1 CAPÍTULO 5 – TRANSISTORES BIPOLARES

CAPÍTULO 5 – TRANSISTORES BIPOLARES
O transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de
duas camadas de material tipo "n", de negativo, e uma de tipo "p", de positivo, (transistor npn) ou de duas de
material tipo "p" e uma de tipo "n" (transistor pnp). Através de uma polarização de tensão adequada consegue-se
estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações como chaves
comutadoras eletrônicas, amplificadores de tensão e de corrente, osciladores, etc.
Estrutura Básica
As figuras ao lado ilustram a
estrutura básica de um transistor,
representando um circuito “T” equivalente
com diodos (ou melhor, fazendo uma
“analogia” com diodos), ligados de tal forma
a permitir a identificação da polarização das
junções, as quais são: base-emissor (B-E) e
base-coletor (B-C), respectivamente.
Observa-se que no transistor pnp a
junção dos dois catodos do diodo forma a
base, que é negativa, sendo o emissor e o
coletor positivos. No transistor npn a junção
dos dois anodos forma a base que é positiva,
sendo o emissor e o coletor negativos. A
simbologia utilizada para os transistores de
junção é mostrada logo abaixo dos circuitos
equivalentes "T" com diodos.
Polarização
Para que um transistor funcione é necessário
polarizar corretamente as suas junções, da seguinte
forma:
1 - Junção base-emissor: deve ser polarizada
diretamente.
2 - Junção base-coletor: deve ser polarizada
reversamente.
Esse tipo de polarização deve ser utilizada
para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele npn
ou pnp. As figuras abaixo ilustram exemplos de
polarização para os dois tipos de transistores. Observe
atentamente nas figuras a polaridade das baterias.
Aplicações Básicas
1
As duas aplicações básicas, ou mais comuns, dos transistores são:
•
•
Amplificação: o sinal de saída é “n” vezes o sinal de entrada;
Chaveamento: o transistor é usado como uma chave aberta (transistor em corte) ou fechada (transistor
saturado).
Equações Básicas do Transistor
A corrente do emissor IE é a soma da corrente do coletor IC mais a corrente da base IB, de modo que:
IE = IC + IB
Na prática, a corrente do emissor é aproximadamente igual a corrente do coletor, de modo que muitas
vezes consideramos IE ≈ IC .
A potência do transistor Pt é a tensão entre coletor e emissor VCE vezes a corrente do coletor IC, de modo
que:
Pt = VCE ⋅ IC
Ganho Direto de Corrente - β cc
É um parâmetro, simbolizado por βcc (beta cc), que mede quantas vezes a corrente no coletor é maior
que a corrente da base. O beta cc é adimensional (sem unidade de medida) e geralmente é fornecido pelo
fabricante e pode ser medido no multiteste. Num outro sistema de análise, chamado parâmetros h, usa-se hfE no
lugar de βcc para representar o ganho de corrente cc. Resumindo:
βcc = hfE =
IC
IB
Alfa CC - αcc
O alfa cc de um transistor, simbolizado por αcc, é um parâmetro (adimensional) que indica o quanto a
corrente do coletor se aproxima da corrente do emissor. Seu valor poder expresso na forma decimal ou também
em percentual. É definido por:
αcc =
IC
IE
Relações entre β cc e αcc
O beta cc e o alfa cc de um transistor estão relacionados por:
β cc =
αcc
1 − αcc
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Transistor Como Chave Eletrônica
É a forma mais simples de operação de um
transistor, pois ao longo da reta de carga, a qual é
visualizada ao lado, são definidos apenas dois
pontos: corte e saturação. Portanto, podemos dizer
que quando um transistor está saturado, este se
comporta como uma chave eletrônica fechada e
quando está em corte, como uma chave eletrônica
aberta.
Transistor Saturado
Diz-se que o transistor está saturado quando seu VCE ≈ 0. Neste momento, a sua corrente de coletor é a
máxima possível (ICmax). Neste caso, o transistor se comporta como uma chave fechada.
O Transistor em Corte
Diz-se que o transistor está em corte quando seu VCE ≈ VCC. Neste momento, a sua corrente de coletor é a
mínima possível (ICmin). Neste caso, o transistor se comporta como uma chave aberta.
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Transistor na Região Ativa
Diz-se que o transistor está na região ativa quando sua corrente de coletor é menor do que a máxima
ICmax (corrente de saturação) e seu VCE, além de ser diferente de zero, também é menor do que Vcc (tensão de
corte). Em outras palavras: o transistor está na região ativa quando ele não está nem em corte e nem saturado. O
ponto de operação do transistor, neste caso, se encontra entre os extremos da reta de carga. O ponto de operação
do transistor na reta de carga neste caso, de coordenadas (VCE, ICmax), é também conhecido como ponto
quiescente Q, conforme indicado no gráfico abaixo.
Na região ativa:
0 < IC < IC max
0 < VCE < Vcc
Ponto Quiescente:
Q(VCE , IC )
Regulador Série
O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos
reguladores que utilizam apenas diodo zener. Veja um exemplo deste circuito abaixo.
VIN = tensão de entrada
VB (tensão da base) = Vz
VL = VB - VBE
IE = IC
Rs max =
VIN min − Vz
IRs max
O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento
regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série.
Teste de Transistores com o Multímetro
Fazendo-se uma analogia com diodos,
podemos testar um transistor bipolar e identificar
seus terminais.
Do mesmo modo como se testa diodos
utilizando-se multímetros analógico e digital, podese testar transistores, pois da base para o coletor ou
da base para o emissor vê-se um diodo PN.
Primeiramente identificamos a polaridade do
transistor e o terminal de base e depois os terminais
de coletor e emissor. A região de emissor do
transistor é mais dopada do que a região de coletor.
Essa característica é utilizada para a identificação do emissor e do coletor, pois a tensão de condução do emissor
é levemente superior a tensão de condução do coletor. Utilizando-se o multímetro analógico, a resistência entre
base e emissor é menor que a resistência base-coletor.
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No exemplo a seguir o transistor BD135 é testado com um multímetro digital e a seguir é estabelecida a
conclusão.
Polaridade: NPN
Coletor: 2
Emissor: 1
Base: 3
Nem todos os transistores bipolares podem ser testados utilizando-se esse princípio, pois existem
transistores especiais que podem apresentar leituras cujas conclusões podem ser duvidosas. Um exemplo de
transistor nessas condições é o transistor Darlington, que é representado a seguir (especificamente, um
Darlington tipo NPN):
A característica principal do transistor
Darlington é produzir um alto ganho de corrente βcc que
é aproximadamente o produto dos ganhos individuais de
cada transistor da montagem.
βcc = βcc1 ⋅ βcc 2
A montagem de dois transistores discretos do
modo mostrado bem à esquerda, ao lado, é conhecida
como conexão Darlington. Também, há duas simbologias
muito usadas em esquemas eletrônicos para esse tipo de
transistor: uma delas aparentando um transistor com
duplo coletor enquanto a outra um duplo emissor.
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EXEMPLOS
1. Se um transistor possui βcc = 200 e sua corrente de base IB = 100µA, então:
a) Qual o valor da sua corrente de coletor IC ?
Pelos dados fornecidos, a corrente de coletor IC pode ser calculada por: βcc = hfE =
IC
.
IB
Assim: IC = IB ⋅ β cc = (100 µA) ⋅ ( 200) = 20000 µA = 20mA .
b) Qual o valor da sua corrente de emissor IE ?
A corrente de emissor IE é a soma das correntes de base e coletor. Assim:
IE = IB + IC = 0,1mA + 20mA = 20,1mA .
c) Qual o valor do seu αcc?
O alfa cc de um transistor, simbolizado por αcc, é um parâmetro que indica o quanto a corrente
do coletor IC se aproxima da corrente do emissor IE. Assim:
αcc =
IC
20mA
=
≈ 0,995 = 99,5% .
IE 20,1mA
2. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se que quando sua corrente de
coletor é de 6,4mA a tensão entre o coletor e o emissor mede 6,8V. Em um outro ponto de operação
(quiescente) o mesmo apresenta uma corrente de coletor de 17,4mA quando a tensão entre o coletor e o
emissor mede 1,3V. Sendo assim, determine:
a) A corrente de saturação do transistor.
Abaixo, ilustramos o problema de acordo com a reta de carga do transistor.
Como a relação da corrente de coletor IC contra a tensão entre coletor e emissor do transistor VCE
é linear (ou seja, a curva esperada resulta em uma reta), o problema pode ser resolvido por um
sistema de duas equações lineares para essa reta. Para isso, é necessário conhecermos dois
pontos pelos quais a reta passa. E conhecemos. São eles os pontos Q1(1,3V; 17,4mA) e Q2(6,8V;
6,4mA). A forma geral para a equação da reta de carga é
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IC = a ⋅ VCE + b ,
(1.4)
onde a e b são parâmetros/coeficientes à serem determinados. Como a reta de carga do transistor
é decrescente, o parâmetro a deverá ser negativo. Aplicando o ponto Q1 à equação (1.4) teremos
que
17,4 = 1,3 ⋅ a + b .
(1.5)
Aplicando o ponto Q2 à equação (1.4) teremos que
6,4 = 6,8 ⋅ a + b .
(1.6)
Agora, resolvemos o sistema formado pelas equações (1.5) e (1.6). Para tanto, subtraímos a
equação (1.6) da equação (1.5), de forma que
17,4 − 6,4 = 1,3 ⋅ a + b − 6,8 ⋅ a − b ,
11 = −5,5 ⋅ a ,
a = −5,5 = −2 .
Usando o parâmetro a na equação (1.5), por exemplo, encontramos que
17,4 = 1,3 ⋅ (−2) + b ,
17,4 = −2,6 + b ,
b = 17,4 + 2,6 = 20 .
Então, substituindo os parâmetros a e b em (1.4) temos que
IC = −2 ⋅ VCE + 20 ,
(1.7)
que é a equação procurada para a reta de carga do transistor em questão.
O transistor é levado à saturação quando seu VCE é nulo (VCE = 0). Neste caso, a sua corrente de
coletor é máxima (IC = ICmáx). Assim sendo, de (1.7) teremos que
ICmáx = 20mA .
b) A tensão de corte do transistor.
O transistor é levado ao corte quando sua corrente de coletor IC é nula (IC = 0). Neste caso, o seu
VCE é máximo, sendo o próprio Vcc do circuito (VCE = VCEmáx = Vcc). Assim sendo, de (1.7)
teremos que
0 = −2 ⋅ VCEmáx + 20 ,
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VCEmáx =
20
= 10V .
2
c) O ponto Q deste transistor.
,
Com base em (1.1) e (1.2) temos que
IC =
ICmáx 20mA
=
= 10mA
2
2
e
VCE =
VCEmáx 10V
=
= 5V .
2
2
Logo,
Q(5V ,10mA) .
3. Dado o circuito:
VIN = 20Vcc a 22Vcc
f = 120Hz
Vz = 12,7V
Iz = 10mA
RL = 100Ω a 1kΩ
βcc = 120
a) Qual o valor da resistência Rs?
Sabemos que Rs deve ser menor do que Rsmax, que é o valor crítico do resistor série, o qual é
determinado, neste tipo de circuito, por
RS (max) =
VS (min) − VZ
IRS (max)
Pelos dados fornecidos, vemos que:
Vmin = VINmin = 20V; Vmax = VINmax = 30V; Vz =12,7V; RLmin = 100Ω; RLmax = 1kΩ.
Mas IRSmax = ?
Aplicando a 1ª Lei de Kirchhoff ao circuito, temos que:
IT = IRS + IC
Mas como RL é variável:
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IT max = IRS max + IC max
Mas observando melhor o circuito, vemos que IRSmax é a soma das correntes do zener e de base do
transistor. Logo, aplicando novamente a 1ª Lei de Kirchhoff ao ramo do resistor Rs:
IRS = Iz + IB
IRS max = Iz + IB max
Mas Iz = ? e IBmax = ?
O valor de Iz foi fornecido nos dados, sendo de 10mA. Para determinar IBmax usamos a relação
βcc =
IC
IB
pois conhecemos o βcc do transistor, que também foi fornecido, sendo de 120 o seu valor.
Mas ICmax = ?
Como foi definido na teoria para este tipo de circuito, consideramos IC = IE. Logo, temos que ICmax =
IEmax.
Mas IEmax = ?
IE (max) =
VRL
RL (min)
Mas VRL = ?
Aqui devemos notar que o resistor RL está
ligado com o diodo interno que “existe” entre
a base e o emissor do transistor, os quais
formam um ramo que está submetido a tensão
Vz do diodo regulador de tensão zener, o qual
funciona como uma bateria. RCE é a
“resistência” entre o coletor e o emissor do
transistor, pois o mesmo trabalha na região
ativa. Ao lado, o esquema de funcionamento
interno do transistor ilustra o problema.
Assim, aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff ao ramo submetido a tensão Vz do diodo zener:
Vz = VRL + VBE
VBE é a tensão do diodo, a qual consideramos como sendo de 0,7V. Logo:
VRL = Vz − VBE
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VRL = 12,7V − 0,7V = 12V
Logo: IE (max) = IC (max) =
Assim: β cc =
IC max
IB max
12V
= 120mA
100Ω
IB max =
IC max
βcc
IB max =
120mA
= 1mA
120
Então: IRS max = 10mA + 1mA = 11mA
Logo: RS (max) =
20V − 12,7V
7,3V
=
= 664Ω
0,011A
0,011A
Como Rs < Rsmax, o valor padrão imediatamente abaixo deste é de 560Ω. Portanto: Rs = 560Ω
b) Qual o valor da potência do zener Pz?
Pz = Vz ⋅ Iz
Pz = (12,7V ) ⋅ (10mA) = 127 mA
c) Qual o valor da potência do transistor Ptmax?
A potência do transistor Pt é a tensão entre coletor e emissor VCE vezes a corrente do coletor IC, de modo
que
Pt = VCE ⋅ IC
Logo,
Pt max = VCE max⋅ IC max
Mas VCEmax = ?
Como neste tipo de circuito o transistor trabalha na região ativa, logo: 0 < VCE <VIN. Então, aplicando a
2ª Lei de Kirchhoff para a malha Coletor - Emissor do transistor, temos:
VIN = VCE + VRL
VIN max = VCE max + VRL
VCE max = VIN max − VRL
VCE max = 22V − 12V = 10V
Portanto:
Pt max = (10V ) ⋅ (120mA) = 1200mW = 1,2W
d) Qual o valor do capacitor C? (Considerar Vond = ∆VIN)
O valor da capacitância C deve ser determinado por meio da equação:
Vond =
I
f ⋅C
Como foi pedido, consideramos Vond como sendo: Vond = ∆VIN
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Logo: Vond = ∆VIN = VIN max − VIN min = 22V − 20V = 2V
A freqüência foi dada, sendo de 120Hz. Falta determinar a corrente total máxima do circuito ITmax que
passa pelo capacitor C.
Conforme deduzimos antes:
Logo:
IT max = IRS max + IC max
IT max = 11mA + 120mA = 131mA
Então: C =
IT max
0,131A
=
= 546 µF
f ⋅ Vond (120 Hz ) ⋅ (2V )
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1. Um transistor possui βcc igual a 200 e sua corrente de base é de 1mA. Então:
a) Qual o valor da sua corrente de coletor?
b) Qual o valor da sua corrente de emissor?
c) Qual o valor do seu αcc?
2. Um transistor possui uma corrente de coletor de 5,75mA e uma corrente de emissor de 6mA. Então:
a) Qual o valor da sua corrente de base?
b) Qual o valor do seu βcc?
c) Qual o valor do seu αcc?
3. Um transistor possui αcc igual a 99,75% e tem uma corrente de base de 0,5mA. Então:
a) Qual o valor do seu βcc?
b) Qual o valor da sua corrente de coletor?
c) Qual o valor da sua corrente de emissor?
4. Um transistor possui uma corrente de emissor que equivale a 601 vezes o valor da sua corrente de base.
Então:
a) Quantas vezes maior será a sua corrente de coletor com relação a corrente de base?
b) Qual o valor do seu βcc?
c) Qual o valor do seu αcc?
5. Se um transistor possui αcc = 98% e tem IB = 5µA, qual será o valor de IE?
6. Um transistor 2N3904 tem uma especificação de potência de 310mW à temperatura ambiente (25ºC). Se
sua tensão entre coletor e emissor for igual a 10V, qual será a corrente máxima, em miliampères (mA),
que ele pode suportar sem exceder a sua especificação de potência?
7. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se que quando sua corrente de
coletor é de 12,8mA a sua tensão entre o coletor e o emissor mede 13,6V. Num outro ponto de operação
(quiescente) o mesmo componente apresenta uma corrente de coletor de 34,8mA quando sua tensão
entre o coletor e o emissor mede 2,6V. Sendo assim, determine:
a) A corrente de saturação do transistor.
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b) A tensão de corte do transistor.
c) O ponto Q deste transistor.
8. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se, para tanto, que sua corrente
de saturação é de 20mA enquanto que sua tensão de corte é de 15V. Se o transistor apresentar uma
tensão de 8V entre o coletor e o emissor, qual será sua corrente de coletor?
9. Considere um determinado circuito eletrônico com
dois transistores bipolares de junção, T1 e T2. Sabese que ambos operam na região ativa. A tensão de
corte do transistor T1 é de 8V enquanto que sua
corrente de saturação vale 100mA. Já o transistor
T2 tem uma tensão de corte de 12V e uma corrente
de saturação de 80mA. Com base nestas
informações (ilustradas no gráfico ao lado),
determine:
a) O valor da tensão entre o coletor e o emissor na qual ambos os transistores apresentem a mesma
corrente de coletor.
b) O valor da corrente de coletor na qual ambos os transistores apresentem o mesmo valor de
tensão entre o coletor e o emissor.
10. Dado o circuito:
VIN = 12Vcc
VZ = 6,7V
Iz = 10mA
RL = 3Ω
βcc = 150
a)
b)
c)
d)
e)
Qual o valor da resistência Rs?
Qual o valor da potência do zener Pz?
Qual o valor da potência do transistor Pt?
Qual o valor da potência da carga PRL?
Qual o valor da corrente total do circuito IT?
RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
a) 200mA; b) 201mA; c) 99,5%;
a) 0,25mA; b) 23; c) 99,75%;
a) 399; b) 199,5mA; c) 200mA;
a) 600 vezes; b) 600; c) 99,83%;
IE = 250µA;
31mA;
a) 40mA; b) 20V; c) Q(10V, 20mA);
9,33mA;
a) 3,43V b) 57,14mA;
a) Rs = 180Ω; b) Pz = 67mW; c) Pt = 12W; d) PRL = 12W; e) IT = 2,023A.
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