Transistor. Este dispositivo de controle de corrente recebeu o nome de transistor.

Transcrição

1 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) 1

2 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) 2

3 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) 3

4 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) 4

5 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) 5

6 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) 6

7 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 (V BE ); Tensão coletor-emissor (V CE ); Corrente de emissor (I E ); Corrente de coletor (I C ); Ganho (β). (Eletrônica Analógica) 7

8 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 I E = I C ; a corrente de base é a corrente de coletor dividida pelo ganho do transistor. V BE = 0,7V I C = β I B 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) 8

9 Transistores Bipolares Na Figura são apresentadas, em destaque, as três regiões de operação dos transistores bipolares de junção. (Eletrônica Analógica) 9

10 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 = (Eletrônica Analógica) 10

11 Transistores Bipolares Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa XL =ω L = 2π F L = 2π 0 L = 0 Ω ; XC = (Eletrônica Analógica) 11

12 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) 12

13 Transistores Bipolares Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa Do mesmo modo, analisando a malha coletor-emissor, tem-se: (Eletrônica Analógica) 13

14 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) 14

15 Exercício Seja o circuito da Figura do exemplo acima e que a tensão de alimentação seja de 5 V, determine: (Eletrônica Analógica) 15

16 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) 16

17 Operação na região de saturação Lembre que, em oposição à operação na saturação onde não temos operação sendo a tensão V CE igual a zero, tem-se a operação na região de corte, onde pode-se considerar: Utilizando estes limites de operação (I Csat e V CE = V CC ) tem-se a reta de carga do circuito, como está mostrado abaixo: (Eletrônica Analógica) 17

18 Exemplo Resolvido Considerando o circuito da Figura abaixo, determinar a corrente de coletor, caso o transistor esteja saturado, por: (Eletrônica Analógica) 18

19 Exercício Para o circuito da Figura abaixo, operando na região de saturação, determine a corrente de coletor. (Eletrônica Analógica) 19

20 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) 20

21 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 (R B ). Já na polarização estável de emissor, o denominador para determinar a corrente de base é: (Eletrônica Analógica) 21

22 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 (I B, I C, V CE ) considerando um aumento de 90% no ganho dos transistores. (Eletrônica Analógica) 22

23 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) 23

24 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) 24

25 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). (Eletrônica Analógica) 25

26 Exercício Determine a corrente de base, corrente de coletor e tensão coletor-emissor para o circuito Abaixo: (Eletrônica Analógica) 26

27 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. (Eletrônica Analógica) 27

28 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) 28