Imagens de cabeçalho aleatórias... Recarregue a sua página para ver mais!

Transístores de Efeito de Campo – JFET: Ficha de Trabalho

Curso Profissional de Técnico de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Electricidade e Electrónica
Ficha de Trabalho: Transístor de Efeito de Campo – JFET

JFET

Introdução:

O transístor bipolar, que estudámos anteriormente, baseia o seu funcionamento em dois tipos de carga: electrões e lacunas. Por isso se chama bipolar.
Estudaremos agora um outro tipo de transístor, chamdo transístor de efeito de campo (FET). Este tipo é unipolar porque o seu funcionamento depende apenas de um tipo de carga, seja ele alectrões livres ou lacunas. Por outras palavras, o FET tem portadores maioritários mas não tem minoritários.
Para a maioria das aplicações lineares, o dispositivo mais usado é o transístor bipolar. Mas há algumas aplicações lineares para as quais o FET se adequa melhor, já que tem uma alta impedância, entre outras propriedades. Por outro lado, é o tipo preferido para aplicações em que funciona como interruptor. Isto porque, não havendo portadores minoritários, pode cortar mais rapidamente já que não existe carga armazenada que se deva eliminar da junção.
Há dois tipos de transístores unipolares: JFET e MOSFET

Ideias Básicas

jfet1

A figura a) mostra uma secção de semicondutor tipo n.
O extremo inferior chama-se fonte (source) e o superior dreno (drain).
A fonte de alimentação VDD obriga os electrões livres a circular da fonte até ao dreno.
Para se produzir um JFET é preciso ainda difundir áreas de semicondutor tipo p, como se mostra na figura b). Estas duas áreas encontram-se ligadas entre si e exteriormente para um terminal chamado porta (gate).

Efeito de Campo

jfet2

A figura mostra a maneira normal de polarizar um JFET: A tensão de alimentação do dreno é positiva e a da porta é negativa.
O nome “efeito de campo” vem das zonas de deplecção que rodeiam cada zona p e onde os electrões livres da zona n se recombinam com as lacunas da zona p.

Corrente de porta

Num JFET, a junção porta-fonte é sempre polarizada inversamente.
Isso faz com que IG seja aproximadamente zero –> o JFET tem uma R de entrada praticamente infinita (centenas de MΩ).

A tensão de porta controla a corrente de dreno
Quanto mais negativa for a tensão de porta maior é a zona de deplecção e mais estreito é o canal n por onde os electrões livres passam da fonte para o dreno, diminuindo assim a corrente de dreno.
O JFET é pois um dispositivo controlado por tensão de entrada (VGS) que controla uma corrente de saída.

Símbolo

O JFET que vimos chama-se de canal n, por razões óbvias, cujo símbolo é um de:

jfet3

Existe um JFET de canal p, com todas as correntes e tensões invertidas.

Exemplo:

Supondo uma corrente de porta de 2 nA, num JFET MPF 102, quando a tensão de porta inversa é de 15V, qual é a resistência de entrada em contínua do dispositivo?

Solução:

Usando a lei de ohm:
Rin = 15 V / 2 nA = 7500 MΩ

Características de Saída

Na figura seguinte mostra-se um JFET com tensões de polarização normais:

jfet4

Corrente de Dreno máxima
Se fizermos VGS = 0, isto é, se curto-circuitarmos a porta e a fonte, a corrente de dreno é máxima.
A figura c) mostra o gráfico da corrente de dreno ID em função de VDS para esta situação.
Vemos que quando VDS aumenta a corrente aumenta também muito, mas depois, quando VDS atinge o valor VP, no qual o canal já é estreito, a corrente não aumenta mais (IDSS).
A zona activa está entre VP (tensão de estrangulamento) e VDSmáx (tensão de ruptura), na qual o JFET actua como uma fonte de corrente IDSS (é um dos parâmetros mais importantes do JFET – é o seu limite de corrente) com VGS = 0.
A parte inicial da curva é a chamada zona óhmica, em que:
RDS = VP / IDSS

Corte e Estrangulamento da Porta

SE VGS variar, temos uma família de curvas de saída, como se mostra no exemplo seguinte:

jfet5

A curva inferior é especialmente importante. Observe-se que um VGS = – 4 V reduz a corrente de dreno quase a zero. Esta tensaõ chama-se tensão porta-fonte de corte, VGSoff, e é quando o canal desaparece.
Note-se que VGSoff = – VP

Exemplo 2:

Um JFET MPF4857 tem VP = 6V e IDSS = 100 mA.
Qual é a sua resistência óhmica?
Qual é a sua tensão de corte porta-fonte?

Solução:

RDS = 6 V / 100 mA = 60 Ω
VGSoff = – VP = -6 V

Características de Transferência

É um gráfico que representa ID em função de VGS

jfet6

Polarização na zona óhmica

O JFET pode estar polarizado na zona óhmica ou na zona activa. Quando o polarizamos na zona óhmica, comporta-se como uma resistência; na zona activa comporta-se como uma fonte de corrente.

Polarização de Porta

jfet7

jfet8

VD = VDD – ID.RD
Este tipo de polarização não é bom para polarizar o JFET na zona activa já que IDSS e VGSoff variam muito de transístor para transístor (ex: 4 a 16 mA e -2 a -8 V), pelo que Q é muito instável, mas é bom para polarizar na zona óhmica:
IDsat = VDD / RD
Para estarmos seguros que de que o JFET está polarizado na zona óhmica, só precisamos de fazer VGS = 0 e:
Idsat << IDSS Por exemplo, se um JFET tem IDSS = 10 mA, a saturação forte ocorrerá se VGS = 0 e IDsat = 1 mA Nesta zona podemos substituir o JFET por uma resistência de valor RDS. Exemplo 3:

Qual é a tensão de dreno na figura seguinte?

jfet9

Solução:

Como VP = 4 V, VGSoff = – 4 V. Antes do ponto A, a tensão de entrada é de -10 V e o JFET está ao corte. Neste caso, a tensão de dreno é de VD = 10 V.
Entre os pontos A e B, a tensão de entrada é 0V. O limite superior da recta de carga para corrente contínua tem uma corrente de saturação de IDsat = 10 V / 10 kΩ = 1 mA.
A figura seguinte mostra-nos a recta e carga para corrente contínua. Como IDsat é muito menor que IDSS, o JFET está em saturação forte.

jfet10

A resistência óhmica vale:
RDS = 4 V / 10 mA = 400 Ω
Então, VD = 400 Ω / (10 kΩ + 400 Ω) . 10 V = 0,385 V

Polarização na Zona Activa

Polarização com Divisor de Tensão

jfet11

VS = VG – VGS

VG – VGS VG
ID = —————- –> ——–
RS RS
(pois, normalmente, VG >> VGS e por isso
desprezamos VGS na análise)

Como resultado, a corrente de dreno é quase constante para qualquer JFET, mesmo tendo em atenção a sua grande discrepância de parâmetros, de um exemplar para outro.

A figura seguinte mostra a recta de carga para contínua. Para um amplificador, o ponto Q tem que estar na zona activa. Isso significa que VDS é muito maior que ID . RDS (zona óhmica) e menor que VDD (corte).
–> … Polarização com duas fontes; com fonte de corrente; autopolarização.

jfet12

Exemplo 4:

Desenhar a recta de carga para corrente contínua e o ponto Q da figura:

jfet26

Solução:

O divisor de tensão produz uma tensão de porta de 10 V.
Desprezando VGS, temos que VS = 10 V
A corrente de dreno é: ID = 10 V / 2 kΩ = 5 mA
E a tensão de dreno: VD = 30 V – (5 mA) . (1 kΩ) = 25 V
A tensão dreno-fonte vale: VDS = 25 V – 10 V = 15 V
A corrente contínua de saturação vale: IDsat = 30 V / 3 kΩ = 10 mA
E a tensão de corte: VDScorte = 30 V
Então a recta de carga é:

jfet25

Transcondutância

Para analisar amplificadores com JFET, precisamos estudar um parâmetro para sinal que se denomina transcondutância, que é dada por:
gm = id / vgs
Ela diz-nos quão eficiente é a tensão porta-fonte para controlar a corrente de dreno.
A sua unidade é o mho ou Siemen.
Em termos de curva de transferência (ID versus VGS), uma maior transcondutância corresponde a uma maior inclinação na curva de transferência, conforme se vê na figura a seguir:

jfet13

O dreno de um JFET actua como uma fonte de corrente com um valor gm.vgs
A equação de gm para qualquer valor de VGS é:
VGS
gm = gm0(1 – ————— )
VGS(off)

sendo gm0 o valor de gm quando VGS é zero e VGS(off)

-2.IDSS
———–
gm0

Vemos que gm diminui linearmente quando VGS se torna mais negativa, propriedade que é muito útil no CAG (Controle Automático de Ganho)

Exemplo:

Um 2N5457 tem uma IDSS = 5 mA e uma gm0 = 5000 μS.
Qual é o valor de VGS(off)?
Quanto vale gm quando VGS = 1 V ?

Solução:

– 2 . (5 mA)
VGS(off) = ——————-
5000 μS

gm = (5000 μS) . ( 1 – ½) = 2500 μS

Amplificação com JFET

A figura seguinte mostra um amplificador em fonte comum

jfet14

Os condensadores de acoplamento e de desacoplamento são como curto-circuitos para o sinal, pelo que este está acoplado directamente na porta. Como a fonte está desacoplada à massa, toda a tensão alterna de entrada aparece entre a porta e a fonte. Esta produz uma corrente alterna de dreno, que circula pela resistência de dreno, originando uma tensão invertida e amplificada. Esse sinal de saída está acoplada à resistência de carga.

Ganho de Tensão
Após alguma análise com o circuito equivalente, poderemos chegar a:
A = gm . rd

Seguidor de Fonte

jfet15

O sinal de entrada chega pela porta e o sinal de saída está acoplado da fonte para a resistência de carga. Como o seguidor de emissor, tem um ganho de tensão inferior a 1. A sua principal vantagem é a sua alta resistência de entrada.
O seu ganho de tensão será:

gm . rs
A = —————–
1 + gm . rs

Exemplo:

Se gm = 5000 μS, na figura seguinte, qual será o sinal de saída?

jfet16

Solução:
A resistência para sinal de dreno é:
rd = 3,6 kΩ // 10 kΩ = 2,65 kΩ
O ganho de tensão é:
A = (5000 μS) . (2,65 kΩ) = 13,3
A tensão de saída será:
vout = 13,3 . (1 mV pp) = 13,3 mV pp

Exemplo:

Se gm = 2500 μS, na figura seguinte, qual é o sinal de saída do seguidor de fonte?

jfet17

Solução:

A resistência para sinal de fonte é:
rs = 1 kΩ // 1 kΩ = 500 Ω
(2500 μS) . (500 Ω)
A = ——————————- = 0,556
1 + (2500 μS) . (500 Ω)

Devido à impedância de entrada ser 1MΩ, o sinal de entrada na porta é aproximadamente 1 mV. esta forma a tensão de saída é:
vout = 0,556 . (1 mV) = 0,556 mV

Questões:

1. Um JFET
a) É um dispositivo controlado por tensão
b) É um dispositivo controlado por corrente
c) Tem uma resistência de entrada pequena
d) Tem um ganho de tensão muito grande

2. Um transístor unipolar utiliza
a) Tantos electrões como lacunas
b) Só electrões livres
c) Só lacunas
d) Um deles, mas não ambos

3. A impedância de entrada de um JFET
a) Tende para zero
b) Tende para um
c) Tende para infinito
d) É impossível de prever

4. A porta controla
a) A largura de canal
b) A corrente de dreno
c) A tensão de porta
d) Todos os anteriores

5. O díodo porta-fonte de um JFET deveria estar
a) Polarizado directamente
b) Polarizado inversamente
c) Polarizado tanto directamente como inversamente
d) Nenhuma das anteriores

6. Comparando com um transístor bipolar, o JFET tem muito mais
a) Ganho de tensão
b) Resistência de entrada
c) Tensão de alimentação
d) Corrente

7. A curva de transferência é
a) Linear
b) Similar ao gráfico de uma resistência
c) Não linear
d) Nenhuma das anteriores

8. A transcondutância aumenta quando a corrente de dreno se aproxima de
a) 0
b) ID(sat)
c) IDSS
d) IS

9. Um amplificador de fonte comum tem um ganho de tensão igual a
a) gm . rd
b) gm . rs
c) gm . rs / (1 + gm . rs)
d) gm . rd / (1 + gm . rd)

Problemas:

1. Um 2N5458 tem uma corrente de porta de 1nA quando a tensão inversa é de -20V. Qual é a resistência de entrada da porta?

2. Um 2N5640 tem uma corrente de porta de 1 nA quando a tensão inversa é de -10V e a temperatura ambiente de 100ºC. Qual é a resistência de entrada da porta?

3. Um JFET tem IDSS = 16 mA e Vp = 3V. Qual é a tensão porta-fonte de corte? E o valor de RDS?

4. Um 2N5555 tem IDSS = 15mA e VGS(off) = -2V. Qual é a tensão de estrangulamento para este JFET? Qual é a resistência dreno-fonte RDS?

5. Um 2N5457 tem IDSS = 1 a 5 mA e VGS(off) = -0,5 V a -6V. Quais são os valores mínimo e máximo de RDS?

6. Um 2N5462 tem IDSS = 8 mA e VGS(off) = – 4V. Qual á a tensão de porta e a corrente de saída na metade de corte?

7. Se um 2N5486 tem IDSS = 14 mA e VGS(off) = -4 V, qual é a corrente de saída quando VGS = -1V? E quando VGS = -3 V?

8. Qual é a corrente de saturação de dreno na figura seguinte? E a tensão de dreno?

jfet18

9. Se a resistência de 10 kΩ da figura anterior aumentar para 30 kΩ, qual a tensão de dreno?

10.Qual é a tensão no dreno na figura anterior?

11. Se a resistência de 20 kΩ da figura seguinte se reduzir para 10 kΩ, qual é a corrente de saturação do dreno? E a tensão de dreno?

jfet19

12. Qual é a tensão de dreno na figura seguinte?

jfet20

13. Desenhe a recta de carga em contínua e o ponto Q para a figura anterior.

14. Qual a tensão de dreno na figura anterior seguinte?

jfet21

15. Um 2N4416 tem uma IDSS = 10 mA e gm0 = 4000 μS. Qual é a tensão porta-fonte de corte? Qual é o valor de gm0 para VGS = -2 V?

16. Um 2N3370 tem uma IDSS = 2,5 mA e gm0 = 1500 μS.
Qual é o valor de gm para VGS = -1 V’

17. Se gm = 3000 μS na figura seguinte, qual é a tensão alterna de saída?

jfet22

18. O amplificador JFET da figura anterior tiver a característica mostrada b), qual é a tensão alterna de saída?

19. Se o seguidor de fonte da figura seguinte tem uma gm = 2000 μS, qual é a tensão alterna de saída?

jfet23

20. O seguidor de fonte da figura anterior tiver a característica de transferência mostrada, qual a tensão alterna de saída?

jfet24

Posts Relacionados:

4 comentários

1 sergio mosquera { 01.27.10 at 1:50 }

Por favor voceis não tem esta materia em PDF não disponho de um Word que possa salva-la integralmente , é o { Br Office.org } e que para meu grau de conhecimento é de grande interesse salvar no meu CP aguardo-os por favor . Muito Obrigado

2 admin { 01.29.10 at 11:27 }

já seguiu

3 SALULUA MANKANGILA { 10.04.12 at 10:07 }

GOSTEI DA INFORMACAO. É TAO CLARO, ESPERO ENCONTRAR SEMPRE BONS RESUMOS COMO ESTE NO RAMO DA ELECTRONICA. POR EXEMPLO TRANSISTOR BIPOLAR

4 Rodolfo { 07.01.13 at 19:31 }

kd as respostas…….

Deixe-nos um comentário