Capítulo 3 Transistor Bipolar de Junção - TBJ. Prof. Eng. Leandro Aureliano da Silva

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1 Capítulo 3 Transistor Bipolar de Junção - TBJ Prof. Eng. Leandro Aureliano da Silva

2 Agenda Introdução Operação do Transistor Modos de Operação do Transistor Convenções Utilizadas para Tensões e Correntes no TBJ Configurações Básicas Eletrônica Para Automação Industrial 2

3 Introdução O princípio do transistor (TBJ) é controlar uma corrente de saída a partir de outra na entrada. 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. Os três terminais de um transistor bipolar recebem o nome de emissor, base e coletor. Eletrônica Para Automação Industrial 3

4 Introdução Eletrônica Para Automação Industrial 4

5 Introdução Cada uma das camadas, recebe um nome em relação a sua função na operação do transistor: Base (B): dopagem média e muito fina. Assim, a maioria dos portadores lançados do emissor para a base, consegue atravessála dirigindo-se ao coletor; Coletor (C): levemente dopado, coleta (recolhe) os portadores que vêm da base. Ele é muito maior que as outras camadas, pois é nele que se dissipa a maior parte da potência gerada pelos circuitos transistorizados; Emissor (E): fortemente dopado, tem por função emitir portadores de carga para a base (elétrons no transistor NPN e lacunas no PNP). Eletrônica Para Automação Industrial 5

6 Operação do Transistor Da mesma forma que na junção PN dos diodos, nas duas junções J BE e J BC dos transistores surgem, devido à recombinação dos portadores, barreiras de potenciais, cujos valores a 25 o C, são: V T = 0,7V para semicondutores de silício e V T = 0,3V para semicondutores de germânio. Eletrônica Para Automação Industrial 6

7 Modos de Operação do Transistor O comportamento básico dos transistores nos circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor, através da base. Isto é conseguido, polarizando-se adequadamente suas junções. Existem 3 situações: Eletrônica Para Automação Industrial 7

8 Modos de Operação do Transistor 1 - Situação de Polarização: Os diodos equivalentes das junções base emissor (BE) e base coletor (BC) são diretamente polarizados. Como os dois diodos BE e BC estão diretamente polarizados, então conduzirão muito bem. Conseqüentemente haverá grande quantidade de portadores, devendo as correntes ser limitadas por resistência em série. Considerando os diodos equivalentes como ideais, o circuito equivalente para essa situação é apresentado a seguir. A essa situação de polarização chamamos saturação e dizemos que o transistor está saturado quando a polarização entre base e emissor e entre base e coletor é direta. Eletrônica Para Automação Industrial 8

9 Modos de Operação do Transistor 2 - Situação de Polarização: Os diodos equivalentes das junções base emissor (BE) e base coletor (BC) são reversamente polarizados. Em polarização reversa, os diodos equivalentes não conduzem. A situação de polarização é equivalente aos diodos cortados A essa situação de polarização chamamos corte e dizemos que o transistor está cortado quando a polarização entre base e emissor e entre base e coletor é reversa. Eletrônica Para Automação Industrial 9

10 Modos de Operação do Transistor 3 - Situação de Polarização: Os diodos equivalentes das junções base emissor (BE) é diretamente polarizada e base coletor (BC), reversamente polarizada. Eletrônica Para Automação Industrial 10

11 Modos de Operação do Transistor Uma vez que a polarização do diodo BE é direta então, conduzirá muito bem. Como a base é uma região estreita, as cargas emitidas no emissor, terão condições de chegar próximo à junção BC reversamente polarizada, sendo atraídas pela barreira de potencial formado junto à junção, sendo coletadas no coletor, onde há a dissipação de energia por efeito Joule. Essa situação de operação é conhecida como operação ativa do transistor bipolar de junção, pois o transistor funciona como uma fonte de corrente na malha de coletor. O efeito de transferência da corrente entre as duas malhas, base emissor e base coletor é chamado efeito transistor. Eletrônica Para Automação Industrial 11

12 Convenções Utilizadas para Tensões e Correntes no TBJ O sentido e a nomenclatura utilizada para indicação de tensões e correntes convencionais no transistor operando na região linear, são mostradas a seguir: Eletrônica Para Automação Industrial 12

13 Configurações Básicas Os transistores podem ser utilizados em três configurações Básicas: Base Comum (BC), Emissor Comum (EC) e Coletor Comum (CC), onde o termo comum significa que o terminal é comum à entrada e à saída do circuito Eletrônica Para Automação Industrial 13

14 Principais Características das Configurações Para facilitar o cálculo da polarização dos transistores, os fabricantes podem fornecer duas funções na forma gráfica,uma relacionada com a característica de entrada e outra a característica de saída de cada configuração. Característica de Entrada: relação entre a corrente e a tensão de entrada, para vários valores constantes da tensão de saída. Característica de Saída: relação entre a corrente e a tensão de saída, para vários valores constantes da corrente de entrada. Estas características, em forma de curva, permitem o cálculo dos resistores de polarização. Eletrônica Para Automação Industrial 14

15 Configuração Base-Comum (BC) Nesta configuração, o emissor é o terminal de entrada de corrente e o coletor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de base é comum às tensões de entrada e saída. Eletrônica Para Automação Industrial 15

16 Curva Característica de Entrada da Configuração Base-Comum Para cada valor de tensão de saída V CB, variando-se a tensão de entrada V BE, obtém-se uma corrente de I E, resultando num gráfico com o seguinte aspecto: Eletrônica Para Automação Industrial 16

17 Curva Característica de Entrada da Configuração Base-Comum Observa-se que a característica de entrada, é semelhante à curva característica do diodo, pois a junção BE funciona como um diodo polarizado diretamente. Assim, nesta região da curva, pequenas variações de V BE causam grandes variações de I E Eletrônica Para Automação Industrial 17

18 Curva Característica de Saída da Configuração Base-Comum Para cada valor constante de corrente de entrada I E, variando-se a tensão de saída V CB, obtém-se uma corrente de saída I C, cujo o gráfico tem o seguinte aspecto: Eletrônica Para Automação Industrial 18

19 Curva Característica de Saída da Configuração Base-Comum Eletrônica Para Automação Industrial 19

20 Curva Característica de Saída da Configuração Base-Comum A característica de saída, ou de coletor, pode ser dividida em três regiões distintas, pois em cada uma delas o transistor tem um comportamento específico. Na região de corte, as duas junções BE e BC estão polarizadas reversamente, fazendo com que a corrente de coletor seja praticamente nula. Portanto o transistor está cortado. Na região de saturação, as duas junções BE e BC estão polarizadas diretamente, fazendo com que uma pequena variação da tensão V CB resulte em uma enorme variação de I C. Neste caso o transistor está saturado. Eletrônica Para Automação Industrial 20

21 Curva Característica de Saída da Configuração Base-Comum Na região ativa, a junção BE está polarizada diretamente e a junção BC reversamente. Esta é a região central do gráfico de saída, onde as curvas são lineares. Portanto, é esta a região utilizada na maioria das aplicações, principalmente na amplificação de sinais. Eletrônica Para Automação Industrial 21

22 Ganho de Corrente na Configuração Base-Comum O ganho de corrente na configuração Base Comum, é a relação entre a variação da corrente de saída e a variação de corrente de entrada, para a tensão de saída constante. Na configuração Base Comum, o ganho decorrente é chamado de α (alfa), sendo definido matematicamente por: Lembrando que I E = I C + I B, conclui-se que o ganho de corrente é sempre menor que 1. Na maioria dos transistores, esse valor está ente 0,90 a 0,998, ou seja, é próximo de 1. Eletrônica Para Automação Industrial 22

23 Configuração Emissor-Comum (EC) Nesta configuração, a base é o terminal de entrada de corrente e o coletor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de emissor é comum às tensões de entrada e saída. Eletrônica Para Automação Industrial 23

24 Curva Característica de Entrada da Configuração Emissor-Comum Para cada valor de tensão de saída V CE, variando-se a tensão de entrada V BE, obtém-se uma corrente de I B, resultando num gráfico com o seguinte aspecto: Eletrônica Para Automação Industrial 24

25 Curva Característica de Saída da Configuração Emissor-Comum Para cada valor constante de corrente de entrada I B, variando-se a tensão de saída V CE, obtém-se uma corrente de saída I C, cujo o gráfico tem o seguinte aspecto: Eletrônica Para Automação Industrial 25

26 Curva Característica de Saída da Configuração Emissor-Comum Eletrônica Para Automação Industrial 26

27 Curva Característica de Saída da Configuração Emissor-Comum A característica de saída, ou de coletor, é também muito parecida com a da configuração Base-Comum. Mas, observa-se que a inclinação, na região ativa é muito maior. Nesta curva distingue também 3 regiões de trabalho do transistor: Corte IC = 0 Saturação VCE = 0 Ativa IB é linear Eletrônica Para Automação Industrial 27

28 Ganho de Corrente na Configuração Emissor-Comum A relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada, ou seja, a relação entre I C e I B, determina o ganho de corrente denominado β (Beta) ou h FE (forward current transfer ratio), como segue: Sendo IC muito maior que IB, o ganho de corrente β é sempre maior que 1, ou seja, na configuração Emissor-Comum, o transistor funciona como um amplificador de corrente. Eletrônica Para Automação Industrial 28

29 Ganho de Corrente EC x Ganho de Corrente BC Eletrônica Para Automação Industrial 29

30 Configuração Coletor Comum (CC) Nesta configuração, a base é o terminal de entrada de corrente e o emissor é o terminal de saída de corrente do circuito, sendo que o terminal de coletor é comum às tensões de entrada e saída. Eletrônica Para Automação Industrial 30

31 Configuração Coletor Comum (CC) Para a configuração Emissor Comum não é necessário curvas específicas de entrada e saída. Pode-se utilizar as mesmas características da configuração EC. Isto se justifica pelo fato de sua característica de entrada relacionar I B, V BE e V CE, e a sua característica de saída relacionar I E, V CE e I B, como na configuração EC, sendo I E praticamente igual a I C. Eletrônica Para Automação Industrial 31

32 Limites de Operação do Transistor tensão máxima de coletor: V CEmax ; corrente máxima de coletor: I Cmax ; potência máxima de coletor: P Cmax ; para EC: P Cmax = V CEmax x I Cmax ; Tensão de ruptura da junções: BV CBO = tensão de ruptura entre C e B, com E aberto; BV CEO = tensão de ruptura entre C e E, com B aberto; BV CES = tensão de ruptura entre C e E, com B em curto. Eletrônica Para Automação Industrial 32