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Os MOSFET são transístores de efeito de campo usados em muitas aplicações de eletrónica analógica e digital. Neste tutorial vamos realizar uma experiência muito prática de modo a perceber como funciona um MOSFET numa configuração particular muito utilizada, em particular, nas montagens de tutoriais anteriores. A montagem usada é chamada de fonte comum, porque a entrada e a saída partilham a fonte do MOSFET. Esta configuração permite construir um amplificador e obter uma amplificação em corrente e em tensão do sinal de entrada. É por isso uma configuração muito usada em aplicações de áudio.
Em tutorais anteriores montamos um amplificador com uma lâmpada cuja configuração corresponde exatamente à de fonte comum.
Claro que vamos precisar de alguns aparelhos especiais: um osciloscópio e um gerador de sinais.
Como habitualmente publicamos uma lista de material e os sítios mais convenientes/baratos para a compra. Neste caso em particular não damos recomendações de compra porque já anteriormente demos e os Mosfets podem ser comprados facilmente em qualquer loja de electrónica. Para este tutorial são necessários uns Mosfets, resistências e um condensador, a saber:
Mosfet IRF620, IRF610, …
Algumas resistências de potência (100Ohm, 1Ohm,3.3Ohm, 0.47 Ohm,... de 3W basta, 1M 1/4W)
1uF, 25V condensador
Fonte de alimentação (de um laptop). Aquela que vou usar a tensão de saída ronda os 19.6V
breadboard (a montagem de um tutorial anterior)
Na página seguinte conheceremos melhor a estrutura do MOSFET.
O transístor de efeito de campo (Field effect transistor, FET) tem esta designação porque o estado de corte ou de condução é determinado pelo campo eléctrico no seu interior. A corrente é devida a um só tipo de portadores de carga: electrões ou lacunas. Há vários tipos de transístores de efeito de campo mas o mais utilizado é o transístor MOS (MOSFET). A designação MOS deriva das iniciais Metal-Óxido-Semicondutor e tem a ver com a estrutura do dispositivo.
Não me vou deter sobre grandes detalhes técnicos sobre este tipo de transístor (ver referências no fim) mas há uma característica que vale a pena referir: apresentam uma resistência de entrada praticamente infinita, característica que partilham com os seus antepassados, as válvulas.
O MOSFET possuem 3 terminais denominados dreno (D, drain), porta (G, gate), fonte (S, source).
Para que a corrente passe no drain para a source é necessário que a tensão entre a gate o drain seja superior à tensão de limiar (threshold), este é o comportamento de um transístor MOS de canal N, ou NMOS.
Existem também transístores de canal P, ou PMOS. Neste caso para que haja corrente da source para o drain é necessário que a tensão entre a source e a gate seja superior à tensão de limiar.
Os transístores descritos são chamados de enhancement porque o controle de corrente se obtém controlando a quantidade de portadores de carga para o canal.
Cada fabricante de transístores fornece uma datasheet onde se podem encontrar os valores típicos (por exemplo) da tensão de limiar para um dado MOSFET. Por exemplo, olhando para a datasheet do MOSFET IRF620 (http://www.vishay.com/docs/91027/sihf620.pdf) temos a tabela
tem uma tensão de limiar entre 2V e 4V(Gate-Source- Thereshold Voltage). A precisão não é grande coisa, pois não? Então, a electrónica não é uma ciência exacta? Claro que a coisa é um bocado mais complicada, e claro não esquecer os valores dados na datasheet dependem da temperatura (ver gráficos mais para a frente).
Um dos conceitos importantes que vamos explorar nesta experiência é o de ganho de tensão e distorção.
O ganho em tensão é determinado pela razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada. A saber:
Av= Vout/Vin
Corresponde a um factor multiplicativo, a tensão de saída Vout é (deverá ser idealmente) proporcional à tensão de entrada Vi, como queremos construir um amplificador este factor multiplicativo deverá ser maior do que um e aproximadamente constante numa banda de frequências adequada (20Hz-20kHz para áudio).
O outro conceito importante é o de distorção (que pode ser boa ou má, depende das aplicações).
Deixo aqui a formula que permite o cálculo da distorção (segunda harmónica), fica para mais tarde a discussão de mais detalhes e de onde vem essa fórmula,
D = abs((.5*(Imax+Imin) - IQ) / (Imax - Imin))
onde: Imin é a corrente mínima no drain, Imax é a corrente máxima no drain e IQ corrente no drain sem sinal de entrada, i.e. corrente em repouso (quiescente). Para se obter o valor da distorção em percentagem basta multiplicar por 100.
A experiência que proponho é baseada no livro Design of VMOS – Circuits with Experiments adaptada para os componentes que tinha aqui em casa e que são possíveis de obter-se em qualquer loja de electrónica.
Vamos então à experiência, um passo de cada vez.
Passo 1
Montar o circuito de acordo com o esquema. É necessário montar o MOSFET num dissipador conveniente, a regra geral para se confirmar que a escolha do dissipador foi a correta é colocar e manter a mão sobre o dissipador durante uns 30s, a temperatura deve rondar 60 graus Celsius, a temperatura ideal do café para ser bebido (ver figura inicial).
O transístor está polarizado, é o nome que se dá à configuração que permite a condução, de uma forma chamada de selfbias, i.e. usa-se uma resistência para acoplar o drain ao gate permitindo ter sempre as duas à mesma tensão (a elevada impedância de entrada do MOSFET garante que VD=VG).
Passo 2
Deixar o gerador de sinais desligado e ligar a alimentação. Com o osciloscópio ligado ao drain do transístor medir a tensão, deve rondar os 15.2V (mais ou menos 1V). Se isso não acontecer desligar a fonte de alimentação e confirmar as ligações. Medir a tensão entre a gate e a source (perto de 4.5V).
Passo 3
Depois de estar tudo a funcionar podemos ligar o gerador de sinais com um sinal com frequência de 1kHz e uma onda sinusoidal à entrada do amplificador. Ajustar a amplitude do sinal à entrada de modo que se obtenha os valores à saída dados pela tabela seguinte, calcular o valor do ganho em tensão.
Vin(mV)
Vout(V)
Av
23.0
0.5
22
45.0
1.0
22
66.0
1.5
23
90.0
2.0
22
112.0
2.5
22
134
3.0
22
O circuito tem um ganho de 22. A impedância de entrada ronda os 100*22 || 1M=2.2kOhm e a impedância de saída 100Ohm.
Passo 4
Agora desligar o gerador de sinais da entrada do amplificador. Medir a corrente em repouso e guardar o resultado.
IQ = (19.6-4.4)/100 = 152mA
O amplificador consome 152mA*19.6V=3W mesmo sem sinal à entrada.
Passo 5
Voltar a ligar o gerador de sinais à entrada do amplificador e ajustar o valor da amplitude à saída de modo a obter-se 2V pp (peak-to-peak) com 1kHz. Medir a corrente no drain, ou a corrente de saída, que corresponde ao valor de Imax, registar esse valor.
Imax = (19.6-4.4+1)/100=162mA
Passo 6
Voltar a ligar a alimentação e o gerador de sinais e medir a corrente de saída nas mesma condições do Passo 5. Registar o valor pp da corrente(estou a usar duas resistências de 3.3Ohm em paralelo).
Ipp = 80/1.65 = 48mA
Passo 7
Para determinar Imin basta subtrair o valor determinado no Passo 7 pelo valor determinado no Passo 5:
Imin = Imax - Ipp = 162-48= 114mA
Passo 8
Usando a fórmula para a distorção calcular a percentagem de distorção deste amplificador e common-source (fonte-comum) a 1kHz.
distorção = abs(((114+162)*.5-152)/48) = .29
Obtive uma distorção na ordem de 29%!
Este tutorial baseou-se no estudo de uma das mais úteis configurações de funcionamento de transístor, uma configuração em fonte-comum. Este tipo de topologia é muito usada na construção de amplificadores de tensão e de corrente, é um building block que devemos reconhecer rapidamente quando estudamos circuitos mais complexos.
Muitas alterações se podem fazer,repetindo todos os passos anteriores e de uma maneira exaustiva perceber como é que a polarização do transístor condiciona a distorção final do sinal amplificado (fixed bias, ou ainda colocando um resistência da gate ao ground).
Outra aplicação deste circuito simples é como booster para um qualquer amplificador de guitarra (claro que precisa de um buffer, mas isso é o tema para o próximo tutorial).
Boas construções!
P.S. - Nenhum transístor ficou magoado durante a redação deste texto.
Para quem quiser conhecer estes assuntos com mais profundidade, recomendo dois livros que serviram de fonte também para este artigo:
Manuel de Medeiros Silva, Circuitos com Transístores Bipolares e MOS, Fundação Calouste Gulbenkian, 4ª ed. (2010)
Robert T. Stone, Howard M. Berlin, Design of VMOS, Circuits with experiments, HowardW. Sams, Co., Inc., 1ª ed.(1980)
Imprensa Musical:
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