Universidade Paulista – Unip Jundiaí

Transistor
Em 1947, John Bardeen e Walter Brattain, sob a supervisão de William Shockley no
AT&T Bell Labs, demonstraram que uma corrente fluindo no sentido de polaridade direta
sobre uma junção semicondutora PN poderia controlar a corrente de polaridade reversa
sobre um terceiro eletrodo montado muito próximo ao primeiro contato.
Este dispositivo de controle de corrente recebeu o nome de transistor.
Como uma forma contraída das palavras “resistor de transferência” (do inglês, TRANSfer
reSISTOR) e como ele opera com elétrons e lacunas como portadores de carga recebeu o
nome de transistor bipolar.
Um outro dispositivo semicondutor de controle é o transistor de efeito de campo FET
(Field Effect Transistor), cujo controle da corrente é realizado por meio de um campo
elétrico induzido na região condutora; como ele opera majoritariamente com apenas um
tipo de portador, também é denominado de transistor unipolar.
(Eletrônica Analógica)
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Transistor
Os transistores podem ser classificados de acordo com o tipo de portador de carga
utilizado para transporte de corrente. Sob esse ponto de vista, existem dois tipos de
transistores: os bipolares e os unipolares.
Enquanto os bipolares utilizam-se de elétrons livre E lacunas como portadores de carga,
os transistores unipolares utilizam-se de elétrons livres OU lacunas como portadores de
carga.
A figura abaixo ilustra os tipos de transistores bipolares e unipolares existentes.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Introdução:
O emprego de transistores bipolares de junção (BJTs) em circuitos eletrônicos é muito
frequente, o que também ocorre com circuitos osciladores e multivibradores.
Especialmente em circuitos osciladores discretos, operando em altas frequências, é usual a
utilização de transistores bipolares de junção, além de outras tecnologias de transistores e
amplificadores operacionais.
Conforme a polarização, um transistor pode operar em três regiões distintas, sendo a de
corte, a ativa e a de saturação.
Na região ativa, o transistor é utilizado como amplificador e nas regiões de corte e de
saturação como chave.
Ou seja, o transistor como chave serve para comutação, conduzindo ou não. Nesta
situação ele é utilizado principalmente na eletrônica digital.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Os transistores bipolares de junção podem ser divididos, quanto a sua construção e
portanto funcionamento, em transistores npn ou pnp.
A figura abaixo mostra a forma simplificada de um BJT. Ele é constituído por 3 regiões com
diferentes semicondutores:
A região do emissor (tipo n), a região da base (tipo p) e a região do coletor (tipo n).
Um transistor assim é denominado npn.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Um outro transistor em que o emissor é o tipo p, a região da base tipo n e a região do
coletor tipo p, é chamado de pnp.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
O Transistor consiste de duas junções pn, a junção emissor-base e a junção coletor-base,
normalmente nos referenciamos a elas simplesmente como junção de emissor e junção de
coletor.
E é a partir da condição de polarização delas (direta ou inversa) que obtemos diferentes
modos de funcionamento de um transistor.
No caso de polarização direta na junção emissor e inversa na junção coletor temos o
transistor que funciona como amplificador.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Nas figuras 1 e 2 mostram-se os dois modelos e as variáveis principais nestes componentes
para transistor que funciona como amplificador.
As principais relações básicas no transistor são:
• Tensão base-emissor (VBE);
• Tensão coletor-emissor (VCE);
• Corrente de emissor (IE);
• Corrente de coletor (IC);
• Ganho (β).
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Algumas considerações são importantes para a análise dos circuitos de polarização, que
será realizada adiante.
Estas considerações são apresentadas abaixo, correspondendo a tensão base-emissor,
característica da queda de tensão de uma junção pn; a corrente de base é muito pequena
em relação a corrente de coletor, podendo-se aproximar IE = IC; a corrente de base é a
corrente de coletor dividida pelo ganho do transistor.
VBE = 0,7V
IC = β ⋅ IB
A partir dos valores destas variáveis pode-se determinar se o transistor está operando em
uma de suas três regiões de polarização, quais sejam:
• Região de corte – o transistor não estará conduzindo (chave);
• Região ativa - o transistor estará operando na região de amplificação linear;
• Região de saturação – o transistor estará conduzindo em sua capacidade plena (chave).
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Na Figura são apresentadas, em destaque, as três regiões de operação dos transistores
bipolares de junção.
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa
Um dos circuitos mais simples para polarização de transistores bipolares de junção é a
configuração emissor-comum com polarização fixa.
O circuito apresentado na Figura é um exemplo do emprego desta técnica de polarização
em um amplificador de sinais. Note que a tensão de entrada do circuito é vi e a tensão
de saída é vo. Se considerarmos que para operação com frequência nula (tensão e
corrente contínua) um capacitor se comporta como um circuito aberto e um indutor como
um curto-circuito, podemos obter o circuito da outra Figura.
|XL| =ω ⋅ L = 2π ⋅ F ⋅ L = 2π ⋅0⋅ L = 0 Ω ;
|XC| =
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Transistores Bipolares
Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa
|XL| =ω ⋅ L = 2π ⋅ F ⋅ L = 2π ⋅0⋅ L = 0 Ω ;
|XC| =
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa
Fazendo-se a análise da malha de base-emissor, pode-se desenhar o circuito da Figura
abaixo, obtendo-se:
(Eletrônica Analógica)
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Transistores Bipolares
Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa
Do mesmo modo, analisando a malha coletor-emissor, tem-se:
(Eletrônica Analógica)
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Exemplo Resolvido
Seja o circuito da Figura abaixo, a partir do que foi estudado anteriormente, pode-se
determinar as variáveis do circuito conforme segue.
(Eletrônica Analógica)
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Exercício
Seja o circuito da Figura do exemplo acima e que a tensão de alimentação seja de 5 V,
determine:
(Eletrônica Analógica)
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Operação na região de saturação
Se o transistor estiver operando na região de saturação, o transistor funciona como
Chave, conforme mostrado na Figura das Regiões de polarização, então pode-se
considerar que a tensão coletor-emissor tende a zero, como mostrado na Figura abaixo.
A corrente de saturação pode ser determinada por:
(Eletrônica Analógica)
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Operação na região de saturação
Lembre que, em oposição à operação na saturação onde não temos operação sendo a
tensão VCE igual a zero, tem-se a operação na região de corte, onde pode-se considerar:
Utilizando estes limites de operação (ICsat e VCE = VCC) tem-se a reta de carga do circuito,
como está mostrado abaixo:
(Eletrônica Analógica)
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Exemplo Resolvido
Considerando o circuito da Figura abaixo, determinar a corrente de coletor, caso o
transistor esteja saturado, por:
(Eletrônica Analógica)
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Exercício
Para o circuito da Figura abaixo, operando na região de saturação, determine a corrente
de coletor.
(Eletrônica Analógica)
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Polarização Estável de Emissor
O principal problema da configuração emissor-comum com polarização fixa é a
dependência da corrente de base com o ganho do transistor.
Isso pode ser notado pelas expressões abaixo:
Para diminuir a dependência da corrente de base do ganho do transistor, que é muito
dependente da temperatura de operação e da fabricação do semicondutor, insere-se um
resistor de emissor ao circuito de polarização fixa, originando o circuito de polarização
estável de emissor, mostrado na Figura abaixo:
Fazendo-se a análise da malha de emissor,
pode-se escrever que:
(Eletrônica Analógica)
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Polarização Estável de Emissor
A resistência de entrada, vista pela fonte vi, considerando o capacitor um curto-circuito,
será:
Note que enquanto a corrente de base na polarização fixa é dada pela tensão dividida pela
resistência de base (RB). Já na polarização estável de emissor, o denominador para
determinar a corrente de base é:
(Eletrônica Analógica)
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Exercício
Considere o circuito de polarização fixa apresentado na Figura a esquerda e o circuito de
polarização estável de emissor da Figura a direita. Faça uma análise do comportamento
das principais variáveis do circuito (IB, IC, VCE) considerando um aumento de 90% no ganho
dos transistores.
(Eletrônica Analógica)
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Exercício
Faça a análise do circuito de polarização do oscilador mostrado na Figura abaixo.
Determine também as variáveis principais do circuito considerando a região de saturação
e corte, para fins de desenho da reta de carga do mesmo.
(Eletrônica Analógica)
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Polarização por Divisor de Tensão
O circuito mais utilizado para polarização de transistores, por possuir excelentes
características quanto a independência da corrente de base com o ganho do transistor, é o
divisor de tensão para geração da tensão de base, como está mostrado na Figura abaixo.
(Eletrônica Analógica)
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Polarização por Divisor de Tensão
Pode-se utilizar o circuito equivalente de Thévenin para determinar a tensão de base e a
resistência equivalente deste circuito, de acordo com a Figura abaixo.
A resistência equivalente a tensão da fonte de Thévenin serão:
Portanto, a corrente de base e a tensão coletor-emissor serão:
* Note que a corrente de base é determinada considerando a resistência equivalente de Thévenin e a
parcela dependente do ganho (β).
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Exercício
Determine a corrente de base, corrente de coletor e tensão coletor-emissor para o circuito
Abaixo:
(Eletrônica Analógica)
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Exercício
Considere ainda o circuito da Figura anterior. Refaça a análise supondo que o ganho do
transistor sofreu uma variação de +100%. Compare os resultados obtidos com o exercício
anterior.
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Polarização com Realimentação de Tensão
Uma alternativa para melhorar a estabilidade do circuito de polarização em relação ao
ganho do transistor é inserir uma realimentação de coletor para a base, como pode ser
observado na Figura abaixo:
A análise fica um pouco mais trabalhosa,
mas facilmente pode-se obter:
(Eletrônica Analógica)
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