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Fontes chaveadas para principiantes – PARTE III/A

Fontes chaveadas para principiantes – PARTE III/A

Não importa o que você sabe, mas o que lembra na ocasião.                                                                                                    Platão, filósofo grego

Neste terceiro post da série Fontes Chaveadas para principiantes pretendendo abordar um componente importantíssimo para o funcionamento das fontes e que ainda traz bastante confusão para os técnicos na hora da reparação: o elemento responsável pelo chaveamento ou, mais especificamente falando, o “famigerado” MOSFET.

Mais de 20 anos se passaram desde o uso das fontes chaveadas nos equipamentos eletrônicos e os técnicos ainda ficam em dúvida na hora de substituir MOSFET quando não encontram um com a mesma nomenclatura e precisam partir para o tal do substituto ou equivalente.

Como o assunto é muito extenso vou dividir em duas etapas. Na parte III/A, que e é esta, por uma questão didática tratarei apenas dos JFETs para “abrir o caminho” para o que mais nos interessa nas fontes chaveadas que são os MOSFETs.

Nos primeiros tempos dos circuitos transistorizados, ainda basicamente apenas com os bipolares, surgiram os livrinhos de “equivalência” aos quais, geralmente, os reparadores recorriam.

Atualmente estes livrinhos não funcionam e, praticamente, nem existem mais, primeiro por conta da enormidade de fabricantes de semicondutores que “invadiu” o planeta Terra, quase todos asiáticos, e em segundo lugar pela diversidade de especificações.

Não dá mais para fugir do “inimigo”. Minha sugestão é, ou o técnico aprende a entender e interpretar os parâmetros dos semicondutores “marcianos” que aparecem no circuito ou … aprende (se não quiser desistir da profissão ou ficar pedindo aos colegas para encontrar a solução para ele).

Fets e mosfets: – decifrem-me ou eu os devoro!

Embora os FETs não sejam o semicondutor usado nas fontes chaveadas e sim os MOSFETs, como já disse,começarei falando deles para facilitar o entendimento desta “família” de semicondutores com um quadro que é mostrada no quadro da figura 1.

Fig. 1 - Quadro Geral de "FETs"

Fig. 1 – Quadro Geral de “FETs”

Comecemos pelo começo, isto é, com a tradução das siglas, que os mais experientes já devem estar carecas (literalmente) de conhecer, mas vai que algum leitor que está chegando agora “na festa” e ainda não entrou no estado de calvície e não sabe muito bem o que estas sopas de letrinhas significam.

FET, mais precisamente JFET, são as inicias de Junction Field Effect Transistor, enquanto MOSFET significa Metal Oxide Semicondutor FET.

Assim temos basicamente dois tipos de FETs: o de junção (JFET) que costuma ser conhecido simplesmente como FET e o segundo, o MOSFET que também é conhecido como IGFET ou FET de porta isolada (Insulated Gate).

A primeira diferença entre os JFETs e MOSFETs e os seus “rivais tradicionais”, os Transistores de Junção Bipolares (BJT), é que aqueles são unipolares, e popularmente conhecidos como Canal N e Canal P.

Para que não paire nenhuma dúvida, antes de prosseguir talvez valha a pena apresentar aqui uma definição formal:

– um dispositivo semicondutor é unipolar (JFETs e MOSFETs) quando opera com um único tipo de portador de carga (elétrons OU lacunas dependendo) se ele é canal N ou canal P, já os bipolares operam com os dois tipos de portadores de carga simultaneamente, isto é, elétrons E lacunas.

Uma curiosidade é que embora os fets tenham sido “inventados” muito antes dos bipolares, conhecidos pela sigla BJT (Bipolar Junction Transisor), eles demoraram muito mais tempo para se tornarem “populares”, por problemas técnicos de construção em escala comercial o que talvez tenha feito com que os transistores bipolares (os BJT) ficassem conhecidos, simplesmente, como “transistores”.

Assim, daqui pra frente, quando me referir a eles usarei a sigla BJT para que não fique nenhuma dúvida sobre de que tipo de transistor estou me referindo.

Feita esta rápida digressão de “cultura geral”, que pode ser importante para quem vai prestar um concurso, continuarei a tarefa proposta nesta parte III/A da série sobre fontes chaveadas para iniciantes que é esmiuçar “a vida” dos JFETs e MOSFETs.

A segunda diferença é que os bipolares são dispositivos controlados por corrente, basicamente, a corrente na base controlará a corrente no coletor, enquanto os JFETs e MOSFETs são controlados por tensão o que os tornam parecidos, em termos de comportamento eletrônico, com as primitivas válvulas termiônicas além do fato de assim como estas “idosas”, quase fora de uso, eles também apresentarem alta impedância de entrada.

Tanto um JFET quanto um MOSFET é construído a partir de uma pastilha de semicondutor tipo P ou tipo N que é chamada de substrato, embora existam diferenças na construção de cada um destes tipos de transistor que serão analisadas mais a frente.

Noções sobre a construção de um JFET

Tudo começa, como foi dito acima, com uma barra de semicondutor tipo N ou tipo P que será chamada de substrato o que já dá para “desconfiar” que assim como nos BJT que temos dois tipos (NPN ou PNP), aqui também teremos dois tipos que serão chamados de JFET Canal N ou Canal P.

Em cada extremo desta barra, por exemplo, de semicondutor, é colocado um terminal que recebe o nome de SUPRIDOURO (SOURCE) e DRENO.

Fig. 2 - Cronstrução do JFET

Fig. 2 – Cronstrução do JFET

Além disso, duas regiões altamente dopadas de semicondutor P (neste exemplo) são “fabricadas” no substrato N como vemos na figura 2.

As duas regiões P são interligadas “por dentro do substrato” e recebem um terminal que é denominado gate ou porta.

A região do substrato entre os gates é chamada de canal e irá designar o tipo de FET. Se o substrato for tipo N, como no exemplo, chamaremos FET Canal N, se for tipo P chamaremos FET Canal P.

Entretanto, em torno da junção P-N há uma difusão de elétrons e lacunas de um semicondutor para o outro a qual produzirá um campo elétrico em torno do gate chamado de região de depleção que, por sua vez, produzirá um estreitamento do canal.

 

 

Como o JFET funciona.

Tomemos como exemplo um FET de canal N e acompanhemos pela figura 3.

Fig.3 - Polarizaão Vgs 0 volt

Fig.3 – Polarizaão Vgs 0 volt

Inicialmente polarizaremos o canal com uma tensão DC (Vdd) ligada de modo que o dreno fique positivo em relação ao supridouro e o gate seja ligado diretamente ao supridouro, logo sua tensão será nula.

Se o fosse um FET Canal P deveríamos inverter a polaridade da fonte Vdd, mas fora isto o funcionamento seria o mesmo.

Com a tensão gate-supridouro (Vgs) nula teremos uma corrente circulando pelo canal entre o supridouro e o dreno que chamaremos de corrente de dreno (Id) a qual dependerá do valor de Vdd e da resistência do canal, comportando-se, portanto de acordo com a Lei de Ohm.

Assim, a medida que aumentarmos Vdd, a corrente Id também aumentará linearmente, como foi dito, seguindo a Lei de Ohm.

Entretanto, está corrente não irá aumentando indefinidamente por que a zona de depleção irá aumentando e estreitando o canal.

A partir de certo valor de Vdd ou Vds a corrente de dreno ficará constante.

Este valor de Vds que faz Id constante é chamado de tensão de pinch off (estreitamento ou estrangulamento) é designado por Vp.

O valor onde a corrente de dreno fica constante para Vgs = 0V é designado nos data sheets como Idss.

Acompanhe no gráfico da figura 4.

Fig. 4 - Curva Vds versus Id

Fig. 4 – Curva Vds versus Id

Mas não pense que você poderá ir aumentando a tensão entre dreno e supridouro indefinidamente sem pagar um alto preço por isto.

De repente haverá uma ruptura do material (o famoso BUM! com direito, às vezes, até a fumacinha…).

Parabéns! Você atingiu a tensão de break down (VB) e aí a corrente subiu, subiu, subiu e … você acabou de mandar um pobre FET para os “quintos dos infernos”!

Pausa para tomar um cafezinho e fazer xixi

Espero que esteja gostando do que leu até aqui e o mais importante, a partir de agora possa olhar os data sheets dos FETs sem fazer aquela cara de paisagem e entenda o que está escrito neles.

Por outro lado, isto ajudará a encontrar um substituo sem precisar ficar perguntando para o balconista da loja ou para os colegas nos fóruns.

Mas, ainda não acabou. Voltemos ao trabalho.

Continuando a polarizar o JFET

Antes de voltar a falar da polarização destes nossos “amigos”, uma perguntinha. Você reparou que tem horas que escrevo FET e noutras eu escrevo JFET?

Bem, isto mais ou menos assim, todo José depois que a gente tem intimidade vira Zé, não é mesmo?

Então, agora que já estamos ficando íntimos destes caras vamos deixar de formalidades e o JFET vai virar apenas FET e pronto.

Já vimos como se polariza o dreno e o supridouro e como será o comportamento da corrente no canal, corrente de dreno, para o caso em o gate está no mesmo potencial do supridouro, ou seja, Vgs = 0V.

Vamos ver agora o que acontece se aplicarmos uma tensão diferente de zero entre gate e supridouro.

Você deve estar lembrado (se não estiver trate de lembrar) que nos BJT a entrada, junção base-emissor, é polarizada diretamente.

Isto traz duas consequências imediatas:

  • A impedância de entrada é baixa.
  • Haverá corrente circulando na entrada

Destas duas consequências tiramos uma terceira: – os BJT são dispositivos controlados por corrente, ou seja, a corrente de saída (corrente de coletor) é controlada pela corrente de entrada (corrente de base).

Pois bem, nos FETs vai ser diferente, o gate (entrada) será polarizado inversamente em relação ao supridouro, logo como você é um sujeito esperto já conclui que:

  • A impedância de entrada será alta (maior que 10 Mohms)
  • A corrente na entrada (gate-supridouro) será muito baixa (pico ampères ou menos).

Donde se conclui que os FETs são dispositivos controlados por tensão assim como as “antigas” válvulas termiônicas.

Na prática o fato do dispositivo ter alta impedância de entrada significa que ele é muito sensível à eletricidade estática, portanto ao pegar um espécime destes tenha muito cuidado com estes seus dedinhos carregados de elétrons.

Você pode queimar um FET só de pegar nele!

Fig. 5 - Polarização Gate-Supridouro

Fig. 5 – Polarização Gate-Supridouro

Depois de “tocar este terror” que tal dar uma olhada na figura 5 onde temos um FET canal N com o gate-supridouro sendo polarizado com uma fonte ajustável, bem como o dreno-supridouro.

Repare que o polo negativo da fonte Vgs foi ligado ao gate que neste caso é tipo P porque nosso FET é canal N.

Se estivéssemos trabalhando com um FET canal P as duas fontes deveriam ser invertidas.

Mas qual a consequência imediata de polarizarmos o gate inversamente em relação ao supridouro?

Tenho certeza você respondeu que isto vai estreitar ainda mais o canal e, portanto diminuir a corrente de dreno.

Meus parabéns, pela sua sacada!

Vamos dar uma olhada na figura 6 para ver como ficará o gráfico Vds x Id para um FET “de verdade” como o BF245B.

Olhando para o gráfico da figura 6 você saberia dizer qual o valor de Idss?

Fig.6 - Caracterisitca de um JFET

Fig.6 – Caracterisitca de um JFET

Se você respondeu 10mA está indo bem, mas se não respondeu não fique triste, pegue a “cola” lá na figura 4.

Os fabricantes costumar fornecer também outro gráfico nos seus data sheets e que é chamado de característica de transferência. Dê uma olhada na figura 7.

Fig. 7 - Caracteristica de Tramsferência

Fig. 7 – Caracteristica de Tramsferência

Do gráfico da figura 7 podemos concluir que se Vgs for igual a – 4 V a corrente de dreno será nula, ou seja, o FET está cortado.

Simbologia dos JFETs

Você talvez queira argumentar que os desenhos apresentados até aqui para os FET não são os que aparecem nos esquemas nem nos data sheets, no que você tem toda a razão.

Fig.8 - Simbologia dos JFETs

Fig.8 – Simbologia dos JFETs

Entretanto, preferi trabalhar com eles até aqui porque me parecem mais “amigáveis” para compreender o funcionamento destas coisinhas, mas chegou a hora de apresentar a simbologia que aparece nos esquemas e data sheets. Veja a figura 8.

Repare alguns detalhes nesta simbologia. Primeiro não há diferença entre o terminal do dreno e do supridouro como ocorre com o emissor e o coletor dos BJTs.

Na prática, embora não seja uma regra geral, na maioria destes transistores olhando-se o transistor de frente o terminal a esquerda costuma ser o gate, o de centro o dreno e o terceiro à direita é o supridouro (GDS).

A segunda questão que, às vezes, causa uma ligeira confusão na cabeça dos técnicos é tentar associar o sentido da seta do gate dos FETs com a do emissor dos BJT.

Embora, uma coisa não tenha nada a ver com a outra, já vi alunos querendo relacionar as duas e se enrolando.

Examinado o data sheet sem pânico     

Com tudo que foi exposto até aqui acho que agora você conseguirá olhar para o data sheet sem ficar igual aquele conhecido animal quando olha para um palácio.     

Fig.9 - Data sheet MPF 102

Fig.9 – Data sheet MPF 102

 Como este post já ficou muito extenso vou parar por aqui.

Na parte III/B falarei dos MOSFETs estes sim, são uma grande dor de cabeça para os reparadores.

A propósito você sabe que existem quatro tipos de MOSFETs?

Isso mesmo, quatro (a cola está na figura 1)!

Até sempre                                                                                                            

 

Técnico em eletrônica formado em 1968 pela Escola Técnica de Ciências Eletrônicas, professor de matemática formado pela UFF/CEDERJ com especialização em física. Atualmente aposentado atuando como técnico free lance em restauração de aparelhos antigos, escrevendo e-books e artigos técnicos e dando aula particular de matemática e física.

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