Curso Técnico de Eletrônica Eletrônica Linear II NA1 Transistores Bipolares Aluno: Revisão de conteúdo Data: 20/03/2010

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1 Curso Técnico de Eletrônica Eletrônica Linear II NA1 Transistores Bipolares Aluno: Revisão de conteúdo Data: 20/03/2010 TRANSISTORES BIPOLARES O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de: duas camadas de material tipo "n" e uma de tipo "p" ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n". O primeiro é chamado de transistor npn enquanto que o segundo é chamado de transistor pnp. Através de uma polarização de tensão adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações como: chaves comutadoras eletrônicas, amplificadores de tensão e de potência, osciladores, etc. O termo bipolar refere-se ao fato dos portadores lacunas e elétrons participarem do processo do fluxo de corrente. Se for utilizado apenas um portador, elétron ou lacuna, o transistor é denominado unipolar (FET). 1. O Transistor sem polarização A polarização é realizada pela adição de fontes de alimentação ligada aos transistores. Enquanto o diodo que estudamos é uma junção PN, o transistor tem três regiões de dopagem (NPN ou PNP). Devido ao fato de a análise ser similar, vamos concentrar-nos nos de tipo NPN: Estrutura de um Transistor À região N de baixo dá-se o nome de emissor e é fortemente dopada com impurezas doadoras de elétrons (5 elétrons na última camada do átomo). A região central tem o nome de base e é pouco dopada com impurezas do tipo aceitadoras (átomos com 3 elétrons na última camada). Finalmente, a região superior tem o nome de coletor e uma dopagem intermediaria. Para facilidade de análise, trata-se, por vezes, a junção NP do emissor-base como diodo emissor-base, ou só diodo emissor; e a junção PN base-coletor como diodo coletor-base ou só diodo coletor, embora o funcionamento conjunto destas duas junções seja completamente diferente do seu funcionamento separado. Quando se juntam estas regiões, alguns elétrons livres (N) atravessam a junção e recombinam-se com as lacunas do outro lado (P), ficando-se como mostrado na figura abaixo. As regiões de depleção são regiões onde não há elétrons livres porque recombinaram-se com as lacunas: 2. O Transistor Polarizado Nesta análise o transistor está alimentado. Regiões de Depleção O emissor está fortemente dopado e tem como função emitir ou injetar elétrons livres na base. A base como está pouco dopada tem a função de deixar passar a maior parte dos elétrons emitidos pelo emissor para o coletor. A polarização apresentada na figura é a mais comum: o diodo de emissor fica polarizado diretamente e o de coletor inversamente. 1

2 O Transistor Polarizado Como foi dito, a maioria dos elétrons emitidos pelo emissor devido à fonte VBB que polariza a junção emissor-base diretamente, passam para o coletor e daí são atraídos para o terminal + da fonte Vcc. 3. Correntes num Transistor - Símbolo: As três corrente nos transistores npn e pnp (sentido convencional) Usando o sentido convencional para as correntes, pela lei dos nós, temos: IE = IC + IB mas como quase todos os elétrons vão do emissor para o coletor: IE ~ IC e IB << IC Parâmetros cc do Transistor Alfa: Define-se a relação: IC alfa cc =, que, diz o quanto IE é próximo de IC é muito próxima de 1. IE Beta: Define-se como: IC ß cc = IB Ao parâmetro ß costuma chamar-se ganho de corrente porque uma corrente muito pequena de base produz uma corrente muito maior de coletor. Tem, geralmente, valores entre 100 e 300 para os transistores mais comuns (até 1 W). TRANSISTORES BIPOLARES (Parte II) 4. A Ligação em EC Há 3 formas úteis de ligar um transistor:. Emissor Comum (EC). Coletor Comum (cc). Base Comum (BC) A primeira é a mais utilizada. Vamos estudá-la 2

3 O nome da montagem vem do fato de o terra de cada fonte de alimentação estar ligada ao emissor, como se pode ver pela figura acima. Funcionamento Na malha esquerda, chamada de malha de base, a fonte VBB polariza diretamente o diodo emissor, sendo RB uma resistência limitadora de corrente. Variando o valor de VBB e/ou RB conseguimos controlar a corrente de base que, por sua vez, como veremos adiante, controla a corrente de coletor. Isto é, uma pequena corrente (de base) controla uma grande corrente (de coletor). Na malha direita, ou malha de coletor, a fonte Vcc polariza inversamente o diodo coletor através de RC. Essa polarização deve ser inversa, isto é, o coletor deve ser positivo, para poder recolher a maioria dos elétrons livres injetados na base pelo emissor. Notação Índices dobrados indicam fontes de tensão. Ex: VBB, Vcc, VEE, Por outro lado, índices não dobrados têm o significado que podemos deduzir dos seguintes exemplos: VCE = VC VE (tensão entre coletor e emissor) VCB = VC VB VBE = VB VE 5. Curva Característica de Entrada É um gráfico que explica o funcionamento da montagem EC, do lado da malha de entrada. Assim, dá-nos a curva de IB em função de VBE. Mas isso não será como um diodo? Na realidade, como podemos ver pela figura, assim é: Matematicamente, aplicando a lei das malhas à malha de entrada, temos: Exemplo 1. Observe o circuito que se segue. VBB VBE IB = - RB Calcule a corrente de base na figura dada. Qual é a tensão na resistência de base? E a corrente de coletor, se ßcc=200? Solução: A tensão da fonte da base, de 2 V, polariza diretamente o diodo emissor através de uma resistência limitadora de corrente de 100 kohm. Como o diodo emissor tem uma queda de tensão de 0,7 V, a tensão na resistência de base é: VB = VBB VBE = 2V 0,7V = 1,3 V A corrente através da resistência de base será então: 3

4 VBB VBE 1,3V IB = = - = 13 µa RB 100kohm Com um ganho de corrente de 200, a corrente de coletor será: IC = ßcc. IB = 200 x 13 = 2,6 ma 6. Curva Característica de Saída Temos de fazer agora o estudo da malha de coletor (lado direito). Aqui a coisa é mais complicada pois a malha de saída depende da entrada. Assim, para cada polarização que fizermos na entrada, vamos ter uma curva na saída. Ou seja, para cada Ib, teremos uma curva para Ic x Vce Normalmente, esta característica de saída que estamos estudando, não é uma curva, mas sim uma família de curvas, cada uma respeitando a uma determinada polarização da entrada. Como não podemos representar todas as situações, algumas curvas não estarão desenhadas e teremos que fazer interpolações/aproximações para encontrar um valor entre duas curvas. Vejamos pois um exemplo. Suponha-se que variamos VBB para que IB desse 10µA. Então poderíamos depois ir variando Vcc e ir medindo os valores de IC e VCE correspondentes, obtendo-se a curva representada: Quando VCE é zero, o diodo coletor ainda não está polarizado inversamente, pelo que a corrente de coletor é zero, como já dissemos atrás. Quando VCE cresce, IC cresce logo rapidamente também, até 1mA, o que corresponde à situação normal de o diodo coletor estar polarizado inversamente e recolher todos os elétrons injetados pelo emissor na base. O número de elétrons livres injetados depende só da corrente de base, razão pela qual, mesmo aumentado VCE a corrente de coletor se mantém. A uma tensão elevada, no nosso caso cerca de 40V, dá-se a ruptura e o transistor deixa de trabalhar como deve, queimando-se, o que devemos evitar quando polarizamos o transistor. Tensão e Potência de Coletor Define-se VCE = Vcc IC x RC aplicando a lei das malhas. Quanto à potência do transistor, ela é quase toda dissipada na malha de saída pelo que se costuma calcular a potência dissipada como: PD = VCE. IC Regiões de funcionamento Como vimos no ponto anterior, o transistor pode trabalhar em três regiões: Região Ativa é a região central, em que VCE pode estar entre 1 e 40V. É a região mais importante e que representa o funcionamento normal do transistor. Região de Ruptura é a região da direita e o transistor nunca deve trabalhar nela pois corre o risco de destruição do componente. Região de Saturação é a região da esquerda em que VCE está entre zero e poucos décimos de volt. Nesta região o diodo de coletor tem uma tensão insuficiente para recolher todos os elétrons livres injetados pelo emissor na base. Região de corte veja mais à frente no texto. Mais Curvas Como dissemos atrás a característica de saída é normalmente representada por uma família de curvas, cada uma correspondente a uma determinada corrente de base. É o que podemos ver na figura seguinte como exemplo: 4

5 Região de Corte é a região correspondente à curva inferior do gráfico anterior. Nela a corrente de base é zero, havendo apenas uma pequena corrente (inversa) de coletor, da ordem dos na. Os transistores funcionam na região ativa se nos queremos que atuem como amplificadores. No caso de circuitos digitais funcionarão na região de corte e saturação (0 e 1 lógicos). Curva de potência máxima Indica a região acima da qual o transistor não pode operar pois, sua potência de operação ultrapassa a potência máxima permitida para o componente, dada pelo fabricante. Exemplos: 1. O transistor da figura seguinte tem um ß cc = 300. Calcule IB, IC, VCE e PD. Solução: VBB VBE 10 0,7 IB = = = 9,3 µa RB IC = ßcc x IB = ,3 µa = 2,79 ma VCE = Vcc IC x RC = 10 V (2, x 2.103) = 4,42 V PD = VCE x IC = 4,42 x 2, = 12,3 mw 2. A figura seguinte mostra um circuito de transistor desenhado no EWB. Calcule o ganho de corrente do 2N4424 5

6 Solução: Primeiro calculamos a corrente de base 10 0,7 IB = = 28, A = 28,2 µa Depois temos de calcular IC. Como o voltímetro indica uma tensão de coletor-emissor de 5,45 V, podemos tirar a tensão na resistência de coletor: V = 10 5,45 = 4,55 V Como a corrente de coletor é igual à que atravessa essa resistência, basta aplicar a lei de ohm: 4,55 IC = = 9,68 ma 470 Finalmente calculamos o ganho de corrente: 9, ßcc = = , Problemas: 1. Considere o circuito da figura: a) Qual o valor da corrente de base? b) Se o ganho de corrente diminuir de 200 para 100 na figura anterior, quanto valerá então a corrente de base? c) Se a resistência de 330 kohm tiver uma tolerância de 5%, qual é o valor máximo da corrente de base? 2. Um circuito de um transistor, semelhante ao do problema anterior, tem uma fonte de polarização de coletor de 20 V, uma resistência de coletor de 1,5 kohm e uma corrente de coletor de 5 ma. Calcule o valor da tensão de coletor-emissor. 3. Se num transistor a corrente de coletor é de 100 ma e a tensão coletor-emissor é 3,5 V, que potência dissipa esse transistor nessa situação? 7. A Reta de Carga (EC) Polarização de Base O circuito da figura abaixo é um exemplo de polarização de base, isto é, estabelecer um valor constante para a corrente de base.isto mesmo que mudemos o transistor e a temperatura se altere. Por exemplo, se RB for de 1MΩ IB será de 14,3 µa. Se βcc = 100, a corrente de coletor será 1,43 ma e VCE= Vcc IC.RC = 15 V (1,43 ma). (3 kω) = 10,7 V Portanto, o chamado ponto quiescente (Q) (quieto) ou de funcionamento em repouso (PFR) será: IC = 1,43 ma e VCE = 10,7 V Solução gráfica O ponto quiescente também poderá ser obtido de forma gráfica, se tivermos a característica de saída do transistor, usando a chamada reta de carga, como se mostra na figura seguinte. 6

7 VCE = Vcc RC.IC logo, Vcc VCE IC = - (*) RC A reta de carga é obtida representando esta equação sobre a característica de saída do transistor. Chama-se reta de carga porque representa o efeito da carga (RC) em IC e VCE. A maneira mais fácil de a traçar é usar os dois pontos extremos: fazendo VCE=0 > tiramos IC = 5mA fazendo IC=0 > tiramos VCE = 15V da equação anterior (*) e, esses dois pontos serão suficientes para definir a reta. A utilidade da reta de carga A reta de carga é útil porque contém todos os pontos de trabalho possíveis para o circuito: variando IB de 0 a infinito, o transistor percorrerá todos os pontos da reta de carga. Ponto de Saturação Quando a RB é demasiado pequena, há excesso de corrente no coletor e a VCE tende para zero. Neste caso dizemos que o transistor satura, o que significa que a corrente de coletor atingiu o seu máximo valor possível. O ponto de saturação é o ponto em que a reta de carga corta a região de saturação das curvas de saída, isto é, no seu extremo superior. Iremos tomar esse valor como aproximação, isto é, no nosso caso, IC=5 ma e VCE = 0, isto é, como que haverá um curto-circuito (imaginário) entre o coletor e o emissor, pelo que ficamos com: Ic sat =Vcc / RC Ponto de Corte O ponto de corte é o ponto é o ponto em que a reta de carga corta a região de corte das curvas de saída, no extremo inferior (IC muito pequena) Este ponto indica a tensão máxima que VCE consegue atingir. Por aproximação vamos fazer IC=0 > VCEcorte = Vcc Neste caso entre o coletor e o emissor existe um circuito aberto imaginário. Exemplo 1: Quais são as correntes de saturação e a tensão de corte na figura: Solução Imagine-se um curto-circuito entre o coletor e o emissor. Então: Vcsat = 30 V / 3 kω = 10mA Imagine-se agora os terminais coletor-emissor em aberto. Então: VCEcorte=30V 7

8 Exemplo 2: Calcule os valores de saturação e corte para a figura seguinte. Desenhe as retas de carga para este exemplo e o anterior Solução Com um curto-circuito imaginário entre o coletor e o emissor: ICsat = 9V/3kΩ = 3mA Agora, com um circuito aberto imaginário entre o coletor e o emissor: VCEcorte = 9V Podemos então desenhar as duas retas de carga. Exercício 1: Quais são a corrente de saturação e a tensão de corte na figura seguinte: Exercício 2: Calcule os valores de saturação e corte para a figura seguinte. Depois desenhe as retas de carga deste e do exercício anterior e compare-as. - conclusão: quanto menor for RC, mais inclinada é a reta de carga. 8. O Ponto de Trabalho Exemplo da figura seguinte Depois de traçar a reta de carga, como já aprendemos, podemos calcular IB. 8

9 Imaginemos, para este caso, o transistor ideal > VBE = 0V (só para efeito de simplificar os cálculos) Então: IB = 15 V / 500 kω = 30 μa Se o ganho de corrente for, por exemplo, βcc=100, teremos: IC = 100. (30 µa) = 3 ma Esta corrente, ao circular pelos 3 kω, produz uma tensão de 9V na resistência de coletor, pelo que: VCE = 15 V (3 ma). (3 kω) = 6 V Marcando estes pontos de IC e VCE no gráfico, ficamos com o ponto Q. Porque é que o ponto Q varia? Se IB é constante e, de fábrica, os βcc podem variar muito para o mesmo modelo, corremos o risco de o transistor entrar em corte ou saturação. A figura anterior representa o caso em que βcc é de 50 (QL) e 150 (QH) em vez dos 100 de catálogo, o que é perfeitamente possível. Conclusão: A polarização de base é muito sensível ao ganho de corrente do transistor (βcc) e este é muito variável mesmo para o mesmo modelo. Para calcular o ponto Q para este tipo de configuração, calcule primeiro IB, depois IC e depois VCE Exemplo 1: Suponha que a resistência de base na figura (**) aumenta até 1MΩ. Que sucede com a tensão coletor-emissor se βcc valer 100? Solução: Continuando a considerar, a corrente de base diminuirá até 15 µa, a corrente de coletor diminuirá até 1,5 ma e a tensão coletor-emissor aumentará até VCE = 15 (1,5 ma). (3 kω) = 10,5 V 9. Polarização de Emissor É a usada quando se pretende usar o transistor como amplificador, devido aos problemas que vimos com a polarização de base, pois esta polarização de emissor consegue aquilo que os amplificadores precisam: um ponto de funcionamento em repouso (Q) constante, mesmo perante a grande variação de βcc dos transistores do mesmo modelo fabricados em série. Idéia Básica A fonte de polarização de base aplica-se diretamente à base. O emissor não ficará diretamente ligado à massa mas sim através de uma resistência de emissor RE. Assim, VE = VBB VBE Como achar o ponto Q? Vejamos o exemplo da figura seguinte 9

10 VE = 5 V 0,7 V = 4,3 V usando a lei de ohm para calcular a corrente de emissor: 4,3 V IE = = 1,95 ma 2,2 kω Isto supõe que, em muito boa aproximação, IC = IE Quando IC circula por RC produz uma queda de tensão de 1,95V, pelo que: VC = 15 (1,95 ma). ( 1 kω) = 13,1 V (VC é a tensão entre o coletor e o terra) e VCE = 13,1 V 4,3 V = 8,8V (Vce = VC - VE Assim, o Q terá como coordenadas: IC = 1,95 ma e VCE = 8,8 V O circuito é imune às alterações do ganho de corrente (beta) Vejamos agora de onde vem a importância da polarização de emissor e como imobiliza Q face a variações de βcc Vejamos os passos que aplicamos para calcular Q:. Obter a tensão de emissor. Calcular a corrente de emissor. Achar a corrente de coletor. Calcular VCE Em nenhum ponto houve necessidade de usar βcc no processo, ao contrário da polarização de base (confirme atrás). A corrente fixa agora é IE (quase igual a IC), ao contrário da polarização de base em que a corrente fixa era a de base e IC = βcc. IB Exemplo 1: Qual é a tensão entre o coletor e a terra na figura seguinte? E entre o coletor e o emissor? Solução: A tensão de base é de 5V. A tensão de emissor é 0,7 V menor que ela, o que quer dizer que é VE = 5 V 0,7 V = 4,3 V esta é a queda de tensão no resistor de emissor, que agora é de 1 kω. Portanto, a corrente de emissor é IE = 4,3 V / 1 kω = 4,3 ma A corrente de coletor é aproximadamente igual a 4,3 ma. Quando esta corrente circula pela resistência de coletor (neste caso de 2 kω) produz uma tensão dada pela Lei de Ohm: VRC = IC. RC = (4,3 ma). (2 kω) = 8,6 V e então VC = VCC VRC Então VC = 15 V 8,6 V = 6,4 V e VCE = VC VE Assim, VCE = 6,4 V 4,3 V = 2,1 V 10

11 10. Detalhamento técnico dos transistores Os transistores depois de fabricados em pastilhas de silício recebem uma capa protetora, o encapsulamento. Serve como proteção contra o meio ambiente como dissipadores de potência para aqueles transistores destinados a maior dissipação de calor. Geralmente transistores de baixo sinal (pequena potência) são de plásticos. Os transistores de maior potência são encapsulados em alumínio. Seu formato também possibilita a fixação e a dissipação de calor. Há também transistores que são construídos no formato de circuito integrados, consistindo de mais de um transistor no mesmo encapsulamento, como mostrado na figura seguinte Identificação do transistor Ohmímetro. 11

12 10. 2 Folha de especificações técnicas Observe uma folha de especificação de transistor, também conhecida por datasheet na página seguinte. 12

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