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Curso de Eletrônica Analógica – Parte 5 - Transistor Unijunção e de Efeito de Campo (CUR2005)

5.1 - A Estrutura do Transistor Unijunção

O transistor unijunção consiste num dispositivo eletrônico de estado sólido, da família dos transistores, com características que permitem sua aplicação basicamente em circuitos de temporização e osciladores de baixas frequências.

Se bem que este componente já não seja muito usado nas aplicações modernas, suas características são de extrema importância para o entendimento de muitos circuitos e componentes mais modernos, daí termos incluído o UJT (Unijunction Transistor) ou TUJ em nosso curso.

Na verdade, existem hoje diversos componentes com características semelhantes ao transistor unijunção e que serão estudados ainda nesta lição e em outros volumes de nossa série de cursos.

Na próxima figura temos o símbolo adotado para representar o transistor unijunção e a sua estrutura.

 

Estrutura e símbolo do transistor unijunção
Estrutura e símbolo do transistor unijunção

 

 

Conforme podemos ver pela estrutura, num pedaço de material semicondutor do tipo N são ligados dois elementos de conexão externa (eletrodos) que recebem a denominação de base 1 (B1) e base 2 (B2).

Como entre os dois pontos de conexão destes elementos não existem junções para a corrente atravessar, entre estes dois pontos temos uma resistência pura, ou seja, uma resistência ôhmica.

Esta resistência, que pode ser constatada com um multímetro em qualquer sentido de circulação da corrente ou aplicação das pontas de prova, tem um valor típico entre 4 000 ohms e 15 000 ohms.

Esta resistência é chamada de “resistência interbases” e é abreviada nos manuais pela sigla Rbb.

No meio do material semicondutor N é difundida uma região de material semicondutor do tipo P, de modo que entre elas se forma uma junção que é a única junção do transistor, e que lhe dá nome. Na região P é ligado o terceiro eletrodo do transistor unijunção que recebe o nome de emissor (E).

Na prática, para fazer funcionar o transistor unijunção, aplicamos uma tensão positiva a base 2 e ligamos a base 1 à terra, de modo que entre elas circule uma pequena corrente, determinada apenas pela resistência ôhmica entre os dois pontos considerados, conforme o leitor poderá ver clicando na figura abaixo.

 

As correntes no transistor unijunção
As correntes no transistor unijunção

 

 

A região de emissor, entretanto, fica numa posição tal em relação ao material, que temos do lado do material N certa tensão intermediária entre o positivo aplicado e zero volt. A própria junção se comporta como se tivéssemos um diodo ligado a um divisor de tensão, conforme mostra a figura a seguir.

 

Circuito equivalente ao transistor unijunção
Circuito equivalente ao transistor unijunção

 

 

A junção entre RB1 e RB2, onde está ligado o diodo, representa a posição da junção semicondutora em relação ao material N.

A divisão de valores entre estas duas resistências RB1 e RB2 fixa uma importante característica do transistor unijunção, que é a chamada Relação Intrínseca, abreviada por ?. Assim, se a divisão de resistências do material for exatamente ao meio, ou seja, RB1 for igual a RB2, a relação intrínseca será de 0,5.

Se a divisão for tal, que do valor total da resistência interbases RB1 fique com 70%, e RB2 com 30%, a relação intrínseca será de 0,7.

Para um transistor unijunção comum, como o 2N2646, teremos relações intrínsecas típicas entre 0,5 e 0,8. O que significa isso quando usamos o transistor unijunção?

Se aplicarmos uma tensão positiva no emissor do transistor unijunção, de modo a fazer com que ocorra a condução de corrente por este elemento, teremos de vencer dois obstáculos.

O primeiro é a própria junção do diodo que existe no local, que nada mais é do que a junção entre o emissor e o elemento onde estão ligadas as bases. Para vencer esta junção precisamos de 0,6 V, aproximadamente, já que o material é o silício.

O segundo obstáculo é a tensão que existe no ponto em que está ligado o diodo, ou seja, a união entre RB2 e RB1. A tensão neste ponto está justamente determinada pela relação intrínseca.

Assim, se aplicarmos 10 V ao transistor, e sua relação intrínseca for de 0,6, isso significa que precisaremos de 0,6 x 10 = 6 V da relação intrínseca, e mais 0,6 V da junção, para vencer os obstáculos e tornar o transistor condutor. Precisamos então 6,6 V para que isso ocorra, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Disparando o transistor unijunção
Disparando o transistor unijunção

 

 

Mas, o que acontece quando aplicamos uma tensão crescente que, partindo de zero volt no emissor, chega a este ponto de haver a condução?

Neste caso, o que ocorre é que a condução não se faz de maneira suave, mas sim abrupta; o transistor repentinamente tem sua resistência reduzida entre o emissor e a base 1, podendo conduzir assim uma corrente muito intensa. Esta resistência que, conforme vimos, pode ter valores entre 4 000 ohms até 15 000 ohms ou mais, repentinamente cai para um valor que pode ser tão baixo de alguns ohms apenas. Um valor típico para esta resistência, no 2N2646, é de apenas 20 ohms.

Podemos dizer que, em função do que foi visto, o transistor unijunção se comporta como um interruptor acionado por tensão. No ponto de disparo, sua resistência cai acentuadamente caracterizando assim uma curva em que temos uma resistência negativa, conforme o leitor constatará na figura abaixo.

 

Característica do transistor unijunção
Característica do transistor unijunção

 

 

Este comportamento torna o transistor unijunção ideal para ser usado num tipo especial de oscilador que já veremos nas próximas lições.

 

O Transistor Programável Unijunção ou PUT

O PUT ou Programmable Unijunction Transistor, que traduzindo nos leva a Transistor Programável Unijunção, é um dispositivo semicondutor da família dos tiristores.

Trata-se de um dispositivo semicondutor elaborado em torno de 4 camadas de materiais de polaridades alternadas, de modo que seu circuito equivalente pode ser dado por dois transistores numa chave regenerativa como mostram as figuras abaixo.

 

Estrutura do PUT
Estrutura do PUT

 

 

Símbolo do PUT
Símbolo do PUT

 

 

Isso nos leva ao símbolo do PUT mostrado na figura abaixo.

 

Símbolo e aspecto do PUT
Símbolo e aspecto do PUT

 

 

No PUT, podemos programar o ponto de disparo, e ele passa a se comportar como um transistor unijunção (UJT) em que o disparo é determinado pelos resistores R1 e R2 externos, conforme mostra a figura abaixo. Nesta figura também temos os procedimentos de cálculo para determinar os resistores.

 

Programando o PUT
Programando o PUT

 

 

Assim, fazendo uma analogia agora com o transistor unijunção, os resistores externos, determinam a relação intrínseca do componente, ou seja, a tensão de emissor em que ocorre o disparo.

Por estas características, estes componentes são excelentes para a elaboração de osciladores de relaxação, que estudaremos nas próximas lições.

De fato, sua principal aplicação é justamente esta: osciladores de relaxação para serem usados em áudio, timers e outras aplicações de baixas frequências.

O PUT, na realidade é um componente algo antigo, pois foi inventado em 1967, mas não se tornou tão popular como se esperava, dados os avanços muito rápidos da tecnologia dos semicondutores, que logo desenvolveu outras técnicas para se obter os mesmos efeitos com outros dispositivos.

 

5.2 – Outras Aplicações Para os Transistores Unijunção

Além dos osciladores, que serão estudados em lições separadas deste curso, levando em conta que o transistor unijunção vai produzir um pulso somente depois que o capacitor C atinge certa tensão entre suas armaduras, podemos usá-lo como um temporizador ou retardo, conforme mostra a próxima figura, em que temos um circuito de retardo para um relé.

 

Um temporizador com relé
Um temporizador com relé

 

 

Quando ligamos a alimentação, não há polarização para o transistor comum que aciona o relé. Ao mesmo tempo, C carrega-se lentamente através do resistor R, até que o transistor unijunção dispara.

Com o transistor disparando, temos um pulso de curta duração que polariza Q2, de modo que o relé é momentaneamente energizado. O fechamento momentâneo do relé faz com que ele trave, e com isso, a carga é mantida alimentada.

No site do autor o leitor poderá encontrar muitos circuitos práticos utilizando este componente.

 

5.3 – Os Transistores de Efeito de Campo de Junção (JFET)

O transistor de efeito de campo TEC, abreviadamente do Português, ou ainda FET da abreviação em Inglês (Field Effect Transistor), é um dispositivo semicondutor de grande utilidade na eletrônica, dadas suas características.

Encontramos os FETs em muitos pontos dos circuitos dos computadores e de seus periféricos. Existem dois tipos básicos de transistores de efeito de campo. O que vamos estudar inicialmente é o transistor de efeito de campo de junção ou J-FET (JFET).

Na figura a seguir, o leitor poderá ver a estrutura básica de um transistor deste tipo, assim como seu símbolo.

 

Estrutura do JFET e seus símbolos
Estrutura do JFET e seus símbolos

 

 

A região do canal pode ser de material P ou N, o que determina dois tipos de transistores de efeito de campo quanto à polaridade: canal N ou canal P.

No material que forma o canal são ligados dois eletrodos denominados fonte (abreviado por s de “source” em inglês) e dreno (abreviado por d de “drain”). No meio deste material é implantada uma segunda região semicondutora de material de carga oposta (P nos de material N e N nos de material P) que forma uma estreita passagem para a corrente, que vai da fonte ao dreno. Esta região é a da comporta, abreviada por g (de “gate” em inglês).

O fluxo de cargas entre a fonte e o dreno pode ser controlado pela tensão aplicada à comporta, responsável por cargas estáticas capazes de atuar com um campo nesta região. O leitor poderá ver o que ocorre na figura seguinte.

 

Uma tensão em g controla a corrente entre d e s.
Uma tensão em g controla a corrente entre d e s.

 

 

Tomando então um FET de canal N, conforme mostra a figura, a corrente entre o dreno e a fonte é máxima quando a tensão entre a comporta e a fonte é zero. Aplicando-se, a partir deste ponto, uma tensão inversa àquela que polariza a junção do transistor, o canal para a passagem da corrente entre o dreno e a fonte vai estreitando-se pela presença de cargas elétricas, o que significa a redução da intensidade da corrente.

Veja que não podemos aplicar uma tensão que polarize a junção diretamente, pois aí temos a simples condução desta corrente, e não o controle da corrente entre o dreno e a fonte.

Para certa faixa de tensões entre o dreno e a fonte, a proporcionalidade entre a corrente de dreno e a tensão de comporta é quase linear, o que possibilita usar este dispositivo como amplificador de sinais como o transistor. Na próxima figura, o leitor poderá observar uma “família” de curvas de um transistor de efeito de campo deste tipo.

 

Família de curvas de um JFET
Família de curvas de um JFET

 

 

O ganho de um transistor de efeito de campo é expresso por uma grandeza chamada transcondutância (abreviada por gm), correspondendo à relação que existe entre a variação da corrente de dreno em relação a variação da tensão de comporta.

Assim, se o gm de um transistor de efeito de campo é 2 mA/V, isso quer dizer que uma variação de 1 V na tensão de comporta, causa uma variação de 2 mA na corrente entre o dreno e a fonte.

Observe o leitor que corrente sobre tensão, como aparece na fórmula, ou seja, mA dividido por volts é justamente o contrário da Lei de Ohm (que será vista futuramente), que define resistência como tensão sobre corrente.

Assim, também era costume expressar a transcondutância de um transistor de efeito de campo numa unidade chamada “mho”, que é justamente a palavra “ohm” escrita ao contrário! Atualmente, em lugar desta unidade, usamos outra que é o Siemens, abreviado por S e por seus submúltiplos. Isso significa que 2 mA por volt é na realidade expresso como 2 mS (lê-se dois milisiemens).

Para usar um transistor de efeito de campo de junção precisamos polarizá-lo. As configurações também são as mesmas que podemos obter com os transistores bipolares. Essas configurações podem ser vistas na figura abaixo.

 

Configurações dos JFETs
Configurações dos JFETs

 

 

Temos então as configurações de fonte comum, dreno comum e comporta comum. Na próxima figura temos dois circuitos de polarização de um FET para a configuração de fonte comum.

 

Circuitos de polarização do JFET
Circuitos de polarização do JFET

 

 

No primeiro, temos a chamada autopolarização onde o resistor usado tem valores típicos entre 500 k ohms e 10 M ohms. Veja que esta é a impedância de entrada do amplificador, que é bem maior do que a obtida com transistores bipolares.

Esta é uma característica importante dos circuitos que usam transistores de efeito de campo, e que os aproxima muito mais das características obtidas para as válvulas comuns, do que dos transistores comuns.

No segundo caso, temos uma polarização por fonte de corrente constante, onde se melhora a estabilidade de funcionamento do circuito.

Os transistores de efeito de campo de junção mais comuns atualmente são transistores de baixa potência, de uso geral, mas que também podem ser usados em circuitos de RF em frequências de até algumas centenas de megahertz. Podemos usá-los então na amplificação de sinais, geração de sinais em PCs e periféricos, em equipamentos de uso comum como pré-amplificadores de antena para ondas longas, curtas e até mesmo VHF, rádios, amplificadores de som, etc.

Na figura seguinte veremos um pré-amplificador de áudio típico com este tipo de transistor.

 

Pré-amplificador usando um JFET
Pré-amplificador usando um JFET

 

 

O capacitor C1 dá passagem ao sinal de áudio, permitindo que ele chegue à comporta (gate) do transistor, onde é aplicado. O resistor de 2,2 Mohms na comporta do transistor faz sua polarização.

Na fonte (s) temos um resistor e um capacitor. O resistor faz a polarização de modo que, mantemos na fonte (s) do transistor uma tensão bem mais alta que a polarização de comporta, ou seja, mantemos a comporta negativa em relação a este elemento o que é importante para uma operação na região linear do transistor.

O capacitor em paralelo desacopla o sinal, dando-lhe passagem para a terra. No dreno (d) do transistor temos um resistor de carga de onde, a partir de um capacitor (C3), retiramos o sinal de áudio para uma aplicação a uma outra etapa de amplificação.

Circuitos deste tipo podem ser encontrados em equipamentos de som para aumentar a intensidade de sinais de microfones e outros dispositivos que funcionem como fontes de sinais, quando elas são muito fracas.

Encontramos na próxima figura uma versão de amplificador para sinais de rádio usando um FET que pode ser, por exemplo, o BF245. A entrada é sintonizada e o circuito LC pode ser facilmente acoplado à entrada de alta impedância do FET, sem a necessidade de tomadas na bobina, ou outros recursos que vimos ser necessários nos circuitos que utilizam transistores comuns.

 

Um amplificador de RF com entrada sintonizada com JFET
Um amplificador de RF com entrada sintonizada com JFET

 

 

5.4 – Transistores de efeito de campo MOS

O nome Transistor de Efeito de Campo, ou MOS-FET, vem da sua denominação em inglês “Metal Oxide Semicondutor Field-Effect Transistor”, ou traduzindo, transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor.

Se bem que seja um transistor de efeito de campo, em sua estrutura e funcionamento básicos, ele se diferencia bastante em alguns pontos dos transistores de efeito de campo de junção, exigindo assim uma explicação separada.

Em todos os equipamentos eletrônicos modernos encontramos uma grande variedade de transistores de efeito de campo MOS como, por exemplo, os tipos de potência que ocupam posição de destaque nas fontes de alimentação, acionamento dos motores de passo drivers de solenoides e relés e muito mais.

Para o técnico, que deseja reparar ou montar qualquer tipo de equipamento eletrônico, é muito importante conhecer o MOSFET, pois se trata de um componente que faz parte de circuitos que normalmente permitem a reparação de uma forma direta. Os MOSFETs das fontes de alimentação, por exemplo, podem queimar e podem ser substituídos.

Veja na próxima figura as estruturas e os símbolos adotados para representar os dois principais tipos de MOSFETs.

 

Símbolos para os MOSFETs
Símbolos para os MOSFETs

 

 

A base de montagem do semicondutor é um substrato, no caso de material P que, conforme o nome sugere, serve apenas de suporte físico para a montagem dos demais elementos. Neste substrato são difundidas duas regiões de material semicondutor do tipo N que são interligadas por um pedaço de material condutor, formando o “canal”.

Sobre o canal é colocada uma placa de filme metálico e, isolando-a do material condutor do canal, existe uma finíssima camada de óxido de silício. Os eletrodos ligados ao material N recebem os nomes de fonte (abreviada por s de “source” do inglês), e dreno (abreviada por d de “drain”). No material condutor isolado pela capa de óxido de silício temos um eletrodo que recebe o nome de comporta (gate ou abreviadamente g do termo em inglês).

Da mesma forma que num transistor de efeito de campo de junção, podemos controlar a passagem da corrente entre a fonte e o dreno, a partir de uma tensão aplicada à comporta.

O fato da comporta, que é o eletrodo de controle, estar praticamente isolada do canal por onde flui esta corrente, faz com que este dispositivo apresente uma elevadíssima impedância de entrada. A única corrente que flui no eletrodo de comporta é a de fuga, da ordem de bilionésimos de ampère, que não é significativa numa aplicação prática comum.

Mas, se a finíssima capa de óxido garante esta importante propriedade que é a impedância de entrada alta, ela também é responsável pela extrema sensibilidade que o dispositivo apresenta a tensões elevadas.

A simples carga acumulada no corpo de uma pessoa que caminha num carpete, ou que simplesmente trabalha num local seco, o simples toque de uma ferramenta que esteja ligada a uma fonte de tensão mais alta, pode provocar um faiscamento entre a comporta e o canal, destruindo a capa de óxido e assim o componente, conforme o leitor poderá na figura abaixo.

 

Descarga estática causando a queima de um MOSFET
Descarga estática causando a queima de um MOSFET

 

 

Para os transistores de efeito de campo MOS, é importante nunca manuseá-los tocando diretamente em seus terminais, tocando-os com ferramentas ligadas à rede de energia, como por exemplo: uma pistola de soldar.

Muitos transistores de efeito de campo deste tipo são dotados de um anel condutor nos seus terminais, colocando-os em curto para permitir o manuseio e a soldagem quando, então, no circuito com elementos que evitam o aparecimento de tensões perigosas, podem ser retirados.

Para o transporte, podem ser usadas esponjas condutoras ou mesmo embalagens antiestáticas, conforme mostrado na figura abaixo.

 

Protegendo o MOSFET contra descargas estáticas
Protegendo o MOSFET contra descargas estáticas

 

 

Uma maneira de proteger este componente contra estas tensões externas, que podem “furar” a capa de óxido que isola a comporta do canal, é através de diodos na configuração que poderá ser vista na próxima figura.

 

Usando diodos de proteção
Usando diodos de proteção

 

 

Os diodos são ligados de tal forma que, quando a tensão supera um valor que seja perigoso para a integridade do componente, eles entram em condução, desviando a eventual corrente que pode furar a capa de óxido.

Muitos transistores de efeito de campo já vêm de fábrica com estes diodos colocados internamente ao componente. Estes são denominados “transistores de efeito de campo de porta protegida”, que podem ser utilizados sem a necessidade de precauções especiais, com o toque nos terminais ou a sua sobrecarga.

No transistor de efeito de campo que estudamos, a tensão de controle age no sentido de empobrecer o canal no que se refere aos portadores de carga, ou seja, o controle da corrente é feito diminuindo-se a quantidade de portadores de carga do canal. Em inglês utiliza-se o termo “depletion”, para designar este tipo de transistor de efeito de campo MOS.

Podemos, entretanto, fabricar outro tipo de transistor de efeito de campo em que o controle da corrente se faz pelo aumento ou enriquecimento dos portadores de carga, utilizando-se o termo “enhancement” para designá-los. Na figura a seguir o leitor poderá ver os símbolos usados para representar estes transistores.

 

MOSFETs de enriquecimento
MOSFETs de enriquecimento

 

 

Os MOSFETs, além de sua elevadíssima resistência de entrada, que pode chegar em alguns casos a mais de 100 000 000 000 000 ohms (100 teraohms!), também são dispositivos de velocidade de operação muito alta.

Estes transistores facilmente podem amplificar ou gerar sinais de até 500 MHz.

 

5.5 – Cuidados com a ESD

Não é preciso ir muito longe, numa pesquisa, para se verificar que as descargas eletrostáticas (ESD) causam prejuízos anuais de milhões à indústria. Um estudo feito mostra que 60% das falhas em componentes é causada pela ESD.

Quando falamos em ESD, não nos referimos simples às descargas que podem danificar um componente isoladamente, mas que podem danificá-lo em diversas fases de seu uso na fabricação de um produto.

Conforme mostra a próxima figura, dependendo da fase do uso do componente, os prejuízos causados por um dano devido à ESD podem variar do custo do componente quando ele é afetado antes do uso a mais de 1 000 vezes esse custo, se ele ocorrer quando o componente já estiver sendo usado numa aplicação instalada.

 

O custo de uma falha depende do instante em que ela ocorre
O custo de uma falha depende do instante em que ela ocorre

 

 

Justifica-se, portanto, a série de medidas que qualquer usuário de componentes eletrônicos tome para evitar problemas de descargas estáticas.

A maior parte das cargas estáticas, que se tornam potencialmente perigosas à integridade dos componentes eletrônicos, é produzida por atrito. O simples caminhar de uma pessoa sobre um piso isolante pode gerar tensões estáticas de 15 000 volts.

Temos a percepção dessas cargas quando tocamos num objeto, com a possibilidade de escoamento para a terra e descarregamos, sentindo um forte choque. São as torneiras “que dão choque” e maçanetas de porta que fazem o mesmo. A percepção das cargas acumuladas numa pessoa varia conforme a tensão acumulada.

Até 3 500 volts não percebemos a descarga. Acima de 3 500 volts, já sentimos um choque. Com 5 000 V já é possível ouvir a descarga e com 8 000 V a descarga já se torna visível. (atrite uma blusa de lã num quarto escuro e você verá e ouvirá as faíscas produzidas pelas descargas estáticas!).

Para que o leitor tenha uma ideia do perigo potencial que isso representa para os componentes eletrônicos, a maioria deles pode ser danificada com tensões na faixa de 100 a 1 000 volts.

A carga acumulada nos objetos e pessoas depende muito da umidade relativa do ar (recomendamos manter um higrômetro nos locais de trabalho com componente para se ter um controle preciso do perigo potencial que a ESD representa para os componentes).

Um ponto importante a ser observado é que os componentes continuam sensíveis às descargas eletrostáticas, mesmo depois de montados. As descargas podem ocorrer através das conexões e mesmo através de cabos.

 

Prevenção

Roupas comuns não devem ser usadas quando se trabalha com materiais sensíveis a ESD. Essas roupas podem acumular cargas estáticas intensas. É o caso de uma blusa de lã, que já citamos como exemplo, capaz de causar faíscas até visíveis no escuro quando atritada. No trabalho com componentes sensíveis, devem ser usadas roupas especiais, além de técnicas que incluem o uso de equipamentos de proteção.

Existem diversas técnicas que podem ser adotadas, a custo relativamente baixo, para se evitar os problemas da ESD. Basicamente elas focalizam três pontos fundamentais:

Evitar a geração de cargas

Eliminar cargas estáticas da área de trabalho (dissipando ou neutralizando)

Blindar componentes de forma apropriada evitando campos estáticos.

 

Existem diversos tipos de equipamentos que podem ser adotados para evitar os problemas de descargas estáticas, conforme sua origem. Assim, temos:

 

a) Prevenção de Geração de Cargas

São usadas normalmente pulseiras protetoras. Essas pulseiras são aterradas eliminando as cargas que eventualmente se acumulem no corpo, conforme mostram as figuras abaixo.

 

 

Pulseira antiestáticas.
Pulseira antiestáticas.

 

 

Fio de aterramento da pulseira.
Fio de aterramento da pulseira.

 

 

Este recurso remove dois tipos de cargas: as cargas de origem tribo-elétrica, que são originadas quando dois materiais diferentes se atritam, e as cargas por capacitância, que são induzidas pela aproximação do corpo de um objeto carregado.

Outros recursos de aterramento das pessoas que trabalham com os componentes sensíveis podem ser usados. Além das pulseiras, podem ser usadas caneleiras, devendo apenas ser observado que para que esses recursos sejam eficientes, eles devem estar em contacto com a pele. Também existem sapatos especiais que possuem solas capazes de manter o contacto com locais aterrados, de modo que nenhuma carga possa ser acumulada no corpo da pessoa.

Na próxima figura mostramos o modo de se usar essas pulseiras. A placa passa, sem problemas, de uma pessoa para outra.

 

 

Usando as pulseiras
Usando as pulseiras

 

 

Dissipação de Cargas

Uma forma mais lenta, mas também eficiente, de se remover cargas elétricas e um ambiente é através da dissipação. Para essa finalidade são usados materiais dissipativos especiais. Esses materiais são intermediários entre os condutores e os isolantes.

Sua resistência é elevada o suficiente para que possamos trabalhar com uma placa de circuito impresso sobre ele, e alimentá-la sem que correntes apreciáveis circulem, afetando seu funcionamento ou colocando-o em curto, mas baixa o suficiente para permitir o escoamento de cargas estáticas acumuladas.

As cadeiras, que são usadas pelas pessoas que trabalham com os componentes, também devem ser aterradas.

 

Neutralização de cargas

A terminologia usada refere-se aos efeitos da ionização sobre materiais não condutores. Podemos citar como exemplo, os copinhos de café de plástico. Por não serem condutores, eles acumulam milhares de volts de cargas estáticas, as quais não podem ser neutralizadas por aterramento, justamente porque eles não são condutores. A melhor forma de se neutralizar a carga acumulada num objeto com essas características é através de ar ionizado.

Na figura seguinte temos um exemplo de um ventilador-ionizador que é utilizado neste tipo de neutralização de cargas. Este equipamento é alimentado por um transformador de 24 V, emitindo igual quantidade de cargas positivas e negativas. Trata-se de um ionizador “auto-balanceado”.

 

Um ionizado
Um ionizado

 

 

Blindagens

A blindagem é usada para proteger componentes e placas. Sacos de materiais especiais são empregados para o transporte e armazenamento. Essas embalagens possuem pelo menos uma camada intermediária de material condutor (condutividade quase metálica). Observe que os sacos plásticos ou embalagens rosa não oferecem proteção. As que oferecem proteção são as de cor cinza ou prateada.

 

5.6 – Polarização e circuitos com transistores de efeito de campo MOS

Da mesma forma que os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo de junção, para calcular os componentes de polarização, nos baseamos nas suas curvas características, ou seja, na sua família de curvas. Na figura abaixo temos uma família de curva de um MOSFET.

 

Família de curvas de um MOSFET
Família de curvas de um MOSFET

 

 

Nestes gráficos são dadas as curvas da corrente de dreno (id) em função da tensão de dreno (Ed) para diversas tensões de comporta (Eg).

Neste curso básico, entretanto, não teremos os procedimentos de cálculos das polarizações de uma forma mais profunda, mas apenas uma visão geral de como elas funcionam. Cálculos precisos são estudados em cursos mais avançados.

Os MOSFETs são polarizados de modo a manter sua comporta sob uma tensão nula ou negativa em relação ao terminal de fonte (s), conforme o leitor poderá ver no circuito da figura abaixo.

 

Polarização de comporta de um MOSFET
Polarização de comporta de um MOSFET

 

 

O resistor de polarização também serve de proteção em alguns circuitos. Seu valor tipicamente varia entre 500 k ohms e 10 M ohms.

Da mesma forma que no caso dos transistores de efeito de campo de junção, podemos ter as configurações de comporta comum, fonte comum e dreno comum.

Na próxima figura o leitor poderá acessar um circuito típico de um amplificador de alta frequência usando um transistor MOS.

 

Amplificador com um MOSFET
Amplificador com um MOSFET

 

 

Na figura seguinte temos uma variação deste tipo de transistor que é o MOS de comporta dupla, ou seja, um transistor em que podemos controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte, a partir de duas comportas de funcionamento independente.

 

Um MOSFET de comporta dupla
Um MOSFET de comporta dupla

 

 

Este tipo de transistor pode ser usado, com grande eficiência, para misturar sinais tanto de baixa como de alta freqüência. Na utilização de um transistor deste tipo, a comporta não utilizada pode ser mantida a um potencial baixo através de um resistor de polarização, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Polarização da comporta não usada
Polarização da comporta não usada

 

 

5.7 – Os Transistores de potência, Power MOS ou Power-MOSFETS

Com a utilização de uma técnica de difusão da região de comporta numa superfície muito maior, podemos controlar correntes muito mais intensas, obtendo assim transistores MOS de elevada potência.

Na próxima figura poderemos ver a estrutura básica de um transistor deste tipo, também denominado “V-MOS” em vista do formato em V da região da comporta e canal.

 

Estrutura de um transistor V-MOS
Estrutura de um transistor V-MOS

 

 

Trata-se de um dos primeiros tipos de transistores MOS de potência que foram utilizados. Hoje, outras técnicas levam a configurações que recebem genericamente o nome de Power MOSFETs ou MOSFETs de Potência. Na figura abaixo temos outra estrutura para transistor deste tipo.

 

Outra estrutura para um MOS de potência
Outra estrutura para um MOS de potência

 

 

Estes transistores podem operar com tensões de até mais de 500 V, dependendo do tipo e com correntes muito intensas que, em alguns casos, chegam a várias dezenas de ampères. Podemos então controlar potências de carga de elevados valores, com um ganho muito elevado, o que torna estes dispositivos ideais para uso em fontes de alimentação de computadores, amplificadores de áudio, controle de solenoides, motores, relés e lâmpadas.

Na próxima figura, o leitor poderá ver um exemplo de aplicação em que uma saída de áudio utilizando este de transistor pode fornecer potências de mais de 100 W a um alto-falante num amplificador.

 

Saída complementar com MOSFETs de potência
Saída complementar com MOSFETs de potência

 

 

É interessante notar que a qualidade de áudio obtida por este tipo de transistor, num amplificador é melhor do que a obtida por transistores comuns, devido a ausência da distorção por crossover. Explicamos o que é isso:

Conforme estudamos, um transistor bipolar comum só começa a conduzir realmente a corrente quando a tensão em sua base atinge uns 0,6 V. Isso significa que, se tivermos um sinal senoidal, quando a tensão passa pelo ponto de zero volt, ou seja, cruza a linha de zero volt, conforme o leitor poderá pela figura seguinte o transistor não acompanha esta variação de modo linear.

 

 

Distorção no ponto de cruzamento por zero
Distorção no ponto de cruzamento por zero

 

 

Neste cruzamento, chamado de “crossover” em inglês, o transistor manifesta esta impossibilidade de trabalhar com tensões abaixo de 0,6 V, e com isso causa uma distorção do sinal. Se bem que pequena, ela pode significar uma perda da fidelidade de sinal que nos amplificadores comuns pode ficar entre 0,1 e 2% tipicamente.

No entanto, os transistores MOS de potência, como todos os FETs, não apresentam o ponto de crossover nas condições normais de operação, o que significa que não ocorre este tipo de distorção na amplificação de sinais de áudio.

O resultado é que, com estes transistores, podemos elaborar etapas de saída de amplificadores de áudio com taxas de distorção tão baixas como 0,001%.Sem dúvida, uma taxa tão pequena de distorção não pode ser percebida pelo ouvido mais sensível.

 

Na Prática

Os transistores de efeito de campo de potência (Power-FETs, V-FET, D-FET e outros) podem controlar correntes muito intensas e, por isso, encontram algumas aplicações importantes nos equipamentos elétricos comuns. A principal é em fontes de alimentação. As fontes de alimentação de uma grande quantidade de equipamentos modernos são tipo chaveado e operam com correntes intensas.

Nelas, um transistor de alta potência, normalmente um Power-FET, funciona como uma chave que abre e fecha rapidamente, determinando quanto de corrente passa e com isso a tensão na saída.

Um circuito apropriado determina o tempo de fechamento do transistor em função da tensão de saída, ou seja, faz a regulagem. Um componente cujas características se aproximam bastante das dos transistores de efeito de campo é a válvula pentodo.

Antigamente, as etapas de saída de amplificadores de alta fidelidade eram feitas com este tipo de válvula. Na próxima figura temos uma etapa típica em “push-pull”, como já conhecemos das lições anteriores, mas com transistores bipolares.

 

Etapa de saída push-pull com válvulas pentodo
Etapa de saída push-pull com válvulas pentodo

 

 

Entretanto, ao lado da qualidade de som, garantida pela não existência da distorção por crossover, tais etapas apresentavam uma série de inconvenientes, além do fato das válvulas precisarem de muito mais energia para funcionar e serem componentes volumosos.

Os transformadores deveriam ter características especiais, e para potências elevadas consistiam em componentes pesados e caros. Um transformador de saída para um amplificador, do tipo “ultra-linear”, não pesava menos de 3 quilos!

 

ÍNDICE

Introdução

Parte 1 

Parte 2

Parte 3 

Parte 4

Parte 5 (Você está aqui)

Parte 6

Parte 7

Parte 8

Parte 9

Parte 10

Parte 11

Parte 12

 

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