As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas, tais como:

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1 TANSSTO BPOLA 1 - A evolução 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. m 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 TANSSTO. 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: 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. le 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

2 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 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 C passa a ser controlada pela corrente de base B. Fig. 1 Polarização de um transistor 2

3 Um aumento na corrente de base B provoca um aumento na corrente de coletor C e vice-versa. A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação de B provoca uma grande variação de C, sto 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. ste 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 = C B (1) Tensões e Correntes nos Transistores NPN e PNP Fig.2 Transistores NPN e PNP Aplicando as leis de Kirchoff obtemos: = C + B NPN: V C = V B + V CB (2.1) PNP: V C = V B + V BC (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

4 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 Geral Correntes C entre 20 e 500mA Tensão máxima entre 10 e 80 V Frequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz Correntes elevadas Potência Baixas frequências Correntes C inferior a 15 A Frequência de transição entre 100 khz e 40 MHz Uso de radiadores de calor Pequenos sinais F Frequência elevada Correntes C inferior a 200mA Tensão máxima entre 10 e 30V; Frequência de transição em 1,5 GHz 4

5 5 - Configurações Básicas Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), missor comum (C), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito Configuração BC Ganho de tensão elevado Ganho de corrente menor que 1 Ganho de potência intermediário mpedância de entrada baixa mpedância de saída alta Não ocorre inversão de fase Configuração CC Ganho de tensão menor que 1 Ganho de corrente elevado; Ganho de potência intermediário mpedância de entrada alta mpedância de saída baixa Não ocorre a inversão de fase. 5.3 Configuração C Ganho de tensão elevado Ganho de corrente elevado Ganho de potência elevado mpedância de entrada baixa mpedância de saída alta Ocorre a inversão de fase. Fig. 3 Configurações de transistor sta 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

6 Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta curva, para cada valor constante de V C, variando-se a tensão de entrada V B, obtém-se uma corrente de entrada B, 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 B, variando-se a tensão de saída V C, obtém-se uma corrente de saída C, cujo gráfico tem o seguinte aspeto. Fig. 5 Configuração de saída. Através desta curva, podemos definir três estados do transistor, o COT, a SATUAÇÃO e a DATVA COT: C = 0 SATUAÇÃO: VC = 0 ATVA: egião entre o corte e a saturação. Para a configuração C a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada determina o ganho de corrente denominado de β ou h F (razão de transferência direta de corrente) 6

7 β = C B O ganho de corrente b não é constante, valores típicos são de 50 a 900. xemplo 1 Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor NPN, determine: a) A corrente na base para V B =0,8 b) O ganho de corrente β c) Um novo ganho de corrente β, caso a corrente B 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 - V CMAX 7

8 Corrente máxima de coletor - CMAX Potência máxima de coletor - P CMAX Tensão de ruptura das junções Na configuração C, P CMAX = V CMAX. CMAX xemplos de parâmetros de transistores comuns. Tipo Polaridade V CMAX CMAX β (V) (ma) BC 548 NPN a 900 2N2222 NPN a 300 TP31A NPN a 50 2N3055 NPN a 50 BC559 PNP a 900 BFX29 PNP a Transistor como chave A utilização do transistor nos seus estados de SATUAÇÃO e COT, 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

9 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. 8 - xercício Fig. 8 Chave transistorizada com transistor PNP 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. xplique por que o ganho de corrente na configuração BC é menor que xplique por que o ganho de corrente na configuração C é muito maior que xplique por que o ganho de tensão na configuração CC é menor que Quais os três estados do transistor quais são as suas características. 9 - Polarização de Transistores 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 Q A, Q B e Q C da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas. Q A : egião ativa Q B : egião de saturação 9

10 Q C : egião de corte eta 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 Circuitos de Polarização C 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: B. B + V B = V BB. Logo, B é dado por: B = VBB B B e C = β. B 10

11 V C = V CC C. C xemplo2 : análise da figura 6. A corrente de base é: 12 0, 7 B = = 11,3 x 10-4 A = 1,13 ma Supondo-se um ganho β = 100, tem-se: C = 100x1,13mA = 113 ma Suficiente para acender a lâmpada. xemplo 3 Para a figura 9 considere B = 200K, C = 3K, β = 100 e V B = 0,7V. V BB = 5V e V CC = 10V. Determine as correntes de base B e de coletor C e a tensão coletor-emissor V C. Solução: B = VBB B B = 5 0, = 0,0215 ma C = βx B = 100x0,086 ma = 2,15mA V C = V CC C X C = 10 2,15mAx3,0K = 3,55 V V C = V CC + V B => V CB = 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. 11

12 xemplo 4 Suponha agora a figura abaixo com tudo igual ao exemplo 3 acrescentando-se = 2K Pela figura, Fig. 10 Polarização do transistor com resistência de emissor. V BB = B x B + V B + x = B x B + V B + ( C + B ) x = B x B + V B + (βx B + B ) x = B x B + V B + B x(β + 1) x B = VBB B + (1 + β) B B = 5 0,7 200K + ( )x2K = 0,017 ma C = β x B = 100 x 0,017 = 1,7mA Por outro lado, V CC = C x C + V C + x Com C (porque?), tem-se: V C = 10 1,7mAx3K - 1,7mAx2K = 4,65V Bem maior que 0,2V. Bem maior, portanto que 0,2V, continuando o transistor na região ativa. efaça os exercícios 3 e 4 trocando B = 200K por B = 50K. O que aconteceu com V C? 12

13 Circuito de polarização com corrente de base constante Para eliminar a fonte de alimentação da base V BB, pode-se utilizar somente a fonte V CC. Fig. 11- Circuito de polarização de transitor Para garantir as tensões corretas para o funcionamento do transistor B deve ser maior que C. quações: B = VCC B B e C = VCC C C Neste circuito, como V CC e B são valores constantes, e V B praticamente não varia, a variação da corrente de base é desprezível. Por isso este circuito é chamado de polarização C com corrente de base constante. xemplo 5: Dado um transistor com β =200 e uma fonte de 12V, determinar as resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação V CQ =V CC /2, CQ = 15mA e V BQ =0,7V na figura 11. Solução: C = V CC CQ CQ = mA = 400Ω B = V CC BQ B BQ = CQ /β = 15mA/200 = 0,075mA B = 12 0,7 0,075mA = 151 KΩ 13

14 OBS.: ste 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 nfluência da temperatura Nos transistores a temperatura afeta basicamente os parâmetros β, V B e a corrente de fuga. A variação de V B 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 Circuito de Polarização com corrente de missor constante. Neste circuito de polarização é inserido uma resistência 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 C, com aumento de V C e de V e diminuição de V C. Mas devido ao aumento de V a corrente de base diminui, induzindo C a uma estabilização. Perceba que no circuito anterior esta variação de ganho levaria a um aumento de C e diminuição de V C tirando o transistor de seu ponto de operação original. A resposta dada por para o aumento de C, chama-se de realimentação negativa e garante a estabilidade do ponto de operação. quações: 14

15 B = V CC B B C = V CC C C Como temos três incógnitas ( B, C e B ), e apenas duas equações, temos que arbitrar um dos valores. Neste caso, adotamos V =. = V CC / 10, de modo que o resto da tensão seja utilizada pela saída do circuito ( C x C ). xemplo 6 Dado um transistor com β =250 e uma fonte de 20V, determinar as resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação V CQ =V CC /2, CQ = 100mA e V BQ =0,7V esposta: Primeiro se determina C : C = V CC CQ CQ = mA = 80 Ω Bq = 100mA/250 = 0,4mA B = V CC B BQ = 20 0,7 2 0,4mA = 47KΩ = xemplo 7 V Q C 2V = = 20Ω 0,1A Para o circuito da figura abaixo, considere β = 100. Calcule a C. 15

16 Solução: Ver exemplo 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 Determinação do Ponto de Operação a Partir dos Valores das esistências. 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. sto é a análise do circuito. Caso o circuito utiliza divisor de tensão podemos utilizar o teorema de Thévenin para reduzir para a forma abaixo. 16

17 Onde: C = B xβ = (V TH TH B )xβ + (1 + β) V + TH TH B / β C VTH B se >> TH /β 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. xemplo 8 Determinar C e V C para o circuito abaixo. V B = 0,7V V TH = 3,85V; TH = B1 // B2 = 0,87K = 870Ω. Supondo-se um β 100, tem-se: C = 3,85V 0,7V 750 = 4,2mA V C = V CC C x C = 30 (4,2mA)x(3K) = 17,4 V V = x = (4,2mA)x = 3,15V; V C = V C V = 17,4 3,15 = 14,3V 17

18 Problema: Um circuito integrado fornece na saída no máximo 5mA. Para acender um LD 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 C for 0V, o transistor não conduz. Logo, a corrente no LD é zero e o LD não acende. Quando a voltagem é 5V, a corrente no LD (coletor) deve ser 20mA, com o transistor saturado (V C = 0,2V). A tensão de condução do LD é 2,2V Quais os valores mínimos que C e B deverão ter? Considere β =