravessa seja reduzida a um valor de corrente bastante peque-

no.

Então ele regressará ao estado de bloqueio e manter-se-á bloqueado até surgir novo

disparo.

Com tensão inversa aplicada, a característica de corrente é semelhante à de um díodo

semicondutor polarizado inversamente.

Nesta região existe uma pequena corrente que vai aumentando com o aumento da ten-

são aplicada, podendo atingir valores elevados quando se atinge a máxima tensão inver-

sa, ou seja, tensão de avalanche inversa.

Quando polarizado directamente, se não tiver impulso de gate aplicado, circula no tiristor

uma pequena corrente de fuga até ser atingida a tensão Vbo (tensão de Breakover), ten-

são à qual o dispositivo passa rapidamente do estado de bloqueio ao estado de condu-

ção.

5.1.1 – TIPOS DE DISPARO DO TIRISTOR

O tiristor pode ser posto à condução por vários modos:

Pelo método convencional, ou seja, por impulso de gate, é-lhe aplicado

um impulso de tensão positivo que produz no tiristor uma corrente

superior à corrente de arranque.

Outra forma de por o tiristor à condução é efectuar também a comuta-

ção do componente para o estado de condução através do aumento

da tensão directa até que ocorra na junção, a tensão de rotura,

(tensão de breakover).


Tirístores

5.2 – OUTRAS CARACTERÍSTICAS

A característica do tiristor pode ser dividida em três zonas, ou sejam: Zona inversa,

zona directa sem corrente de gate e zona directa com corrente de gate.

5.2.1 – CARACTERÍSTICA INVERSA

A característica inversa corresponde ao tiristor estar polarizado inversamente, ou seja,

a junção J2 polarizada directamente e as junções J1 e J3 polarizadas inversamente, por-

tanto ao corte.

Na prática, toda a tensão fica aplicada na junção J1 pois esta apresentada uma resis-

tência inversa bastante elevada e muito maior que a junção J3.

A característica inversa do tíristor é em

tudo semelhante à de um díodo PN com

polarização inversa.

Fig.5.5 – Constituição interna do tiristor


Tirístores

5.2.2 – CARACTERÍSTICA DIRECTA SEM CORRENTE DE GATE

Quando se polariza o tiristor directamente, isto é, o ânodo positivo em relação ao cáto-

do, as junções J1 e J3 ficam polarizadas directamente à condução, e a junção J2 polari-

zada inversamente donde toda a tensão aplicada fica aos terminais daquela junção.

Neste caso não há corrente entre a ânodo e o cátodo existindo apenas corrente inversa

da junção J2.

5.2.3 – CARACTERÍSTICA DIRECTA COM CORRENTE DE GATE

Quando se aplica a corrente de gate, temos o tiristor a conduzir corrente eléctrica, pas-

sando a haver corrente na junção J2, pois além da junção J3 estar polarizada directa-

mente, temos os “transístores” N2P2N, em condução devido à corrente injectada pela

gate do tiristor. Mesmo quando o impulso eléctrico dado na gate do tiristor cessa, o tiris-

tor continua a conduzir corrente eléctrica.

5.2.4 – ESQUEMA EQUIVALENTE DO TIRISTOR

Quando se aplica a corrente de gate

temos o escoamento do tiristor, pas-

sando a haver corrente na junção J2,

pois além da junção J3 estar polariza-

da directamente, temos os

“transistores” N2 P2 N1 em condução

devido à corrente injectada pela gate

do tiristor.

Fig.5.6 – A montagem com transístores dispostos desta for-ma constituem o circuito equivalente do tiristor pos-suindo um comportamento teórico análogo ao SRC


Tirístores

5.3 – TIRISTOR GTO

Existe um tipo especial de tiristor, o chamado GTO, (gate-turn-off) constituído para

poder ser posto ao corte através da gate, com a aplicação de um impulso de corrente

negativo, é um tiristor específico para pequenas correntes, sendo em geral aplicado com

outros tiristores com outros tiristores servindo de comando e a estes.

É um dispositivo com três terminais,

tendo uma gate única onde são apli-

cados impulsos ora positivos ora

negativos consoante se quer por o

dispositivo à condução ou ao corte

respectivamente.

É representado em geral pelo símbo-

lo apresentado na figura 5.7.

5.4 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TIRISTORES

O tiristor é um “díodo” e como tal tem a propriedade de conduzir a corrente num único

sentido. No entanto, a corrente que passa através de um tiristor pode ser controlada

externamente através duma gate.

O tiristor é externamente rápido e pode controlar correntes muito intensas a partir de

sinais muito fracos, o que o torna ideal em aplicações que envolvem sobretudo senso-

res.

Por exemplo, com uma corrente da ordem de 200 µA, apenas podemos controlar uma

corrente de 3 ou 4 A com facilidade, utilizando tiristores comuns.

Existem dispositivos electrónicos cujo funcionamento está dependente de tiristo-res que são os reguladores de carga de baterias.

A figura 5.8 mostra um esquema de um desses reguladores eletrónicos, onde a bobina de excitação do alternador (EXC) é ligada através dum tiristor.

Fig.5.7 – Tiristor GTO


Tirístores

Fazendo a analise do circuito da figura 5.8, o ramo de resistências que compõem um

divisor de tensão que em função da tensão da bateria (pontos + e -) polarizam a base do

transístor T1 através da tensão regulada no potenciómetro de ajuste.

O díodo de zenner regula a tensão presente na bateria. Acima de um determinado entra

em condução de maneira que o transístor T1 fique ao corte permitindo que o tirístor des-

ligue a bobina de excitação do alternador

A tensão que afecta o emissor do transístor T1é limitada a um determinado valor pelo

díodo de zener (DZ1).

Ao ser polarizado, o transístor permite a passagem de corrente eléctrica para a gate do

tiristor através do díodo D2 que serve de válvula unidireccional e a resistência R2 que

tem como função limitar a corrente para a gate do tiristor por forma a não o danificar.

5.4.1 – FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE CONTÍNUA

Para utilizar o tiristor num circuito de corrente contínua, alimentando-o por exemplo com

uma bateria, temos que fazer as ligações mostradas na figura 5.9.

Fig.5.8 – Esquema electrónico dum regulador de carga de bateria


Tirístores

O tiristor SCR é ligado da mesma forma que um interruptor comum, em série com a

carga (dispositivos controlados), por exemplo uma lâmpada, e também com a bateria

ou fonte de alimentação.

Nesta ligação deve ser observada a polaridade dos elementos principais do tiristor, ou

seja, o seu ânodo e o seu cátodo, pois ele só consegue conduzir a corrente num senti-

do, quando polarizado directamente, tal como acontece com o díodo.

Com a gate “G” desligada, o tiristor SCR comporta-se como um interruptor aberto, não

deixando passar corrente alguma, o que significa que a lâmpada permanecerá apagada

(ou a carga desactivada).

Para ligar o tiristor devemos polarizar a gate “G” com uma tensão positiva. Como a cor-

rente necessária ao disparo é muito pequena, é suficiente a ligação desta comporta a

qualquer ponto de potencial positivo através de uma resistência, com valor tanto mais

alto quanto maior for a sensibilidade do componente.

Com o objectivo de limitar a corrente de gate do tiristor é normal utilizarem-se resistências em série. Na figura 5.10 temos duas maneiras de fazer o disparo.

Fig.5.9

Carga (uma lâmpada, por exemplo)

Bateria SCR


Tirístores

Em a) a resistência é ligada ao terminal

positivo da bateria que alimenta o circuito

principal, através de um interruptor de

pressão.

Em b) temos uma fonte separada. Os

tiristores SCR precisam de uma tensão

mínima que varia 1,2 e 2,0 [V] para dis-

parar, sendo esta a tensão mínima desta

segunda fonte (B2).

Basta pressionar por um instante a chave

de disparo para que o SCR ligue e mes-

mo depois de desaparecido o impulso de

disparo, ele mantém-se em plena condu-

ção.

Para desligar o SCR temos duas possibi-

lidades:

Uma delas consiste em interromper por

um instante a corrente principal confor-

me, mostra a figura 5.11.

Fig.5.10 – Circuitos deisparo do tiristor

Interruptor de pressão

Carga

Corrente de disparo

Carga Interruptor de pressão

Corrente de disparo

Fonte auxiliar

Fig.5.11 – Formas de desactivar o funcionamen-to do tiristor SRC

Desligando por um momento o SCR desliga

Pressionando por um instante o SCR deslioga


Tirístores

5.4.2 – FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE ALTERNADA

A tensão da rede de alimentação é alternada, o que significa que a sua polaridade

inverte-se constantemente, havendo em cada inversão instantes em que ela é nula,

conforme se representa na figura 5.12.

Se ligarmos um SCR num circuito de corrente alternada, o seu comportamento será

diferente daquele que vimos anteriormente quando funcionava em corrente contínua.

O primeiro ponto a ser observado é que a tensão cai a zero em cada final de semiciclo,

o que significa que, se o SCR estiver a conduzir nesse instante, mas não tiver impulso

de disparo na sua gate, ele desligar-se-á.

Num circuito de corrente alternada, o SCR precisa ter um estímulo na sua gate, ou

seja, precisa estar com a gate constantemente polarizada positivamente, enquanto

desejarmos que ele conduza num determinado semiciclo.

Se isto não acontecer, o máximo que pode acontecer será o SCR conduzir apenas um

semiciclo inteiro, como se apresenta na figura 5.13.

Fig.5.12 – Funcionamento em corrente alternada

Ponto de máximo positivo Pontos em que a tensão é zero

Pontos de máximo negativo Semiciclo

Ciclo

Tempo


Tirístores

Fig.5.13– Funcionamento do tiristor em corrente alternada

Na rede de corrente alternada

Situação I

Situação II

Situação III

Semiciclo conduzido

O SCR não conduz este semiciclo

Parete do semiciclo conduzzido

Disparo do semiciclo negativo

Não há condução

Disparo no inicio do semiciclo

Disparo no meio do semiciclo


Tirístores

Outro ponto importante está no facto de que o SCR ser um díodo (controlável) e portan-

to só pode conduzir a corrente num sentido.

Isso significa que num circuito de corrente alternada ele só pode conduzir metade dos

semiciclos (apenas os positivos que conseguem por o tiristor à condução) como se

mostra na figura 5.14.

Um tiristor usado para controlar uma lâmpada, por exemplo num circuito de corrente

alternada só pode aplicar metade dos semiciclos, o que significa que ele tem um con-

trolo de 50% da potência.

Dizemos que o tiristor constituí um “controlo de meia onda” quando usado desta forma.

Para que o tiristor possa controlar os dois semiciclos, ou seja, o ciclo inteiro, existem

alguns artifícios interessantes que são mostrados na figura 5.15.

Fig.5.14 – Forma de onda de resposta do tiristor funcionando em corrente alternada

Para manter

o disparo

Tensão na rede

Tensão na carga aplicada pelo SCR

Fig.5.15 – Circuitos de comando simples de cargas por meio de tiristores

Díodo

Díodo Díodos

Carga Carga Sinal na carga

SCR SCR

Rede C.A. Rede

C.A.

Sinal na carga


Tirístores

O primeiro consiste em se fazer a sua alimentação a partir de um sistema de rectifica-

ção de onda completa com dois díodos, figura 5.15 a) em que temos um transformador

com tomada central.

No segundo circuito temos a utilização de uma fonte rectificadora com quatro díodos

que funcionam da mesma forma.

Na utilização dos SCR`s nos circuitos de corrente alternada existem cuidados importan-

tes que devem ser tomados:

Se tivermos um circuito de controle de potência em que os pulsos de disparo podem

ser tanto positivos como negativos, pois são aproveitados a partir da própria tensão

alternada da rede, devemos evitar que os pulsos negativos cheguem à gate do SCR.

Quando SCR estiver polarizado no

sentido inverso, ou seja, com o ânodo

negativo em relação ao cátodo, de

modo algum podemos aplicar um pul-

so negativo de disparo no SCR pois

isso poderá provocar a destruição

imediata do componente.

Para que tal não aconteça montamos geralmente um díodo em série com a gate do

tiristor como se apresenta na figura 5.16.

5.4.3 – DISPARO DA GATE DO TIRISTOR POR MEIO DE SENSORES

A corrente que pode disparar um SCR é geralmente muito pequena, o que significa que

estes dispositivos são muito sensíveis e podem ser ligados directamente a sensores.

O tipo mais comum de sensores que pode ser utilizado de modo directo no disparo de

um tiristor é o LDR. Este componente é, como já foi visto em electricidade básica, uma

resistência variável com o fluxo luminoso que nela incide.

Fig.5.16 – Protecção do tiristor

Carga

Do circuito de disparo

Díodo de protecção


Tirístores

No caso do circuito da figura 5.17 o LDR possui uma resistência com alto valor ohmíco

quando não existe qualquer feixe luminoso a incidir sobre a resistência estando o SCR no

estado de corte de corrente.

Quando se projecta um feixe luminoso no LDR, este passa a ter uma resistência de baixo

valor resistivo representando o potênciometro, um divisor de tensão, queligado à gate do

tiristor permite que este entre no estado de condução.

5.4.3.1 – DISPARO POR LUZ

O tiristor pode então activar um sistema de alarme, uma lâmpada ou outro qualquer dis-

positivo como mostra a figura 5.17.

Devemos lembrar que alimentando o circuito com a tensão de 12 [V], perdemos cerca de

2 [V] no tiristor uma vez que este não é ideal, de tal modo que na carga alimentada só

chegam 10 [V].

Fig.5.17 – Disparo da gate por meio de um LDR


Tirístores

Pela análise da figura 5.17 verificamos que o LDR é ligado junto a um potenciómetro

que serve de ajuste do ponto de sensibilidade.

Com fraca luminosidade o LDR apresenta uma resistência elevada. Ajustando R1 colo-

camos o seu cursor, ligado à gate do SCR num ponto em que a tensão obtida é insufi-

ciente para provar a corrente de disparo. Nestas condições o SCR mantém-se desliga-

do.

No momento em que a luz incide no LDR a sua resistência diminui permitindo que a

gate do tiristor seja percorrida por uma corrente suficiente para que o mesmo seja posto

em condução.

5.4.3.2 – DISPARO POR CORRENTE DO CORPO HUMANO

Os tiristores também podem ser disparados pela corrente que circula através do nosso

corpo quando tocamos no terminal correspondente à gate “G” do tiristor como se apre-

senta na figura 5.18.

Tocando por um instante no fio que liga a gate do tiristor, a corrente que circula entre o

positivo da alimentação passando pelo nosso corpo até à gate do componente é sufi-

ciente para provocar o seu disparo.

Fig.5.18 – Disparo dum tiristor por meio do contacto humano

Terra

Sensor


Tirístores

5.4.3.3 – CARREGADOR DE BATERIAS DE 12V 5A

O cuidado com a bateria do automóvel é essencial para que o veículo funcione adequa-

damente, especialmente no momento do arranque do motor.

Este cuidado deve ser dobrado quando o automóvel permanece parado durante um lar-

go espaço de tempo.

Em especial para aqueles que necessitam de recarregar a bateria frequentemente, fica

este projecto que se destina a carregar a bateria do automovel.

Pode carregar baterias de 12 V com uma corrente máxima de 5 A. O circuito apresenta

também um meio de medir a tensão aos extremos da bateria e proceder à carga da

mesma em função da corrente que atravessa M1(ver figura 5.19)

A tensão alternada presente aos terminais do transformador de alimentação deve estar

compreendida entre 15 e 18V.

Esta tensão é rectificada pela ponte rectificadora e é aplicada na sáida do SCR e ao cir-

cuito nivelador-estabilizador.

O circuito nivelador faz com que DL2 ou DL3 acendam conforme a tensão presente nos

terminais da bateria. O díodo DL3 sinaliza a descarga da bateria gerando um impulso

para o transístor TR2 o qual põe o tiristor na zona de condução.

Uma vez o tiristor SCR1 entrar à condução, a bateria receberá corrente de carga direc-

tamente da ponte rectificadora.


Tirístores

5.4.3.4 – SENSOR ESTRÓBOSCOPICO PARA ACERTO DO PONTO DE IGNIÇÃO DO MOTOR

Trata-se de um circuito relativamente simples onde os terminais (R) e (N) que ligam o

equipamento à bateria impondo a tensão de 12 volts no circuito.

Os transístores TR1 e TR2 constituem um circuito oscilador pela carga e descarga do

condensador C2 transformando assim a tensão contínua da bateria numa corrente alternada que serve de alimentação para o transformador (T1).

Este circuito alimenta o circuito primário do transformador (T1) e como se trata de um

transformador elevador de tensão, ao secundário gera uma tensão de cerca de 600 V

que serve de alimentação base da lâmpada estróboscopica (ver figura 5.20).

Os terminais (A) e (C) estão alimentados mas a lâmpada só acende com um impulso de

alta tensão gerado pelo transformador xenon que acompanha a lâmpada.

Este transformador é alimentado somente quando o tirístor SRC1 é posto em condução.

Fig.5.19 – Esquema electrónico de um carregador de baterias utilizando um tirístor


Tirístores

O disparo de gate do tirístor SRC1 é feito pelo impulso captado na saída do ponto de

alta tensão da bobina.

5.5 – CARACTERÍSTICAS DO TIRISTOR

Os SCR`s mais usados em projectos electrónicos são os da série 106 que podem apare-

cer com as seguintes denominações no mercado:

Fig.5.20 – Esquema electrónico de um sensor estróboscopico para acerto do ponto de ignição

TIC 106 (Texas Instruments) IR 106 (Internacional Rectifier)

MRC 106 (Motorola) C 106 (General Eectric)

Fig.5.21 – Tipos de caixas de tiristores


Tirístores

Quando utilizamos um tiristor num projecto, além da disposição dos seus terminais, que

é mostrada na figura 5.21, também precisamos de conhecer suas características eléctri-

cas eléctrica que são:

Tensão Máxima: A tensão máxima normalmente é dada por uma letra ou número após o

tipo não podendo ser superada com o risco de destruição do componente.

Não podemos usar um SCR de 50 [V] num circuito onde a tensão predominante é 110 [

V].

Uma tolerância normal é usar um SCR que tenha especificação de tensão pelo menos o

dobro daquela que vamos usar.

Por exemplo, numa rede de 110 [V] usamos um SCR de 200 [V], na rede de 220 [V],

um SCR de 400 [V] e assim por diante.

A título informativo deixamos as especificações de alguns tiristores da série 106 – TIC

106 (Texas).

A corrente máxima admissível é de 5 amperes. Para os MCR 106 da Motorola:

Tipo Tensão (V)

TIC 106 A

TIC 106 B

TIC 106 C

TIC 106 D

TIC 106 E

TIC 106 M

TIC 106 S

TIC 106 N

100

200

300

400

500

600

700

800

Tipo Tensão (V)

MCR 106 - 1

MCR 106 - 2

MCR 106 - 3

MCR 106 - 4

MCR 106 - 6

30

60

100

200

400

BIBLIOGRAFIA

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laridade Porto Editora.

A. Silva Pereira, Mário Águas, Rogério Baldaia -Electrónica volume 2 -10oano de es-

colaridade Porto Editora.

Antonio Pinto, Vitor Alves -Tecnologias 1 QoAno de escolaridade Porto Editora.

Antonio Pinto, Vitor Alves -Tecnologias 11° Ano de escolaridade Porto Editora.

Antonio Pinto, Vitor Alves -Tecnokogias 12° Ano de escolaridade Porto Editora.

MALVINO- ELECTRáNICA VOLUME 1 MCGRAW HILL

Hubert, G. -ELECTRICITE ET CIRCUITS ELECTRIQUES, E. T.A.I.

CHAMBEAU PAUL, -L 'Electronique automobile Notions de base E.T.A.I.

E. Duffy James -Auto Electricity and Electronics Technology GoodHeart Willcox.

Egas Branco; Reis Silva -Electrónica Digital Dina Livro

A de Sã -Electronics for Scientists -Prentice Hall

Redaccion de Editec I Rede -La Electronica aplicada ai Automovil, Rede

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes S.1

Pós-Teste

PÓS-TESTE

Em relação a cada um dos exercícios seguintes, são apresentados 4 (quatro) respostas

das quais apenas 1 (uma) está correcta. Para cada exercício indique a resposta que

considera correcta, colocando uma cruz (X) no quadradinho respectivo.

1 – O átomo de alumínio tem na sua terceira e última orbita.

2 – A órbita de valência de um átomo é aquela que permite relacionar-se com outras órbitas de outros átomos.a)

A órbita de valência é:

a) 1 electrão.............................................................................................. □ b) 2 electrões............................................................................................ □

c) 3 electrões............................................................................................ □

d) 4 electrões............................................................................................ □

a) A órbita da 1ª camada de electrões..................................................... □ .b) A órbita da 2ª camada de electrões.................................................... □

c) A órbita da 3ª camada de electrões...................................................... □

d) A órbita da última electrões.................................................................. □


Pós-Teste

3 – Os átomos dos materiais semicondutores, nomeadamente do germânio e do sílicio têm:

4 – O germânio a temperatura próximas dos 0º Kelvin conduz a corrente eléctrica de:

a) 2 electrões de valência......................................................................... □ b) 4 electrões de valência......................................................................... □

c) 8 electrões de valência......................................................................... □

d) 12 electrões de valência....................................................................... □

a) 0 amperes............................................................................................ □ b) 1,5 amperes......................................................................................... □

c) 4 amperes............................................................................................ □

d) 10 amperes........................................................................................... □


Pós-Teste

5 – A corrente eléctrica num semicondutor é feita por:

6 – Para se dopar um semicondutor do tipo P, que tipo de impurezas são utiliza-

das?

a) Electrões que vão do pólo negativo para o pólo positivo da bateria.... □ b) Lacuna que vão do pólo positivo para o polo negativo da bateria....... □

c) Electrões que vão do pólo positivo para o negativo e lacunas que vão do pólo negativo para o pólo positivo.......................................... □

d) Electrões que vão do pólo negativo para o pólo positivo e lacunas que vão do pólo positivo para o pólo negativo................................... □

a) Silício, Germânio, Alumínio.................................................................. □ b) Cloro, Sódio, Magnésio........................................................................ □

c) Boro, Gálio, Índio.................................................................................. □

d) Ferro, Cobre, Alumínio......................................................................... □


Pós-Teste

7 – Para se dopar um semicondutor do tipo N, que tipo de impurezas são utiliza-

das. 8 – A corrente eléctrica num material semicondutor tipo P é feita na maioria por:

a) Silício, Germânio ; alumínio.................................................................. □ b) Antimónio, Fósforo, Alumínio............................................................... □

c) Boro, Gálio, Índio.................................................................................. □

d) Ferro, Cobre, Alumínio......................................................................... □

a) Electrões............................................................................................... □ b) Lacunas................................................................................................ □

c) Protões................................................................................................. □

d) Neutrões............................................................................................... □


Pós-Teste

9) A corrente eléctrica num material semicondutor tipo N, é feita na maioria por: 10) A junção PN constitui aquilo que se chama de díodo. O que acontece quando o

díodo é polarizado directamente e ligado em série com uma lâmpada?

a) Electrões............................................................................................... □ b) Lacunas................................................................................................ □

c) Protões................................................................................................. □

d) Neutrões............................................................................................... □

a) A Lâmpada não acende....................................................................... □ b) A lâmpada acende................................................................................ □

c) Nada acontece...................................................................................... □

d) O díodo aquece e a lâmpada não acende........................................... □


Pós-Teste

11) O que acontece quando o díodo é polarizado inversamente e ligado em série

com uma lâmpada.

12) Como se comporta o díodo quando polarizado directamente.

a) A Lâmpada não acende....................................................................... □ b) A Lâmpada acende.............................................................................. □

c) Nada acontece...................................................................................... □

d) A lâmpada pisca................................................................................... □

a) Não conduz corrente eléctrica.............................................................. □ b) O fabricante não permite que o componente seja polarizado desta

forma................................................................................................... □

c) Conduz corrente eléctrica..................................................................... □

d) Por vezes conduz corrente eléctrica.................................................... □


Pós-Teste

13) Quantos terminais tem um díodo? Como se chamam. 14) O díodo de Zenner ligado inversamente:

a) Dois, cátodo e base.............................................................................. □ b) Dois, ânodo e colector.......................................................................... □

c) Dois, cátodo e ânodo............................................................................ □

d)Três, base, colector e emissor.............................................................. □

a) Não conduz.......................................................................................... □ b) Conduz................................................................................................. □

c) Queima................................................................................................. □

Conduz quando atinge a tensão de Zenner............................................. □


Pós-Teste

15) Quantos terminais de ligação tem um transístor? 16) Quais os nomes que se dão aos pinos dos transístores?

a) Um ou três consoante o tipo................................................................. □ b) Três...................................................................................................... □

c) Dois....................................................................................................... □

d) Quatro................................................................................................... □

a) Emissor, colector, base, cátodo........................................................... □ b) Emissor, colector ,base, ânodo............................................................ □

c) Emissor, colector.................................................................................. □

d) Emissor, colector e base...................................................................... □


Pós-Teste

17) Os transístores podem ser do tipo: 18) Um díodo de silício começa a conduzir quando determinada voltagem lhe é

aplicada no modo de polarização directa, qual o valor mínimo dessa volta-gem?

a) PNP ou MPP........................................................................................ □ b) PNP ou NPM........................................................................................ □

c) PNP ou NPN......................................................................................... □

d) PPN ou NPP......................................................................................... □

a) 0,2 Volts................................................................................................ □ b) 0,7 Volts................................................................................................ □

c) 1,5 Volts................................................................................................ □

d) 12 miliVolts........................................................................................... □


Pós-Teste

19) Qual é a função de um transístor aplicado no estágio de saída de um módulo electrónico?

20) O condensador:

a) Amplificar.............................................................................................. □ b) Pdistribuir.............................................................................................. □

c) Rectificar............................................................................................... □

d) Comutar................................................................................................ □

a) É um semiconduto................................................................................ □ b) Tem uma armadura.............................................................................. □

c) Armazena energia................................................................................ □

d) Todas estão correctas.......................................................................... □


Pós-Teste

21) Quando se liga um transístor, qual é a junção que fica directamente polariza-da?

22) Quais são os díodos que estão directamente polarizados?

a) Emissor e base..................................................................................... □ b) Colector e emissor................................................................................ □

c) Colector e base..................................................................................... □

d) Colector, emissor e base...................................................................... □

a) A e C..................................................................................................... □ b) B e C..................................................................................................... □

c) B e D..................................................................................................... □

d) D e C.................................................................................................... □

Corrigenda do Pós Teste


CORRIGENDA DO PÓS-TESTE

Nº de Perguntas Resposta Certa

1 C

2 D

3 B

4 A

5 D

6 C

7 B

8 B

9 A

10 B

11 A

12 C

13 C

14 D

15 B

16 D

17 C

18 B

19 D

20 C

21 A

22 A

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes C.1

Exercícios Práticos

EXERCÍCIOS PRÁTICOS

EXERCÍCIO N.º 1 - Medição de díodos e transístores com o múltímetro - MEDIÇÃO DE DÍODOS E TRANSÍSTORES COMO MULTÍMETRO , REALIZANDO AS TARE-

FAS INDICADAS EM SEGUIDA, TENDO EM CONTA OS CUIDADOS DE HIGIENE E SEGU-RANÇA.

EQUIPAMENTO NECESSÁRIO - DÍODOS - TRANSÍSTORES - MULTÍMETRO DIGITAL - SUPORTE DE MATRIZES PARA SIMIULAÇÃO DE CIRCUITOS

TAREFAS A EXECUTAR 1 – TESTES DE CONTINUIDADE COM DÍODOS. 2 – TESTES DE CONTINUIDADE COM DÍODOS DE ZENNER. 3 – TESTES DE CONTINUIDADE COM TRANSÍSTORES. 4 – TESTES DE CONTINUIDADE COM TIRISTORES. 5 – MONTAGENS COM PONTES RECTIFICADORAS DE DÍODOS. 6 – MONTAGENS COM TRANSÍSTORES. 7 – MONTAGENS COM TIRISTORES.

Tecnologia dos Semicondutores – Componentes C.2

Guia de Avaliação dos Exercícios Práticos

GUIA DE AVALIAÇÃO DOS EXERCÍCIOS PRÁTICOS

EXERCÍCIO PRÁTICO Nº 1: Medição de díodos e transístores com o multí-metro

TAREFAS A EXECUTAR NÍVEL DE

EXECUÇÃO

GUIA DE

AVALIAÇÃO

1 – Testes de continuidade com díodos.

2

2 – Testes de continuidade com díodos de Zenner.

2

3 – Testes de continuidade com transístores.

3

4 – Testes de continuidade com tiristores.

3

5 – Montagens com pontes rectificadoras de díodos.

3

6 – Montagens com transístores.

3

7 – Montagens com tiristores.

4

CLASSIFICAÇÃO 20

9355 tecnologia dos_semicondutores___componentes

Engineering