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E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 1 ESCOLA TÉCNICA REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICADA I NOME __________________________ TURMA _______ ANO ___ O UNIJUNÇÃO TRANSISTOR UNIJUNÇÃO “UJT” Como seu próprio nome diz, o transistor unijunção (unijunction transistor – UJT ) é um dispositivo semicondutor de três terminais com apenas uma junção PN. Ë um dispositivo de disparo com certas características particulares. ESTRUTURA DE UM TRANSISTOR UNIJUNÇÃO O transistor unijunção (UJT) é um elemento composto por duas bases, B1 e B2, entre as quais está situada uma resistência de silício de tipo N formando o emissor. E . BASE 2 B2 BASE 1 N E P B1 Numa barra de material N levemente dopado, é soldado um terminal de alumínio, que é um dopante aceitador. Forma-se então, na região próxima à junção, um material do tipo P de dopagem elevada chamada emissor E. Os outros dois terminais da barra são chamados base 1 (B1) e base 2 (B2). Temos então em um ponto determinado da resistência a criação de uma junção PN, cujo ânodo é o eletrodo emissor “E”. E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 2 ESQUEMA ELÉTRICO EQUIVALENTE SIMBOLOGIA B2 B2 E rB2 E P rBB B1 rn rB1 rs rB1= rn + rs A seta indica o sentido de condução da junção PN rBB = rB2 +rB1 rn pare variável de rB1 B2 Os terminais B1 e B2 da barra, nada mais são do que uma simples resistência, cujo valor depende de detalhes construtivos, como dopagem e dimensões. Esta resistência é denominada interbase (rBB) e seu valor a 25º C está compreendido entre 4,7Ω e 9,1KΩ. Observando o circuito equivalente do UJT (transistor unijunção) encontramos uma malha resistiva com uma junção PN inserida e constituindo um terceiro terminal, que estará pronto para conduzir quando diretamente polarizado. CURVA CARACTERÍSTICA DE UM UJT VBB B2 rB2 E VE I VX BB BB r V I = zona de resistência negativa rB1 B1 I V r r BB B B = +2 1 VX r r r VB B B BB= + ×1 1 2 CHAMANDO r r r B B B 1 1 2+ = η VX VBB= ×η 12 112 1 BB B BB BB BB B rr r V V rr r VBB VX + = × + ==η r r rBB B B= +1 2 η = r r B BB 1 E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 3 IMPORTANTE O fator η (éta) é parâmetro do UJT,que representa a razão intrínseca de afastamento que é fornecido pelo fabricante e cujo valor oscila entre 0,5 e 0,7, variando inversamente com a temperatura numa razão aproximada de 3mV/ºC. Esta instabilidade, com a temperatura pode ser neutralizada pela utilização de circuitos de estabilização. IE rB2 VX VE VBB VEE rB1 Se a tensão do emissor (VE) for menor que VX(tensão de referência) , a junção PN fica inversamente polarizada e teremos apenas uma pequena corrente de saturação, provocada por portadores minoritários, no emissor. Se a tensão do emissor (VE), é aumentada acima de VX, ou mais precisamente para VE =VD onde VD=VX+Vγ pois VD é a tensão de disparo , sendo que Vγ representa o valor de tensão necessária para vencer o potencial de barreira da junção PN e VX a queda de tensão em rB1 , neste caso o diodo do emissor fica polarizado diretamente. Nesta condição, lacunas são injetadas do material P para o material N. Essas lacunas são repelidas pelo potencial positivo de B2 e vão para B1. Este acúmulo de portadores, lacunas, na região do emissor e de B1, resulta num decréscimo na parte variável da resistência rB1 (rn) CARACTERÍSTICA DE RB1 rB1(KΩ) Esta variação de rB1 (rn) caracteriza uma resistência negativa , pois como diminui a resistência, diminui também 4 a tensão VX, mais mesmo assim aumenta a 3 Saturação corrente. 2 1 0 10 20 30 40 IE(mA) A partir do instante em que a junção de emissor começa a conduzir, a tensão VX = η VBB vai diminuindo (parte variável de rB1) e a corrente de emissor em consequência aumentando. Quanto mais portadores (lacunas) são injetados, mais entramos na região de saturação do UJT. Naturalmente esta corrente será limitada pela colocação de um resistor externo a B1 que colherá o pulso de corrente. CARACTERÍSTICA VxI DO UJT VE VBBIpico Vpico região de região de região corte resistência do negativa vale Vv região de VBB=0 saturação Iv IE Na curva característica VxI estática de um UJT destaca-se os parâmetros Vp (tensão de pico), Ip (corrente de pico), Vv (tensão de vale) e Iv (corrente de vale). E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 4 . FAMÍLIA DE CURVAS DE UM UJT A família de curvas de emissor de um UJT tendo como parâmetro a tensão aplicada VBB. VE 16 E 12 B2 VBB=30V VE VBB 8 VBB=20V B1 VBB=10V 4 VBB=5V 0 IE As curvas para VBB ≠ 0, correspondem exatamente à região de resistência negativa. Com VBB = 0, a característica é de uma junção PN comum, onde o emissor e a base B1 correspondem o anodo e o catodo respectivamente de um diodo. FUNCIONAMENTO UJT é polarizado normalmente com tensão entre bases VBB = 5 a 30 V. Pela resistência rBB circula então uma corrente IB2 = VBB / rBB. No cátodo do diodo encontramos uma tensão VX= VBB x rB1/rB1+rB2 .Quando a tensão de emissor VE é inferior a VX, o diodo tem polarização reversa e conduz uma pequena corrente de fuga (IEBO). Quando a tensão de emissor VE é superior a VX, o diodo fica polarizado diretamente e conduz uma corrente IE que injeta portadores no material N diminuindo sua resistência. A diminuição da resistência diminui VX, se VE for constante aumenta IE. Este fenômeno é acumulativo até que IE atinge seu valor máximo. POLARIZAÇÃO NORMAL DE UM UJT RL E B2 BB BB B r V I =2 VEE VBB B1 11 1 BB B BB rr r VVX + ×= VEE B1 EXEMPLO 1 Tomando como base o circuito abaixo , determine: a) Corrente no emissor CH R2 VBB UJT Vin R1 A tensão de afastamento é VVVBBVX 5,81085,0 =×=×=η Na prática, é necessário que seja colocado resistores externos, para que a corrente seja limitada. DADOS VBB=10 V Vin= 20 v R1=100KΩ R2=400 Ω η=0,85 Iv=7 mA VV=1 V E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 5 Pela tensão de afastamento sabemos que VE deve ser ligeiramente maior que 8,5 V para ligar o diodo de emissor e assim disparar o UJT.[VE=VD] Com a chave de entrada [CH] ligada, teremos 20 V alimentando o resistor de 400 Ω e isto é o suficiente para superar a tensão de afastamento [8,5 V] e disparar o UJT. E a corrente de emissor será de : mAV R VinIE 50 400 20 2 = Ω =≅ b) A tensão no emissor que abre o UJT Como o UJT possui uma corrente de vale de 7 mA com tensão de vale de 1 V, a tensão no emissor neste ponto é de 1 V. Na seqüência do funcionamento, a medida que é reduzida a alimentação do emissor, a corrente de emissor diminui.. No ponto em que ela é de 7mA [Iv} , a tensão de emissor [VE] será de 1 V [Vv} e o UJT estará preste a abrir. A tensão de alimentação do emissor [Vin ] neste instante será: ( ) VVmAVEVRVin 8,3140072 =+Ω×=+= CONCLUSÃO No circuito analisado verificamos que quando Vin for menor que 3,8 V, o UJT abrirá. E só irá fechar novamente quando Vin estiver com valor acima de 8,5 V Após o disparo, teremos sobre R2 a tensão de : VmARIpVRE 20400502 =Ω×=×≅ Observamos que agora a tensão VE será fornecida por VBB. EXEMPLO 2 Sabendo que o UJT do exemplo 1 possui uma corrente de vale de 7 mA, e a tensão do emissor é de 1 V neste ponto. Qual o valor de tensão do emissor que o UJT abre.? O valor de 50 mA representa a corrente de pico O valor 3,8 V representa a tensão de vale E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 6 OSCILADOR DE RELAXÃO COM UJT O disparador mais comum utilizando o UJT é o oscilador de relaxação VBB VE Vp R1 R2 VE B2 Vv t B1 VX C VR3 R3 0 t Neste circuito o capacitor “C“ se carrega através de R1 até que a tensão de emissor alcance o nível de VD=VX+Vγ, neste momento o UJT fecha e "C" se descarrega sobre rB1 e R3. Quando a tensão de emissor cai a um valor de ± 2 V, neste ponto o diodo deixa de conduzir, e o UJT se bloqueia começando um novo ciclo. O período de oscilação “τ “, que é praticamente independente da tensão de alimentação e da temperatura, é dado para um valor prático por: τ= RC ANÁLISE DE UM OSCILADOR DE RELAXAÇÃO Sem considerar o que acontece com o capacitor admitamos que este esteja inicialmente descarregado. Pelo circuito equivalente do UJT, entre a base 1 e 2 existe um divisor de tensão. VBB Na prática, utiliza-se RB2<<rB2, fazendo com que a queda de tensão em RB2 RB2 seja desprezível. O mesmo ocorre em relaçãoa RB1 e rB1. I Para RB2 e RB1 desprezível teremos : R • B2 I V r r V r BB B b BB BB = + = 1 2 VX I r V rB BB BB = × =1 rB2 Como V r BB BB = η teremos VX rB= η 1 • • VX A tensão VX pode ser definida em função da tensão da fonte. rB1 VX r r VB BB BB= ×1 como η = r r B BB 1 C então VX VBB= ×η • B1 I RB1 Supondo que o capacitor esteja descarregado antes do circuito ser ligado a fonte VBB, a tendência é a de carregar-se exponencialmente até atingir a tensão da fonte. E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 7 VBB A constante de tempo τ = R x C é conceitualmente, o tempo após o qual o capacitor carrega-se com, aproxi- 0,63VBB madamente 63% da tensão aplicada. Após 5τ o capacitor estará praticamente com uma tensão igual a tensão aplicada. τ 5τ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − τ 1 1 eVVC Quando o capacitor começar a carregar-se a partir de zero volt, a tensão no emissor (igual à tensão no capacitor) é menor do que a tensão VD. Assim o diodo do emissor está cortado e o UJT bloqueado. O capacitor carrega-se até que o diodo emissor comece a ficar polarizado diretamente. Quando isso ocorre, a tensão no capacitor está próxima de VD, que é a tensão de disparo do UJT. Quando o diodo emissor conduzir, no instante de disparo, a tensão no capacitor valerá: VC=VD=VX+Vγ Vd Quando o UJT entra em condução, há uma injeção de E portadores (lacunas) do emissor para a barra de material N. Isso faz com que a resistência da região entre emissor e base 1 A K diminua ( esta é a parte variável da resistência rB1, que foi C rB1 chamada de rn). VC=VP VX Quando o UJT é disparado, o fato de rn diminuir ( maior injeção de portadores), faz com que a corrente aumente. Como RB1 consequência, mais portadores são injetados e a resistência diminui ainda mais. A tensão no ponto E diminuirá (a capa-). citor estará se descarregando) mas a corrente aumentará. Ë por isso que essa região é chamada de região de resistência negativa I I V V Resistência positiva Resistência negativa A corrente aumenta com o aumento da tensão A corrente aumenta com a diminuição da tensão A resistência rn diminui até o ponto em que há uma saturação dos portadores. Já haverá tantos portadores na região de base, que um novo aumento de portadores não diminuirá mais a resistência. Nesse instante o UJT corta e o capacitor para de descarregar-se. No corte o capacitor volta a carregar-se através do resistor até atingir o valor de VD (tensão de disparo do circuito) R+ R− E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 8 FORMAS DE ONDA DO OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT τ1 τ2 Vp Tensão de disparo Vv tensão de vale t VB1 Tensão no terminal B Tensão contínua em B1 t VB2 Tensão no terminal B2 t0 t1 t2 t T 2T De 0 até t1, o capacitor carrega-se através de R, com constante de tempo τ =RC. Em t1, o UJT dispara e entre t1 e t2, o capacitor descarrega-se com constante de tempo bem menor τ =C(rB1 + RB1). PROJETO DE UM OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT Ao realizar um projeto de um oscilador de relaxação usando UJT deve ser levado em considerações alguns pontos básicos. região VE região de região de de corte resistência negativa saturação Vp VEsat Vv Ip Iv 50 mA IE IE0 (µ A) Corrente antes do disparo IE0 Ponto do vale Ponto do pico Tempo de carga do capacitor τ1=RC Tempo de descarga do capacitor τ2=rB1C E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 9 CÁLCULO DE R O valor de R é definido pela expressão: IV corrente mínima de vale Ip corrente máximo de disparo Se for escolhido um valor maior para R, o UJT não irá disparar. Se for escolhido uma valor menor para R, o UJT dispararia apenas uma vez. FREQUÊNCIA DE OPERAÇÃO Esta expressão é utilizada para definir o valor de C a partir de um R adotado e da frequência desejada. PERÍODO DE OPERAÇÃO η− = 1 1lnRCT CÁCULO DE RB1 No projeto, RB1 sempre tem um valor baixo, da ordem de dezenas ou de centenas de ohms. Seuvalor é normalmente escolhido para não provocar o disparo quando o capacitor ainda estiver sendo carregado, Isto ocorreria se a tensão de polarização fosse maior ou igual a VGD ( este parâmetro do UJT defini a máxima tensão de disparo que de forma garantida não irá disparar o UJT). VGD RB VBB RB RB rBB ≥ × + = 1 1 2 FONTE DE ALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação VBB deve ter um valor entre 10 e 35 V. O menor valor é determinado pela amplitude da tensão do pulso desejado na base 1 do UJT. O maior valor é definido pela máxima dissipação de potência admitida pelo UJT. CÁCULO DE RB2 A estabilidade térmica do UJT melhora com o RB2. Alguns fabricantes recomendam como valor prático para RB2, 15% de rBB (rB1+rB2). Outros definem RB2 com expressões que dependem do tipo do UJT, como por exemplo: RB VBB 2 10000 ≅ ×η ( para UJT tipo 2N2646 OU 2N2647 ) ou p pBB V VBB I VV R I VV − ≤≤ − ( )F I R C = × × −ln 1 1 η Geralmente RB é limitado a um valor menor que 100Ω E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 10 ( ) RB r V RBBB BB 2 0 40 1 1 ≅ × × + − ×, η η η (para UJT tipo 2N1671 ou 2N2160) EXEMPLO Projetar um circuito de disparo com UJT que apresenta os seguintes parâmetros: VBB = 30 V, η = 0,51, Iv = 10 µA, Vp = 3,5 Ip = 10 mA A freqüência de oscilação é F = 60 Hz e a largura do pulso de disparo é de t = 50 µs Período ms HzF T 67,16 60 11 === Como VVdVBBVp 8,155,03051,0 =××=+×=η Arbitrando um capacitor com FC µ47,0= Definindo R Ω≤≤Ω⇒ − ≤≤ − MRK A VR mA VV 42,165,2 10 8,1530 10 5,330 µ Usando a equação Ω=⇒ − ×=⇒ − = KRFRmsRCT 72,49 51,01 1ln47,067,16 1 1ln µ η Este valor cai dentro dos limites para o valor de R. Usando valor comercial de 47 KΩ msFkCRT 75,15 51,01 1ln47.047 1 1ln = − ×Ω= − ×= µ η A tensão máxima de do gatilho VVD 8,15= Cálculo de RB1 Tomando como base a largura do pulso de disparo [ tempo de descarga] Ω=== 38,106 47,0 501 F s C tRB µ µ Usando valor comercial de 100 Ω Cálculo de RB2 Ω= × == 654 1051,0 10102 44 VBB RB η Usando valor comercial de 680Ω Observamos que com os valores comerciais utilizados a freqüência passa para Hz msT F 49,63 75,15 11 === Se este valor for satisfatório podemos continuar. p pBB V VBB I VV R I VV − ≤≤ − Tensão da junção do diodo Vγ = 0,5 V E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 11 EXERCÍCIO Projetar um Oscilador de Relaxação com UJT que dispare um Tiristor para alimentar uma lâmpada de 127 V/100W com frequência de 20Hz. DADOS VBB=20V RB1=27Ω FONTE AC=127 V/60Hz LÂMPADA=127V/100W UJT 2N2646 η=0,56(min)/0,75 (max) Rbb=4,7kΩ(min)/9,1KΩ(max) Ip=1µA(típico)/5µA(max) Iv=4mA(min)/6mA(típico) TIRISTOR TIC106 VGD=0,2v VGT=1V A tensão contínua em RB! será no pior caso: Esta queda de tensão em RB1 garante que não haverá disparo antes da carga no capacitor. V VGD VGD VB1 0 2≤ ⇔ = , dados pelo fabricante. A tensão de disparo Vp do UJT (tensão que o capacitor deve se carregar VC) pode ser calculada por: ( )Vp Vx Vd Vx V Vp V V VBB= + ⇒ = × ⇒ = × + =η 0 66 20 0 7 13 9, , , Considerando-se η=0,66(médio) e adotando-se Vv=2V,obténdo-se a inequação que define R. V V I R V V I V V mA R V V A K R MBB V V BB P P − ≤ ≥ − ⇒ − ≤ ≥ − ⇒ ≤ ≥ 20 2 4 20 13 9 5 4 5 122 , , . µ Ω Ω Escolhendo R=15KΩ (cerca de 3 vezes maior do que o valor mínimo), Para conseguir a frequência de operação desejada, calcula-se C com a expressão da frequência. ( ) ( )C R F C K F= × × ⇒ = × × = − − 1 1 15 20 3 11 1 1 1 1 0 66η µ Ω , , Será escolhido um capacitor comercial de 12µF Para o cálculo de RB2 pode ser usado a formula dada pelo fabricante: R V VB BB 2 10000 10000 0 66 20 757 57= × = × = η , , Ω Será usado um resistor comercial de 820Ω. V V R r V K VB BB B BB 1 1 20 27 4 7 0 11= × = × = Ω Ω, , E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 12 A tensão de gatilho [VG] é fornecida pela fonte de alimentação através do divisor de tensão resistivo formado por R1 e R2 e determina o ponto de tensão de pico [Vp]. No caso do UJT, Vp é fixado, para um determinado componente, pela fonte de alimentação [Vp=ηVBB+Vd}. Mas o VP de um PUT pode ser variado alterando-se o valor do dispositivo resistivo R1 e R2 . Se a tensão de anodo [VA] for menor que a tensão de gatilho [VG] o dispositivo permanecerá em seu estado de bloqueio[desligado]. Se VA ultrapassar a tensão de gatilho por um queda de tensão direta de um diodo[Vd] o ponto de pico será atingido e o dispositivo disparará TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO PROGRAMÁVEL O Transistor Unijunção Programável [Progammmable Unijunction Transistor – PUT ] é um tipo de tiristor cujo disparo pode ser programado através de um tensão aplicada no seu gatilho. Anodo Gatilho Catodo Um PUT quando utilizado em um oscilador de relaxação como o apresentado no circuito abaixo, funciona da seguinte maneira: +V R R1 anodo C gatilho PUT RS VRS R2 Os pontos da corrente de pico [Ip] e da corrente de vale [Iv] dependem ambos da impedância equivalente do gatilho 21 21 RR RRRG + ×= e da fonte de alimentação Vs. Geralmente RG é limitado a um valor abaixo de 100Ω O valor de Vp é dado por : Vs RR RVp 21 2 + = Desta forma podemos dizer que 21 2 RR R Vs Vp + ==η O valor da freqüência é controlado por R e C juntamente com R1 e R2. Sendo que o período de oscilação [T] é dado aproximadamente por ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += − == 1 21lnln1 R RRC VpVs VsRC F T A corrente de gatilho [IG] no ponto do vale é dada por ( ) RG VsIG η−= 1 E-mail: eliesio@etrr.com.br ELIÉSIO 13 Onde 21 21 RR RRRG + ×= E R1 e R2 podem ser determinados a partir de η RGR =1 e η− = 1 2 RGR Exemplo Calcular o circuito de dispara usando PUT apresentado abaixo, com as seguintes características: Vs= 30 V e IG= 1 mA. A freqüência de oscilação é Vs F= 60 Hz. A largura do pulso t=50 µse a tensão de Pico do disparo é de Vp=10 V. R R1 Anodo Período ms HzF T 67.16 60 11 === Gatilho C Tensão de pico do disparo VVp 10= PUT Tensão Arbitrando um capacitor de FC µ5,0= de Rs R2 disparo Como Ω=== 100 5'0 501 F s C tRB µ µ Sabendo que 3 1 30 10 === V Vs Vpη Como Ω=⇒ − ××=⇒ − ×= KRFRms VpVs VsCRT 2,82 1030 30ln5,067,16ln µ Como ( ) Ω=⇒×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −=⇒−= KRG RG mA RG VsIG 2030 3 1111 η Cálculo de R1 Ω=×Ω= Ω == KKKRGR 60 1 320 3 1 201 η Cálculo de R2 Ω=×Ω= Ω = − Ω = − = KKKKRGR 30 2 320 3 2 20 3 11 20 1 2 η
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