Transistor bipolar de junção (TBJ) TBJ Dispositivos semicondutores de três terminais. Eles são muito mais utilizados e de funções mais complexas, que vão desde amplificação de sinais até a lógica digital. O nome transistor bipolar reflete o fato de o fluxo de corrente nestes elementos ser bidirecional, ou seja, uma parte é formada por elétrons e outra por lacunas. Outro fato curioso está no nome: o prefixo TRANS vem da palavra inglesa TRANSFER e o sufixo ISTOR de RESISTOR. Combinando ambas, temos algo semelhante a resistor de transferência. A medida que nos aprofundarmos no estudo do dispositivo mostraremos esta característica fundamental. Enfim, o transistor de junção (que fora desenvolvido no início da década de 50) revolucionou a tecnologia até alcançar o estágio atual. Para se ter uma idéia do significado da invenção do transistor, historiadores da ciência referem-se à nossa época como a Era do Transistor! Simbologia A figura a seguir, mostra duas estruturas cristalinas: uma NPN e outra PNP. Visualmente percebemse três regiões: emissor, base e coletor. O emissor é dopado fortemente, pois dele partem os elétrons para a outra região, a base. Na base, que é fina e fracamente dopada, a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passa para o coletor. O coletor é a maior das três regiões, pois nele é gerada uma quantidade de calor maior, e é assim designado pelo fato dos elétrons da base convergirem para lá (diz-se que o coletor junta os elétrons da base). O nível de dopagem do coletor é intermediário, está entre o da base e o do emissor FF Funcionamento 1° Etapa - injeção de portadores no emissor - Nesta etapa, a polarização correta do diodo emissor permite às fontes injetarem elétrons no interior do emissor pela repulsão mútua entre elétrons das fontes e os livres e em excesso pertencentes a essa região. 2° Etapa - entrada dos elétrons na base e recombinação com as lacunas - Nesta etapa, os elétrons do emissor têm energia suficiente para vencer a barreira de potencial do diodo emissor e penetrar na base. Lá, poucos elétrons livres encontram lacuna em sua trajetória, mas os que conseguem se recombinam e formam a corrente da base. A grande maioria mantém a trajetória em direção ao coletor pela repulsão contínua provocada pelo campo elétrico das fontes. 3° Etapa - elétrons atravessando o diodo coletor e formando a corrente - Aqui, os elétrons livres do emissor, que não conseguiram se recombinar na base atravessa a grande região de depleção do coletor (diodo reverso) deixando boa parte da energia adquirida das fontes e sendo atraídos pelo forte potencial positivo de Vcc. Diagrama O diagrama elétrico do circuito mostra uma configuração emissor comum alimentado por um divisor de tensão. Na figura, o circuito do emissor comum é constituído de um resistor de carga RC e de um transistor NPN com a sua saída conectada como visto; os outros elementos do circuito são utilizados para a polarização do transistor e para o acoplamento/desacoplamento do sinal. O resistor RE entre o emissor e a terra compartilhado de uma forma que contradiz a definição estrita de "emissor comum", porém é termo ainda é apropriado neste caso pois, para as frequências de interesse, o capacitor CE desacopla o emissor do terra. O resistor do emissor provê uma forma de feedback negativo chamada de degeneração de emissor, que aumenta a estabilidade e linearidade do amplificador, especialmente em resposta às mudanças de temperatura. Os circuitos emissores comum são utilizados para amplificar sinais de baixa voltagem, tais como os sinais de rádios fracos captados por uma antena. Eles também são utilizados em uma configuração especial de circuito analógica conhecida como fonte de corrente, onde uma única entrada compartilhada é utilizada para controlar uma série de transistores idênticos, cada uma dessas correntes de saída será aproximadamente igual às outras, mesmo que estes transistores estejam controlando cargas de saída distintas. Características (PARAMETRO BETA) (As linhas paralelas indicam componentes em paralelo.) Ganho de tensão: O beta provavelmente será maior que 10. Isto é um fator benéfico, porque IB é a mesma corrente especificada no projeto, já que ela depende apenas de VBB e de RB (IB=[VBB0,7V] /RB).Se lB é a mesma e o beta aumentou, significa que teríamos no coletor uma IC ainda maior (IC=β.IB). Sabemos que essa situação não existirá, já que o circuito do coletor satura no mesmo valor de ICSAT que estipulamos. Reta de carga no modo chave - Como desejamos que o transistor atue como chave, a reta de carga para o circuito deve ter o ponto de operação Q oscilando entre a saturação e o corte. Quaisquer outros pontos que não sejam as extremidades da reta estão proibidos de ocorrer quando adotamos a regra de projeto acima estudada. Acionando cargas com o transistor - No estudo feito acima, buscamos especificar um resistor de base para que o transistor saturasse irremediavelmente. Na prática, a chave é muito usada para acionar relés, motores CC de pequena capacidade, lâmpadas de baixa potência, LED’s indicadores etc. Polarização do tbj Basicamente precisaremos lembrar que: vBE = 0.7 V (fornecido) iE = (β + 1) iB ≈ iC iC = β iB Iniciamos as análises determinado iB e posteriormente usamos as relações acima + leis de Kirchoff Conceito de ponto quiescente ou de operação. Região na qual o transistor funcionará. Preferencialmente região ativa do transistor. POLARIZAÇÃO IB CONSTANTE 0 circuito de fig.13a apresenta uma forma bastante simples de polarizar o transistor bipolar adequadamente na região linear. Através dele pode-se fixar um valor de IB e portanto obter-se o correspondente par (IC,VCE) no saída, dai porque este circuito é chamado de circuito de polarização com IB constante. Note no entanto que existem duas grandezas (VBB e RB) que podem ser variadas e apenas uma grandeza a ser determinada (IB) já que VBE na região linear pode ser assumido constante. Como pode-se adotar qualquer valor para uma delas, por conveniência assume-se VBB = VCC, simplificando-se o circuito da fig.13a para o circuito de fig.13b. Escrevendo-se a equação de malha de entrada para o circuito, obtém-se: (16) (17) e portanto se VBE pode ser assumido constante, então IB também é constante. Além disso, como a malha de saída do circuito da fig.13b é a mesma do circuito da fig.11a, a expressão (15) é válida e IC pode ser calculado como sendo: (18) Um requisito essencial de um circuito de polarização é manter o par (I C,VCE) (isto é, o ponto quiescente) o mais constante possível quanto a variações indesejáveis. isso significa que o circuito de polarização deve absorver quaisquer variações nos parâmetros envolvidos, sejam elas causadas per tolerâncias de fabricação (resistores, b F, VBE), por envelhecimento de componentes (resistores e transistores) ou por alterações de temperatura (resistores, b F, VBE ou ICEO). Quando se analisa um circuito quanto a sua estabilidade é interessante ter-se em mente qual é a variação típica de cada parâmetro. A tabela II apresenta essas variações para diversos componentes encontrados no mercado (para que um circuito seja confiável, no momento de especificação dos componentes, deve-se consultar o manual do fabricante, mesmo para resistores e capacitores). Transistor como chave Transistor como chave é uma das formas mais diretas de aplicar este componente em variados tipos de projetos. Um transistor não muda instantaneamente entre os estados ligado (on) e desligado (off). Os tempos de mudança entre on e off dependem diretamente do tipo de transistor e das condições do circuito. Podem-se gerar circuitos de pulsos, que são os que possuem dois estados (alto e baixo), e aplicar em circuitos digitais. Assim, uma carga poderá ser ligada e desligada automaticamente. Ou um pulso enviado a um próximo estágio de circuito. Apenas para citar exemplos de aplicação. Os sinais de entrada nos circuitos de chaveamento a transistor podem ser acoplados diretamente ou através de um capacitor. Transistores de efeito de campo (FET) utilizados como chave possuem algumas vantagens sobre os transistores bipolares (NPN e PNP). O funcionamento ideal e real do transistor como chave Um circuito pode ser projetado especificamente para fazer um transistor atuar como uma chave. Nesse caso, o foco estará nos estados de corte e saturação, determinados na etapa de polarização do transistor. Os terminais da chave são os terminais coletor e emissor do transistor. A tensão de controle para o chaveamento é a tensão entre base e emissor. Dois estados da chave → ON e OFF; Transistor ligado → ON; Transistor desligado → OFF. A situação ideal (não real) Corte: a corrente no coletor do transistor é nula, isto é, a chave está aberta (off). A tensão entre coletor e emissor é igual à tensão da fonte. Saturação: a chave está fechada (on), porque a corrente no coletor é máxima. A tensão entre coletor e emissor é nula. O transistor também simula uma chave no sentido de dissipação de potência, porque esta é nula nos estados on e off. A dissipação deixa de ser nula durante os intervalos em que o transistor está mudando de on para off, e vice-versa. A situação real Para entender como um transistor como chave funciona na prática é necessário considerar as características de emissor comum. São três regiões, sendo que uma delas, a região ativa, não é de interesse aqui, por ser utilizada em circuitos para amplificação. Importa aqui as região de corte e saturação, como já comentado antes para o caso ideal. Observe uma parte da datasheet abaixo, do transistor 2N3904. A corrente Icex marcada em azul é igual a 50 nA. É a corrente em condição de corte, medida pelo fabricante. Ela torna a tensão entre coletor e emissor (VCE) ligeiramente inferior à tensão Vcc (fonte de alimentação) quando o transistor está off (desligado). Na condição de saturação, existe uma pequena tensão entre coletor e emissor, tipicamente de 0,2 V. Ela depende da corrente de coletor e da resistência do material semicondutor que forma o coletor do transistor. Para a saturação ocorrer, o ganho de corrente do transistor deve ter um valor mínimo, dependendo das condições do circuito. Supondo que um transistor tem uma corrente de base igual a 50 μA e requer uma corrente de coletor de 1 mA para atuar na saturação, então o ganho mínimo de corrente do transistor será de [(1 mA / 50 μA) = 20]. Se o ganho for menor do que 20 neste caso, a corrente de coletor será menor do que 1 mA, o que não permitirá a ocorrência da saturação. Tempos para um transistor como chave ligar e desligar O tempo que o transistor leva para ligar e desligar é uma característica importante em aplicações que exigem boa precisão. A figura ao lado mostra os tempos de subida e descida. Quando a corrente é aplicada à base do transistor, este não vai ligar, ficar on, imediatamente. Ton (tempo p/ ligar) = Td + Tr Toff (tempo p/ desligar) = Ts + Tf Olhando mais uma vez a datasheet do transistor 2N3904, temos os seguintes tempos de chaveamento: Ton = Td + Tr = 35 ns + 35 ns = 70 ns Toff = Ts + Tf = 200 ns + 50 ns = 250 ns Como melhorar os tempos de chaveamento Idealmente, para um rápido chaveamento, temos as seguintes condições: A tensão base-emissor (VBE) deve começar em zero volts; A corrente de base do transistor deve ser maior quando a chave liga (Ton), mas deve rapidamente decrescer a um mínimo exigido para saturação. O desligamento (Toff) deve ser alcançado por uma grande tensão de polarização reversa, que rapidamente retorna a zero. As condições acima são atingidas quando um capacitor é conectado como no circuito abaixo:
