O TRANSISTOR BIPOLAR

TRANSISTOR BIPOLAR
1 - A Revolução
Com o passar dos anos, a indústria dos dispositivos semicondutores foi
crescendo e desenvolvendo componentes e circuitos cada vez mais
complexos, a base de diodos. Em 1948, na Bell Telephone, um grupo de
pesquisadores, liderados por Shockley, apresentou um dispositivo formado por
três camadas de material semicondutor com tipos alternados, ou seja, um
dispositivo com duas junções. O dispositivo recebeu o nome de TRANSISTOR.
O impacto do transistor, na eletrônica, foi grande, já que a sua capacidade de
amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo este dispositivo, muito
menor e consumindo muito menos energia, substituísse as válvulas na maioria
das aplicações eletrônicas. O transistor contribuiu para todas as invenções
relacionadas, como os circuitos integrados, componentes opto - eletrônicos e
microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos
projetados hoje em dia usam componentes semicondutores.
As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas, tais
como:
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•
•
•
•
Menor tamanho
Muito mais leve
Não precisava de filamento
Mais resistente
Mais eficiente, pois dissipa menos potência
Não necessita de tempo de aquecimento
Menores tensões de alimentação.
Hoje em dia as válvulas ainda sobrevivem em alguns nichos de aplicações e
devido ao romantismo de alguns usuários.
2. O TransistorBipolar
O principio do transistor é poder controlar a corrente. Ele é montado numa
estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de
cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto,
que controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada uma dessas
camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transistor,
As extremidades são chamadas de emissor e coletor, e a camada central é
chamada de base. Os aspectos construtivos simplificados e os símbolos
elétricos dos transistores são mostrados na figura abaixo. Observe que há duas
possibilidade de implementação.
1
O transistor da esquerda é chamado de NPN e o outro de PNP.
O transistor é hermeticamente fechado em um encapsulamento plástico ou
metálico de acordo com as suas propriedades elétricas
2.1 - Características Construtivas
O emissor é fortemente dopado, com grande número de portadores de carga.
O nome emissor vem da propriedade de emitir portadores de carga.
A base tem uma dopagem média e é muito fina, não conseguindo absorver
todos os portadores emitidos pelo emissor
O coletor tem uma dopagem leve e é a maior das camadas, sendo o
responsável pela coleta dos portadores vindos do emissor.
Da mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas
junções das camadas P e N.
O comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o
controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base.
Para isto é necessário polarizar corretamente as junções do transistor.
3. Funcionamento
Polarizando diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção basecoletor, a corrente de coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.
Fig. 1 – Polarização de um transistor
2
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•
Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de
coletor IC e vice-versa.
A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma
pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC, Isto significa
que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplificado da
variação da corrente na base.
O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que
ele seja considerado um dispositivo ativo.
Este efeito amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso
matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a
variação da corrente de base , isto é:
β=
IC
IB
(1)
3.1 - Tensões e Correntes nos Transistores NPN e PNP
Fig.2 – Transistores NPN e PNP
Aplicando as leis de Kirchoff obtemos:
IE = IC + IB
NPN: VCE = VBE + VCB
(2.1)
PNP: VEC = VEB + VBC
(2.2)
4 - Classificação dos Transistores
Os primeiros transistores eram dispositivos simples destinados a operarem
apenas com correntes de baixa intensidade, sendo, portanto, quase todos
iguais nas principais características. Com o passar dos anos, ocorreram muitos
aperfeiçoamentos nos processos de fabricação que levaram os fabricantes a
produzirem transistores capazes de operar não só com pequenas correntes
3
mas também com correntes elevadas, o mesmo acontecendo com às tensões
e até mesmo com a velocidade.
O estudo das características principais é efetuado por famílias (grupo de
transistores com características semelhantes), que são:
Pequenos Sinais
Baixas frequências
Uso Correntes IC entre 20 e 500mA
Geral
Tensão máxima entre 10 e 80 V
Frequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz
Correntes elevadas
Potência Baixas frequências
Correntes IC inferior a 15A
Frequência de transição entre 100 kHz e 40 MHz
Uso de radiadores de calor
Pequenos sinais
RF
Frequência elevada
Correntes IC inferior a 200mA
Tensão máxima entre 10 e 30V;
Frequência de transição em 1,5 GHz
4
5 - Configurações Básicas
Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base
Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo
comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.
Fig. 3 – Configurações de transistor
5.1 - Configuração BC
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•
Ganho de tensão elevado
Ganho de corrente menor que 1
Ganho de potência intermediário
Impedância de entrada baixa
Impedância de saída alta
Não ocorre inversão de fase
5.2 - Configuração CC
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•
•
•
•
Ganho de tensão menor que 1
Ganho de corrente elevado;
Ganho de potência intermediário
Impedância de entrada alta
Impedância de saída baixa
Não ocorre a inversão de fase.
5.3 Configuração EC
•
•
•
•
•
•
Ganho de tensão elevado
Ganho de corrente elevado
Ganho de potência elevado
Impedância de entrada baixa
Impedância de saída alta
Ocorre a inversão de fase.
Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os
diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm
como referência a configuração de emissor comum.
5
Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta
curva, para cada valor constante de VCE, variando-se a tensão de entrada VBE,
obtém-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico com o seguinte
aspeto.
Fig. 4 – Configuração de entrada
Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão
entre a base e o emissor.
Para cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída
VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspeto.
Fig. 5 – Configuração de saída.
Através desta curva, podemos definir três estados do transistor, o CORTE, a
SATURAÇÃO e a DATIVA
•
•
•
CORTE: IC = 0
SATURAÇÃO: VCE = 0
ATIVA: Região entre o corte e a saturação.
Para a configuração EC a relação entre a corrente de saída e a corrente de
entrada determina o ganho de corrente denominado de β ou hFE (razão de
transferência direta de corrente)
6
β=
IC
IB
O ganho de corrente b não é constante, valores típicos são de 50 a 900.
Exemplo 1
Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN,
determine:
a) A corrente na base para VBE=0,8
b) O ganho de corrente β
c) Um novo ganho de corrente β , caso a corrente IB dobre de
valor.
6 - Os Limites dos Transistores
Os transistores, como quaisquer outros dispositivos têm suas limitações
(valores máximos de alguns parâmetros) que devem ser respeitadas, para
evitar que os mesmos se danifiquem. Os manuais técnicos fornecem pelo
menos quatro parâmetros que possuem valores máximos:
•
Tensão máxima de coletor - VCEMAX
7
•
•
•
Corrente máxima de coletor - ICMAX
Potência máxima de coletor - PCMAX
Tensão de ruptura das junções
Na configuração EC, PCMAX = VCEMAX.ICMAX
Exemplos de parâmetros de transistores comuns.
Tipo
BC 548
2N2222
TIP31A
2N3055
BC559
BFX29
Polaridade VCEMAX ICMAX
NPN
NPN
NPN
NPN
PNP
PNP
(V)
45
30
60
80
-30
-60
(mA)
100
800
3000
15000
-200
-600
β
125 a 900
100 a 300
20 a 50
20 a 50
125 a 900
50 a 125
7 – Transistor como chave
A utilização do transistor nos seus estados de SATURAÇÃO e CORTE, isto é,
de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o
coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação
como chave.
A figura abaixo mostra um exemplo disso, em que ligar a chave S1 e fazer
circular uma corrente pela base do transistor, ele satura e acende a lâmpada. a
resistência ligada a base é calculado, de forma que, a corrente multiplicada
pelo ganho dê um valor maior do que o necessário o circuito do coletor, no
caso, a lâmpada.
BD139
Fig 7.1 – Transistor controlando um relé
Fig. 7.2 – Visão de um relé
8
Veja que temos aplicada uma tensão positiva num transistor NPN, para que ele
sature e uma tensão negativa, para o caso de transistores PNP, conforme
mostra a figura abaixo.
Fig. 8 – Chave transistorizada com transistor PNP
8 - Exercício
1. Quais as vantagens dos transistores em relação as válvulas?
2. Quais as relações entre as dopagens e as dimensões no emissor,
coletor e base de um transistor?
3. Para o funcionamento de um transistor, como devem estar polarizadas
suas junções?
4. Quais as relações entre as correntes e tensões num transistor NPN e
PNP?
5. Explique por que o ganho de corrente na configuração BC é menor que
1.
6. Explique por que o ganho de corrente na configuração EC é muito maior
que 1.
7. Explique por que o ganho de tensão na configuração CC é menor que 1.
8. Quais os três estados do transistor quais são as suas características.
9 - Polarização de Transistores
9.1 - Ponto de Operação (Quiescente)
Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e
tensão, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para
outras aplicações, o transistor deve estar polarizado corretamente.
Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua,
dentro de suas curvas características.
Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente)
pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou altiva da curva
característica de saída.
Os pontos QA, QB e QC da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas.
QA: Região ativa
QB: Região de saturação
9
QC: Região de corte
9.2 - Reta de carga
A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis
para uma determinada polarização.
Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos.
9.3 - Circuitos de Polarização EC
Nesta configuração, a junção base-emissor é polarizada diretamente e a junção
base-coletor reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e duas
resistências para limitar as correntes e fixar o ponto de operação.
Fig. 9 – Polarização do transistor
Análise da malha de entrada: RB.IB + VBE = VBB. Logo, IB é dado por:
IB =
VBB − VBE
e IC = β.IB
RB
10
VCE = VCC – IC.RC
Exemplo2 : análise da figura 6.
A corrente de base é:
IB =
12 − 0,7
= 11,3 x 10-4 A = 1,13 mA
10000
Supondo-se um ganho β = 100, tem-se:
IC = 100x1,13mA = 113 mA
Suficiente para acender a lâmpada.
Exemplo 3
Para a figura 9 considere RB = 200K, RC = 3K, β = 100 e VBE = 0,7V. VBB = 5V
e VCC = 10V.
Determine as correntes de base IB e de coletor IC e a tensão coletor-emissor
VCE.
Solução:
IB =
VBB − VBE
=
RB
5 − 0,7
= 0,0215 mA
200.000
IC = βxIB = 100x0,086 ma = 2,15mA
VCE = VCC – ICXRC = 10 – 2,15mAx3,0K = 3,55 V
VCE = VCC+ VBE =>
VCB = 3,55 – 0,7 = 2,85
Assim, a junção coletor (N) está num potencial maior que a base (P). Portanto,
a junção coletor-emissor está reversamente polarizada, o que caracteriza um
transistor na região ativa, ou seja, que está amplificando.
Mas, em última análise, basta ver que a tensão coletor-emissor é maior que
0,2V.
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Exemplo 4
Suponha agora a figura abaixo com tudo igual ao exemplo 3 acrescentando-se
RE = 2K
Fig. 10 – Polarização do transistor com resistência de emissor.
Pela figura,
VBB = IBxRB + VBE + IExRE = IBxRB + VBE + (IC + IB) xRE
= IBxRB + VBE + (βxIB + IB) xRE = IBxRB + VBE + IBx(β + 1) xRE
IB =
VBB − VBE
R B + (1 + β)R E
IB =
5 − 0,7
= 0,017 mA
200K + (1 + 100) x 2K
IC = β x IB = 100 x 0,017 = 1,7mA
Por outro lado,
VCC = IC x RC + VCE + RE x IE
Com IE ≈ IC (porque?), tem-se:
VCE = 10 – 1,7mAx3K - 1,7mAx2K = 4,65V
Bem maior que 0,2V. Bem maior, portanto que 0,2V, continuando o transistor
na região ativa.
Refaça os exercícios 3 e 4 trocando RB = 200K por RB = 50K. O que aconteceu
com VCE?
12
9.3.1 - Circuito de polarização com corrente de base constante
Para eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode-se utilizar somente a
fonte VCC.
Fig. 11- Circuito de polarização de transitor
Para garantir as tensões corretas para o funcionamento do transistor RB deve
ser maior que RC.
Equações:
IB =
VCC − VBE
RB
e
IC =
VCC − VCE
RC
Neste circuito, como VCC e RB são valores constantes, e VBE praticamente não
varia, a variação da corrente de base é desprezível. Por isso este circuito é
chamado de polarização EC com corrente de base constante.
Exemplo 5:
Dado um transistor com β =200 e uma fonte de 12V, determinar as
resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação
VCEQ=VCC/2, ICQ = 15mA e VBEQ=0,7V na figura 11.
Solução:
RC =
VCC − VCEQ
I CQ
=
12 − 6
= 400Ω
15mA
RB =
VCC − VBE
I BQ
RB =
12 − 0,7
= 151 KΩ
0,075mA
IBQ = ICQ/β = 15mA/200 = 0,075mA
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OBS.: Este circuito de polarização apresentado é bastante sensível a variações
de temperatura e do β do transistor. Por seu ponto de operação ser bastante
instável, o seu uso é restrito ao funcionamento como chave eletrônica.
9.3.2 - Influência da temperatura
Nos transistores a temperatura afeta basicamente os parâmetros β , VBE e a
corrente de fuga.
A variação de VBE é desprezível, porém a corrente de fuga e o ganho β podem
ter variações acentuadas, ocasionando variações na corrente de coletor, sem
que haja variações na corrente de base, deixando o circuito instável.
9.3.3 - Circuito de Polarização com corrente de Emissor constante.
Neste circuito de polarização é inserido uma resistência RE entre o emissor e a
fonte de alimentação.
Fig. 12- Circuito de polarização com resistência de emissor
A idéia é compensar possíveis variações de ganho devido a mudanças de
temperatura.
Se houver um aumento de ganho, haverá aumento de IC, com aumento de VRC
e de VRE e diminuição de VCE. Mas devido ao aumento de VRE a corrente de
base diminui, induzindo IC a uma estabilização.
Perceba que no circuito anterior esta variação de ganho levaria a um aumento
de IC e diminuição de VCE tirando o transistor de seu ponto de operação
original.
A resposta dada por RE para o aumento de IC, chama-se de realimentação
negativa e garante a estabilidade do ponto de operação.
Equações:
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RB =
VCC − VBE − I E R E
IB
RC =
VCC − VCE − I E R E
IC
Como temos três incógnitas (RB, RC e IB), e apenas duas equações, temos
que arbitrar um dos valores. Neste caso, adotamos VRE = IE.RE = VCC / 10, de
modo que o resto da tensão seja utilizada pela saída do circuito (IC x RC).
Exemplo 6
Dado um transistor com β =250 e uma fonte de 20V, determinar as resistências
de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação VCEQ=VCC/2, ICQ
= 100mA e VBEQ=0,7V
Resposta:
Primeiro se determina RC:
RC =
VCC − VCEQ − I E R E
I CQ
=
20 − 10 − 2
= 80 Ω
100mA
IBq = 100mA/250 = 0,4mA
RB =
RE =
VCC − VBE − I E R E
=
I BQ
VEQ
IC
=
20 − 0,7 − 2
= 47KΩ
0,4mA
2V
= 20 Ω
0,1A
Exemplo 7
Para o circuito da figura abaixo, considere β = 100. Calcule a IC.
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Solução:
Ver exemplo 4
9.3.4 - Circuito de Polarização com Divisor de Tensão
Uma outra forma de solucionar o problema da instabilidade com a temperatura
é o circuito de polarização mostrado na figura abaixo.
9.3.5 - Determinação do Ponto de Operação a Partir dos Valores das
Resistências.
Até agora realizamos a síntese de circuitos, isto é, calculamos os valores das
resistências para os valores especificados de tensão e corrente.
Podemos, também, a partir das resistências determinarmos o ponto de
operação analiticamente ou graficamente. Isto é a análise do circuito.
Caso o circuito utiliza divisor de tensão podemos utilizar o teorema de Thévenin
para reduzir para a forma abaixo.
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Onde:
IC = IBxβ =
(VTH − VBE ) xβ
VTH − VBE
≈
R TH + (1 + β)R E
R E + R TH / β
IC ≈ IE ≈
VTH − VBE
se RE>>RTH/β
RE
Graficamente temos que ter acesso a curva característica de saída do
transistor. Traçando a reta de carga sobre a curva encontramos o ponto de
operação.
Exemplo 8
Determinar IC e VCE para o circuito abaixo. VBE = 0,7V
VTH = 3,85V; RTH = RB1//RB2 = 0,87K = 870Ω. Supondo-se um β ≥ 100,
tem-se:
IC ≈ IE =
3,85V − 0,7V
= 4,2mA
750
VC = VCC – ICxRC = 30 – (4,2mA)x(3K) = 17,4 V
VE = IE x RE = (4,2mA)xRE = 3,15V; VCE = VC – VE = 17,4 – 3,15 = 14,3V
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Problema:
Um circuito integrado fornece na saída no máximo 5mA. Para acender um LED
de alto brilho precisa-se de pelo menos 20mA. Para isso, usa-se um transistor
para amplificar a corrente. Quando o nível de tensão de saída do CI for 0V, o
transistor não conduz. Logo, a corrente no LED é zero e o LED não acende.
Quando a voltagem é 5V, a corrente no LED (coletor) deve ser 20mA, com o
transistor saturado (VCE = 0,2V). A tensão de condução do LED é 2,2V
Quais os valores mínimos que RC e RB deverão ter? Considere β = 100.
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