Aula 8. Transistor BJT. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica

Transcrição

1 Aula 8 Transistor BJT Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica 1

2 Programa de Aula Introdução/Histórico do transistor Transistor bipolar de junção (BJT): Estrutura física Simbologia Circuito elétrico equivalente Polarização Aplicações 2

3 Transistor - Introdução Válvula Inventado em 1904 pro Fleming Dispositivo de muito interesse na indústria Atuação como chave estática e amplificador de sinais Utilizados em rádios, amplificadores de som, televisores e demais equipamentos na época 3

4 Transistor - Introdução Desvantagens das válvulas Precisa ser aquecida para funcionar (ineficiente) Necessita de tensões relativamente elevadas Grandes 4

5 Transistor - Introdução Inventado por William Schokley, Walter H. Brattain e John Bardeen em 1947 Primeiro transistor (Ge + filamentos de Au) 5

6 Transistor - Introdução Vieram para substituir as válvulas, com as seguintes vantagens: tamanho reduzido, eficiência, não precisa aquecer e tensão de alimentação reduzida Fundamental para o surgimento de circuitos integrados (CI) que contém milhares de transístores em miniatura Transistores (atualmente) Circuito integrado 6

7 Transistor - Introdução Breve histórico: 1947 Primeiro transistor (Brattin, Bardin e Schockley) 1957 TI Kilby propuseram o primeiro CI (circuito integrado) 1997 Criação do CI com mais de 5 milhões de transistores 2016 Processador intel i7 brodwell-e com 3,2 bi. de transistores 7

8 Transistor - Introdução Mais comum BJT (Bipolar Junction Transistor) ou TBJ Tão comum que o termo transistor muitas vezes quer dizer transistor BJT Bipolar: lacunas e elétrons livres participam do processo de controle do fluxo de corrente Transistor = TRANsfer + resistor Dispositivo cuja resistência interna (entre varia em função do sinal de entrada 8

9 Transistor - Introdução Principais aplicações: Utilizado como chave estática (interruptor) Utilizado como um amplificador Pode possuir duas regiões do tipo N e uma do tipo (transistor NPN) ou duas regiões do tipo P e uma do tipo N (Transistor PNP) Dispositivo de três terminais/regiões: emissor (E), base (B) e coletor (C) 9

10 Transistor - Introdução Transistor = TRANsfer + resistor Sua resistência interna (catodo-emissor) varia com a corrente no terminal de base 10

11 Transistor Estrutura Interna Os transistores NPN ou PNP possuem 2 (duas) junções PN O terminal de emissor é o que possui a seta! 11

12 Transistor Polarização Para o transistor operar corretamente, o mesmo deve estar polarizado corretamente: Junção base-emissor diretamente polarizada Junção base-coletor reversamente polarizada 12

13 Transistor Estrutura Interna Funcionamento 13

14 Transistor Estrutura Interna Funcionamento 14

15 Transistor Estrutura Interna Funcionamento 15

16 Transistor Estrutura Interna Funcionamento Transistor PNP 16

17 Transistor Estrutura Interna Funcionamento Convenção: Sentido da corrente = fluxo de lacunas Base é muito estreita e de baixa condutividade os portadores majoritários seguem para o coletor ( R) O emissor deve mais dopado que os outros 17

18 Transistor Estrutura Interna Funcionamento 18

19 Transistor Estrutura Interna Não é possível construir um transistor a partir da conexão de dois diodos As duas junções apresentam comportamentos diferentes devido à geometria, largura da base e dos diferentes níveis de dopagem em cada região 19

20 Transistor Estrutura Interna NPN PNP 20

21 Transistor - Correntes no Transistor No transistor, a corrente na Base é muito menor do que a corrente no coletor e no emissor Utilizando a lei de Kirchhoff para as correntes: IE = IC + IB Como IB é muito pequena em relação a IE e IC: IE IC Existem dois parâmetros básicos: α e β α = IC IE Como IE IC, α assumirá valores muito próximo da unidade (α > 0,99) 21

22 Transistor - Correntes no Transistor O parâmetro β é um dos mais importantes parâmetros: β = IC IB Parâmetro conhecido como o ganho de corrente do transistor Uma pequena corrente na base (IB) pode gerar uma corrente muito maior no coletor (IC) Os valores de β variam entre 100 a 300 Também conhecido como hfe No transistor BJT, o controle da corrente entre coletoremissor se dá pela corrente de base IB 22

23 Transistor Exercício Ex 8.1) Qual o ganho do transistor, quando a corrente na base é de 10uA e a corrente no coletor é de 30mA? Ex 8.2) Qual a corrente no coletor, caso o transistor possua corrente de base de 0.5mA e β de 150? 23

24 Transistor Aplicações O transistor utilizado na região ativa pode ser utilizado como amplificador O transistor utilizado nas regiões de corte e saturação pode ser utilizado como chave (interruptor) 24

25 Transistor Polarização Existem três formas de conectar um transistor: Base comum (BC) Emissor comum (EC) mais utilizada Coletor comum (CC) 25

26 Transistor Emissor Comum Emissor comum Vbb fonte de tensão conectada a base Vcc fonte de tensão conectada ao coletor VCE VC VE VBE VB VE RB resistência de base RC resistência de coletor RE resistência de emissor (se tiver) 26

27 Transistor Emissor Comum Gráfico de IB vs VBE Há uma junção PN entre a base e o emissor Só haverá condução de corrente na base quando a barreira de potencia (0,7V) nessa junção for vencida Caso contrário, não há corrente entre o emissor e coletor 27

28 Transistor Emissor Comum Ex 8.3) Qual a tensão no resistor de base e qual a corrente no coletor caso o ganho seja de 200? 28

29 Transistor Emissor Comum Gráfico de IC vs VCE (variando VCC) VBB e RB foram escolhidos de forma que IB = 10uA) 29

30 Transistor Emissor Comum Gráfico de IC vs VCE (variando VCC) Região de saturação junção PN base-coletor e baseemissor diretamente polarizadas VBB é muito grande em relação à VCC Região ativa junção PN base-coletor polarizada reversamente e base-emissor diretamente polarizada IC praticamente constante VCE aumenta para que IC seja constante Região de ruptura Avanlanche 30

31 Transistor Emissor Comum Gráfico de IC vs VCE (variando VCC e IB) Possível verificar o comportamento do transistor para diversos valores de VCC e IB Note que para um dado valor de VCE existe diversos valores possíveis de IC! Para cada IB há uma curva que relaciona IC com VCE! 31

32 Transistor Regiões de Operação O transistor possui quatro regiões de operação: Saturação Ativa Corte Ruptura dano ao transistor (efeito avalanche) 32

33 Transistor Regiões de Operação Região de Saturação 33

34 Transistor Regiões de Operação Região de Saturação junção PN base-coletor e base-emissor diretamente polarizadas VBB é muito grande em relação à VCC A parte inicial da curva é chamada de região de saturação VCE = VCE SAT 0V IB é maior que o normal e β é menor do que o normal Nessa região a relação IC = β *IB não é válida Analogias chave fechada, torneira aberta ao máximo e resistência (coletor-emissor) mínima 34

35 Transistor Regiões de Operação Porque o transistor se satura? O coletor pode coletar apenas os elétrons livres nos quais o emissor injetou na base A quantidade de elétrons livres disponíveis depende da corrente de base 35

36 Transistor Regiões de Operação Região ativa 36

37 Transistor Regiões de Operação Região Ativa A variação de VCC não impacta em IC IC = β IB O transistor atua como um amplificador de corrente IC constante nessa região, dependente de IB Analogia 1: Registro da torneira IB Torneira Transistor Fluxo de água IC e IE Analogia 2: a resistência (coletor-emissor) varia com IB 37

38 Transistor Regiões de Operação Região de corte 38

39 Transistor Regiões de Operação Região de corte Caso especial da curva IC x VCE, onde IB = 0 A IC 0 há apenas IC causada pela presença de portadores minoritários Analogias chave aberta, torneira fechada e resistência (coletor-emissor) muito elevada (teoricamente ) 39

40 Transistor Regiões de Operação Região de ruptura 40

41 Transistor Regiões de Operação Região de ruptura Efeito avalanche no transistor tensão reversa limite na junção PN polarizada reversamente (coletor-base) O transistor passa a conduzir sem precisar de IB 41

42 Transistor Polarização Emissor Comum Características Técnicas IC Corrente máxima de coletor que o transistor pode suportar sem se danificar V CEO Tensão máxima de coletor (base aberta) V CBO Tensão máxima de coletor (emissor aberto) V EBO Tensão máxima de emissor (base aberta) β ou hfe Ganho de corrente do transístor Pd Potência máxima de dissipação f T Frequência máxima de trabalho (região ativa) 42

43 Transistor Exercício Ex 8.4) Calcule IB, IC, VCE e Pd. Considere que o ganho é de

44 Transistor Exercício Ex 8.5) Utilizando seus conhecimentos sobre junções PN e transistores, quais os valores esperados de tensão com o voltímetro? Complete a tabela. Dica: utilize o modelo a diodos. 44

45 Transistor Exercício Ex 8.6) Utilizando seus conhecimentos sobre junções PN e transistores, quais os valores esperados de tensão com o voltímetro? Complete a tabela. Dica: utilize o modelo a diodos. 45

46 Referências 1. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica - Vol. 1 e 2. 4ª ed. São Paulo: Pearson 2. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Pearson. 696 p. 46