Transistor de Junção Bipolar - TJB

Transistor de Junção Bipolar - TJB
1.Histórico
2. Funcionamento
3. Polarização
4. Amplificador
5. Representção
6. Correntes
7. Coletor
8. Configurações
9. Circuitos
10. Referências
1. Breve Histórico
A era da eletrônica foi inaugurada em 1907, com a invenção da válvula tríodo
por L. Forest, resultado do aperfeiçoamento da válvula diodo inventada por
Flemeing poucos anos antes. Em 1951, SCHOKLEY inventou o primeiro
Transistor de Junção, 44 anos após a invenção da válvula. Foi um desses
grandes acontecimentos que mudam todas as regras.
O impacto do transístor na eletrônica foi de proporções gigantescas. Segundo
Malvino (1995), além de incrementar os multibilhões de dolares da industria
dos semicondutores, o transístor contribuiu para todas as invenções
relacionadas, como os circuitos integrados, componentes optoeletrônicos e
microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos
projetados hoje em dia utilizam semicondutores.
A evolução do transistor foi um grande passo para o surgimento do circuito
integrado (CI), um dispositivo pequeno geralmente de encapsulamento
plástico, com vários terminais, que contem em seu interior, desde dezenas até
milhões de transístores, por exemplo, um processador usado nos modernos
computadores no início deste milênio, encerra de forma integrada cerca de 10
milhões de transistores ou mais.
Nesta abordagem destacamos alguns elementos direcionados para aplicação
de ordem prática do transistor bipolar, sem nos aprofundar na teoria atômica
dos semicondutores, a qual temos certeza que é de muita importância; porém,
nesse trabalho focalizamos o transístor como um componente para uso prático
de aplicação direta em alguns circuitos básicos.
Neste contexto consideramos os seguintes tópicos: características físicas, ação
amplificadora, símbolo e encapsulamento, curvas características,
configurações básicas, regiões de operação, bem como alguns circuitos de
aplicações básicas.
2. Estrutura e Funcionamento
O Transístor Bipolar é um dispositivo de estado sólido formado por duas
junções, P e N, em que os elementos semicondutores podem estar dispostos na
sequência PNP ou NPN. O primeiro e chamado de "Transístor PNP", enquanto
que o segundo é chamado de "Transistor NPN".
Figura 01 - Estrutura do transistor
A figura 01, mostra as três regiões do transístor. quais sejam: base, emissor e
coletor. Cada uma das três regiões do transistor é concebida por um processo
de dopagem, o qual consiste em adicionar impurezas aos âtomos de um cristal
intrínseco para alterar a sua condutibilidade elétrica, conforme foi visto no
estudo do díodo semicondutor.
A região do emissor é densamente dopada; o emissor tem a função de emitir,
ou injetar elétrons na base. A base é levemente dopada e muito fina; ela
permite que a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passe para o coletor.
O coletor apresenta um nível de dopagem intermediário entre o emissor e a
base. O coletor é assim chamado porque ele coleta ou junta os elétrons que
vêm da base, a região do coletor é mais extensa que a da base e deve dissipar
mais calor que esta.
É importante salientar que aumento da tensão de coletor não aumenta o
número de portadores disponíveis; o que resulta no aumento de portadores
disponíveis e como consequência o aumento da corrente de coletor é a
diminuição da espessura da barreira de potencial entre o emissor e a base por
causa da polarização direta emissor-base.
3. Transistor Polarizado
Um transístor é formado por um emissor (e), uma base (b) e um coletor (c). A
Figura a seguir mostra um transístor NPN polarizado. A região da base do
transístor é fina de modo que os elétrons são impelidos para esta região por
causa da polarização direta na junção entre o emissor e a base e depois são
atraídos pela carga positiva presente no material tipo ''N'' atravessando a outra
junção entre base e coletor.
Figura 02- Polarização do transistor NPN.
A presença da bateria "VBB" e o fato da base do transístor ser constituída de
uma camada muito fina, faz com que um pequeno número de elétrons e
lacunas se recombinem na região da base produzindo uma pequena corrente
"IB" no circuito base-emissor; por outro lado, uma grande quantidade de
elétrons provenientes do emissor densamente dopado, atravessam a região da
base e constituem uma grande corrente "IC" de emissor para coletor, devido a
uma segunda bateria "VCC" que polariza inversamente a região de coletor. Na
região de emissor constata-se a existência das duas correntes, portanto, a
corrente de emissor é igual à soma das outras duas, desse modo: (IE=IC+IB).
Para polarizar um transístor PNP inverte-se a polaridade de cada bateria, o
comportamento dos portadores no transistor PNP é idêntico ao que ocorre no
NPN, exceto que o sentido dos elétrons são invertidos conforme ilustra a figura
abaixo.
Figura 03 - Polarização do transistor PNP.
4. Ação Amplificadora
Uma ação amplificadora no transistor bipolar é proporcionado pela injeção de
portadores (elétrons ou lacunas) na região da base a qual constitue-se no
circuito de entrada e o fluxo de portadores do emissor para o coletor forma o
circuito de saída.
A ação amplificadora seja de corrente, tensão ou potência exprimem as
diferenças entre os sinal de entrada "Ve" e o sinal de saída "Vs" e revela-se
através da resistência de carga "RL".
Para um exemplo prático da ação amplificadora, tomamos um modelo em
bloco de um transístor NPN polarizado, e um sinal senoidal de 0,2 Volts
pico-a-pico aplicado à entrada do circuito, conforme demonstra a figura 4.
Figura 04 - Transistor NPN com sinal senoidal aplicado à entrada.
Supondo o transístor acima com um ganho de corrente Beta=100 e uma
relação linear; podemos desenvolver as seguintes expressões para constatar a
ação amplificadora, a partir da seguinte situação:
Um sinal (tensão alternada senoidal) de 0,2Vpp, como mostra a figura 4, é
aplicado à entrada do circuito que possui uma resistência de entrada
(resistência equivalente da junção base-emissor) igual a 10 K, a partir dai
podemos constatar:
1. A amplitude da variação de corrente "
2. A amplitude da variação de corrente "
3. Então a amplitude da tensão na saída
" na entrada do circuito será:
" na saída será:
será:
4. Conclusão, neste caso, verifica-se a ação amplificadora do transístor pelo
ganho de tensão "Av", o qual conforme o exemplo dado terá na saida 50 vezes
o valor da tensão na entrada, ou seja:
Av (ganho de tensão) = 50
5. Símbolo
5. Símbolos - Os símbolos normalmente usados na representação dos
transístores, indicam a polaridade relativa da tensão que existe entre os
terminais. As setas localizadas no emissor apontam para o material
semicondutor tipo "N" e indicam a polaridade do transistor, PNP ou NPN.
Figura 05 - Símbolo do transistor NPN e do transistor PNP.
5.1. Encapsulamentos - O encapsulamento ou envólucro do transístor pode ser
construído de um material não poroso como o metal, o vidro, o plástico, a
cerâmica ou epoxi. Atualmente a industria vem padronizando o metal, o
plástico e o epoxi na fabricação de encapsulamento para os transístores.
A figura abaixo mostra os tipos mais utilizados.
Figura 06 - Encapsulamentos de transistores.
6. As Correntes no Transistor
Para representar as correntes no transístor bipolar, existe duas opções: ou se
adota o fluxo de corrente no sentido convencional ou o fluxo de corrente no
sentido real; no sentido convencional a orientação das setas segue a mesma
que representa o emissor, e no sentido real as setas são orientadas pelo
sentido de deslocamento dos elétrons, ou seja, do potencial mais negativo para
o mais positivo.
A figura abaixo mostra as correntes através dos símbolos esquemáticos para
transístor NPN e PNP, podemos notar que a seta que representa o emissor em
cada polaridade, aponta para o material tipo "N" nos dois tipos de transístor.
Figura 07 - As correntes no transistor NPN e PNP.
Recordando a Lei das Correntes de Kirchhoff, "A soma das correntes que
chegam em um nó ou junção é igual a soma das correntes que partem desse
nó", aplicando essa lei às correntes de um transístor, ela pode ser interpretada
como: "a soma das correntes que partem do emissor é igual á soma das
correntes que chegam simultaneamente à base e ao coletor".
Como a corrente da base é muito pequena, em uma aproximação, considera-se
a corrente de coletor igual à corrente de emissor.
Sendo a corrente de coletor corrente de saída e a corrente de base corrente de
entrada do componente, desta relação pode-se determinar o ganho de corrente
(Bcc) definido como a corrente do coletor pidida pela corrente da base, ou seja.
Para transístores de baixa potência o ganho de corrente é tipicamente de 100 a
300 e para alta potência é de 20 a 100.A equação do ganho pode ser
rearranjada de duas formas:
• Primeiro, para calcular Ic sabendo-se o valor de Bcc e Ib.
• Segundo, para calcular Ib sabendo-se os valores de Ic e Bcc.
7. Características de Base e Coletor
As características elétricas terminais dos transístores envolvem relações entre
tensões e correntes. Uma das formas de visualizar as relações entre tensões e
correntes envolvidas na polarização do transístor bipolar é através de dados
obtidos a partir de um "circuito de teste" do transístor, o qual permite traçar
curvas em gráficos (Ib x Vbe) e (Ic x Vce) a partir destes verifica-se entre
outros parâmetros: a tensão limiar de condução (Vbe), A corrente de saturação
da base (IBst), a corrente máxima de coletor (ICmáx), a tensão máxima entre
coletor e emissor (VCEmáx) e outros valores do transistor em teste, os quais
permitem ao projetista implementar circuitos transistorizados para as persas
aplicações.
Figura 08 - Circuito de teste.
1. Curvas da Base - Representa a corrente de base (IB), e a tensão da base
para o emissor (VBE). Este gráfico é semelhante à curva de um diodo
polarizado diretamente, neste caso corresponde especificamente ao diodo da
junção base-emissor.
A curva da base é uma característica de entrada do transístor na configuração
emissor comum.
Figura 09 - Curva de base.
2. Curvas do Coletor - É um dos gráficos mais importante que pode ser obtido
com o circuito de teste; a ideia é de variar as fontes de alimentação VBB e
VCC, para verificar o comportamento do transístor em teste com diferentes
valores de tensões e correntes, bem como, estabelecer parâmetros para um
projeto seguro dentro de valores aceitáveis de potência que não comprometam
a vida útil do componente.
Figura 10 - Curva de coletor.
Na configuração emissor comum (EC), as características de coletor significam
características de saída do transístor.
3. Reta de Carga - Para se obter uma melhor visualização das regiões de
polarização na qual um determinado transístor possa operar, um processo
prático é desenhar uma reta de carga nas curvas de coletor tomando como
referência as duas condições extrema de funcionamento do componente, ou
seja a saturação e o corte. A partir desta condição determinar dos pontos
através dos quais traça-se a reta.
1o ponto - considera-se o transístor saturado, portanto a tensão entre coletor e
emissor é igual a zero, então:
2o ponto - considera-se o transístor cortado, então a corrente de coletor é igual
a zero, portanto como não hverá diferença de potencial no resistor de coletor, a
tensão entre o coletor e emissor será igual a tensão da fonte, ou seja:
De posse dos dois pontos traça-se a (linha de carga CC) no gráfico (IC x VCE) e
nesta linha plota-se o ponto de trabalho ou ponto quiescente "Q"
correspondente neste exemplo aos seguintes valores quiescente: Icq=3mA,
Vceq=6V e Ibq=30uA; a partir destes valores, concluí-se com a escolha dos
resistores para o circuito.
8. Configurações Básicas
As configurações básicas partem de circuitos com características determinadas
de acordo com os terminais escolhidos para entrada e saída do sinal em
relação a um ponto comum (terminal comum). Esta configurações são três, a
saber: emissor comum, base comum e coletor comum.
a) Emissor Comum - Configuração mais utilizada nos amplificadores de baixa
frequência, inverte o sinal de saída em 1800 (muito utilizada em áudio),
apresenta:
•
•
•
•
ganho de corrente alto
ganho de tensão alto
impedância de entrada média aproximadamente 1k
impedância de saída muito alta aproximadamente 1M
Figura 11 - Configuração emissor comum.
b) Base Comum - Configuração mais utilizada nos circuitos de alta frequência
(amplificadores de Rádio Frequência e osciladores nos circuitos de rádio e TV),
apresenta:
•
•
•
•
ganho de corrente menor que a unidade
ganho de tensão muito alto
impedância de entrada muito baixa, aproximadamente 50 Ohms
impedância de saída muito alta aproximadamente 1M
Figura 12 - Configuração base comum.
a) Coletor Comum - Configuração mais utilizada nos circuitos casadores de
impedância devido à alta impedância de entrada e baixa impedância de saída,
apresenta:
•
•
•
•
ganho de corrente alto
ganho de tensão menor que a unidade
impedância de entrada muito alta aproximadamente 300k
impedância de saída muito baixa aproximadamente 300 Ohms
Figura 13 - Configuração base comum.
9. Referências
ALMEIDA, Antônio Carlos de. Caderno de Anotações. Salvador: SENAI/CEFET,
1978/2008.
ANDRADE, Edna Alves de. Eletrônica Industrial: Análise de dispositivos e
suas aplicações. 1a ed. Salvador - Brasil: Novotipo, 1996.
CIPELLI, Antonio Marco Vicari; SANDRINI, Waldir João. Teoria e
desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos. São Paulo - Brasil:
Érica, 1979.
LOWENBERG, Edwin C. Circuitos Eletrônicos. (Tradução: Ostend. A. Cardim).
São Paulo - Brasil: McGraw-Hill do Brasil, 1974.
MALVINO, Albert Paul. Eletrônica - volume 1. (Tradução: José Lucimar do
Nascimento; revisor técnico: Antonio Pertence Junior). 4a ed. São Paulo - Brasil:
Makron Books, 1995.
KAUFMAN, Milton. Eletrônica Básica. (Tradução: Fausto Martins Pires Júnior).
São Paulo - Brasil: McGraw-Hill do Brasil, 1984.
Última atualização - 25.04.2006
Autor: Antonio Carlos de Almeida
URL: www.almhpg.com
e-mail: [email protected]
Postado em: 14/10/2014