CAPÍTULO 5 TRANSISTORES BIPOLARES

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1 CAPÍTULO 5 TRANSSTORES BPOLARES O transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de duas camadas de material tipo "n", de negativo, e uma de tipo "p", de positivo, (transistor npn) ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n" (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 corrente, osciladores, etc. Estrutura Básica As figuras ao lado ilustram a estrutura básica de um transistor, representando um circuito T equivalente com diodos (ou melhor, fazendo uma analogia com diodos), ligados de tal forma a permitir a identificação da polarização das junções, as quais são: base-emissor (B-E) e base-coletor (B-C), respectivamente. Observa-se que no transistor pnp a junção dos dois catodos do diodo forma a base, que é negativa, sendo o emissor e o coletor positivos. No transistor npn a junção dos dois anodos forma a base que é positiva, sendo o emissor e o coletor negativos. A simbologia utilizada para os transistores de junção é mostrada logo abaixo dos circuitos equivalentes "T" com diodos. Polarização Para que um transistor funcione é necessário polarizar corretamente as suas junções, da seguinte forma: 1 - Junção base-emissor: deve ser polarizada diretamente. 2 - Junção base-coletor: deve ser polarizada reversamente. Esse tipo de polarização deve ser utilizada para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele npn ou pnp. As figuras abaixo ilustram exemplos de polarização para os dois tipos de transistores. Observe atentamente nas figuras a polaridade das baterias. Aplicações Básicas 1

2 As duas aplicações básicas, ou mais comuns, dos transistores são: Amplificação: o sinal de saída é n vezes o sinal de entrada; Chaveamento: o transistor é usado como uma chave aberta (transistor em corte) ou fechada (transistor saturado). Equações Básicas do Transistor A corrente do emissor E é a soma da corrente do coletor C mais a corrente da base B, de modo que: E C + Na prática, a corrente do emissor é aproximadamente igual a corrente do coletor, de modo que muitas vezes consideramos E C. A potência do transistor Pt é a tensão entre coletor e emissor CE vezes a corrente do coletor C, de modo que: B P t CE C Ganho Direto de Corrente - βcc É um parâmetro, simbolizado por βcc (beta cc), que mede quantas vezes a corrente no coletor é maior que a corrente da base. O beta cc é adimensional (sem unidade de medida) e geralmente é fornecido pelo fabricante e pode ser medido no multiteste. Num outro sistema de análise, chamado parâmetros h, usa-se hf E no lugar de βcc para representar o ganho de corrente cc. Resumindo: β cc hfe C B Alfa CC - αcc O alfa cc de um transistor, simbolizado por αcc, é um parâmetro (adimensional) que indica o quanto a corrente do coletor se aproxima da corrente do emissor. Seu valor poder expresso na forma decimal ou também em percentual. É definido por: α cc C E Relações entre βcc e αcc O beta cc e o alfa cc de um transistor estão relacionados por: αcc βcc 1 αcc 2

3 Transistor Como Chave Eletrônica É a forma mais simples de operação de um transistor, pois ao longo da reta de carga, a qual é visualizada ao lado, são definidos apenas dois pontos: corte e saturação. Portanto, podemos dizer que quando um transistor está saturado, este se comporta como uma chave eletrônica fechada e quando está em corte, como uma chave eletrônica aberta. Transistor Saturado Diz-se que o transistor está saturado quando seu CE 0. Neste momento, a sua corrente de coletor é a máxima possível ( C ). Neste caso, o transistor se comporta como uma chave fechada. O Transistor em Corte Diz-se que o transistor está em corte quando seu CE CC. Neste momento, a sua corrente de coletor é a mínima possível ( Cmin ). Neste caso, o transistor se comporta como uma chave aberta. 3

4 Transistor na Região Ativa Diz-se que o transistor está na região ativa quando sua corrente de coletor é menor do que a máxima C (corrente de saturação) e seu CE, além de ser diferente de zero, também é menor do que cc (tensão de corte). Em outras palavras: o transistor está na região ativa quando ele não está nem em corte e nem saturado. O ponto de operação do transistor, neste caso, se encontra entre os extremos da reta de carga. O ponto de operação do transistor na reta de carga neste caso, de coordenadas ( CE, C ), é também conhecido como ponto quiescente Q, conforme indicado no gráfico abaixo. Na região ativa: < 0 < < 0 C C CE < cc Ponto Quiescente: Q( CE, C) Regulador Série O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos reguladores que utilizam apenas diodo zener. eja um exemplo deste circuito abaixo. N tensão de entrada B (tensão da base) z L B - BE E C Rs N min z Rs O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série. Teste de Transistores com o Multímetro Fazendo-se uma analogia com diodos, podemos testar um transistor bipolar e identificar seus terminais. Do mesmo modo como se testa diodos utilizando-se multímetros analógico e digital, podese testar transistores, pois da base para o coletor ou da base para o emissor vê-se um diodo PN. Primeiramente identificamos a polaridade do transistor e o terminal de base e depois os terminais de coletor e emissor. A região de emissor do transistor é mais dopada do que a região de coletor. Essa característica é utilizada para a identificação do emissor e do coletor, pois a tensão de condução do emissor é levemente superior a tensão de condução do coletor. Utilizando-se o multímetro analógico, a resistência entre base e emissor é menor que a resistência base-coletor. 4

5 No exemplo a seguir o transistor BD135 é testado com um multímetro digital e a seguir é estabelecida a conclusão. Polaridade: NPN Coletor: 2 Emissor: 1 Base: 3 Nem todos os transistores bipolares podem ser testados utilizando-se esse princípio, pois existem transistores especiais que podem apresentar leituras cujas conclusões podem ser duvidosas. Um exemplo de transistor nessas condições é o transistor Darlington, que é representado a seguir (especificamente, um Darlington tipo NPN): A característica principal do transistor Darlington é produzir um alto ganho de corrente βcc que é aproximadamente o produto dos ganhos individuais de cada transistor da montagem. βcc βcc 1 βcc 2 A montagem de dois transistores discretos do modo mostrado bem à esquerda, ao lado, é conhecida como conexão Darlington. Também, há duas simbologias muito usadas em esquemas eletrônicos para esse tipo de transistor: uma delas aparentando um transistor com duplo coletor enquanto a outra um duplo emissor. 5

6 EXEMPLOS 1. Se um transistor possui βcc 200 e sua corrente de base B 100µA, então: a) Qual o valor da sua corrente de coletor C? C Pelos dados fornecidos, a corrente de coletor C pode ser calculada por: β cc hfe. B Assim: C B β cc ( 100µ A) (200) 20000µ A 20mA. b) Qual o valor da sua corrente de emissor E? A corrente de emissor E é a soma das correntes de base e coletor. Assim: B + C 0,1mA + 20mA 20, ma. E 1 c) Qual o valor do seu αcc? O alfa cc de um transistor, simbolizado por αcc, é um parâmetro que indica o quanto a corrente do coletor C se aproxima da corrente do emissor E. Assim: C 20mA α cc 0,995 99,5%. E 20,1mA 2. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se que quando sua corrente de coletor é de 6,4mA a tensão entre o coletor e o emissor mede 6,8. Em um outro ponto de operação (quiescente) o mesmo apresenta uma corrente de coletor de 17,4mA quando a tensão entre o coletor e o emissor mede 1,3. Sendo assim, determine: a) A corrente de saturação do transistor. Abaixo, ilustramos o problema de acordo com a reta de carga do transistor. Como a relação da corrente de coletor C contra a tensão entre coletor e emissor do transistor CE é linear (ou seja, a curva esperada resulta em uma reta), o problema pode ser resolvido por um sistema de duas equações lineares para essa reta. Para isso, é necessário conhecermos dois pontos pelos quais a reta passa. E conhecemos. São eles os pontos Q 1 (1,3; 17,4mA) e Q 2 (6,8; 6,4mA). A forma geral para a equação da reta de carga é 6

7 a b, (1.4) C CE + onde a e b são parâmetros/coeficientes à serem determinados. Como a reta de carga do transistor é decrescente, o parâmetro a deverá ser negativo. Aplicando o ponto Q 1 à equação (1.4) teremos que 17,4 1, 3 a + b. (1.5) Aplicando o ponto Q 2 à equação (1.4) teremos que 6,4 6, 8 a + b. (1.6) Agora, resolvemos o sistema formado pelas equações (1.5) e (1.6). Para tanto, subtraímos a equação (1.6) da equação (1.5), de forma que 17,4 6,4 1,3 a + b 6, 8 a b, 11 5, 5 a, a 5,5 2. Usando o parâmetro a na equação (1.5), por exemplo, encontramos que 17,4 1,3 ( 2) + b, 17,4 2, 6 + b, b 17,4 + 2,6 20. Então, substituindo os parâmetros a e b em (1.4) temos que C , (1.7) CE que é a equação procurada para a reta de carga do transistor em questão. O transistor é levado à saturação quando seu CE é nulo ( CE 0). Neste caso, a sua corrente de coletor é máxima ( C Cmáx ). Assim sendo, de (1.7) teremos que Cmáx 20mA. b) A tensão de corte do transistor. O transistor é levado ao corte quando sua corrente de coletor C é nula ( C 0). Neste caso, o seu CE é máximo, sendo o próprio cc do circuito ( CE CEmáx cc). Assim sendo, de (1.7) teremos que , CEmáx 7

8 20 CEmáx 10. 2, c) O ponto Q deste transistor. Com base em (1.1) e (1.2) temos que Cmáx 20mA C 10mA 2 2 e CEmáx CE 5 Logo, Q ( 5,10mA). 3. Dado o circuito: N 20cc a 22cc f 120Hz z 12,7 z 10mA R L 100Ω a 1kΩ βcc 120 a) Qual o valor da resistência Rs? Sabemos que Rs deve ser menor do que Rs, que é o valor crítico do resistor série, o qual é determinado, neste tipo de circuito, por Pelos dados fornecidos, vemos que: R S () S (min) RS () min Nmin 20; N 30; z 12,7; RL min 100Ω; RL 1kΩ. Mas RS? Aplicando a 1ª Lei de Kirchhoff ao circuito, temos que: T RS + C Mas como RL é variável: Z 8

9 T RS + C Mas observando melhor o circuito, vemos que RS é a soma das correntes do zener e de base do transistor. Logo, aplicando novamente a 1ª Lei de Kirchhoff ao ramo do resistor Rs: z + RS B z + RS B Mas z? e B? O valor de z foi fornecido nos dados, sendo de 10mA. Para determinar B usamos a relação β cc C B pois conhecemos o βcc do transistor, que também foi fornecido, sendo de 120 o seu valor. Mas C? Como foi definido na teoria para este tipo de circuito, consideramos C E. Logo, temos que C E. Mas E? E () RL RL (min) Mas RL? Aqui devemos notar que o resistor RL está ligado com o diodo interno que existe entre a base e o emissor do transistor, os quais formam um ramo que está submetido a tensão z do diodo regulador de tensão zener, o qual funciona como uma bateria. R CE é a resistência entre o coletor e o emissor do transistor, pois o mesmo trabalha na região ativa. Ao lado, o esquema de funcionamento interno do transistor ilustra o problema. Assim, aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff ao ramo submetido a tensão z do diodo zener: z RL + BE BE é a tensão do diodo, a qual consideramos como sendo de 0,7. Logo: z RL BE 9

10 12,7 0,7 RL 12 Logo: 12 E () C () 120mA 100Ω Assim: C β cc B C 120mA B B 1mA βcc 120 Então: Logo: 10mA + 1mA RS 11 RS () ma 20 12,7 7,3 664Ω 0,011A 0,011A Como Rs < Rs, o valor padrão imediatamente abaixo deste é de 560Ω. Portanto: b) Qual o valor da potência do zener Pz? Pz z z Pz ( 12,7 ) (10mA) 127mA c) Qual o valor da potência do transistor Pt? Rs 560Ω A potência do transistor Pt é a tensão entre coletor e emissor CE vezes a corrente do coletor C, de modo que Pt CE C Logo, Pt CE C Mas CE? Como neste tipo de circuito o transistor trabalha na região ativa, logo: 0 < CE < N. Então, aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff para a malha Coletor - Emissor do transistor, temos: N CE + RL N CE + CE N RL RL CE 10 Portanto: Pt (10 ) (120mA) 1200mW 1, 2W d) Qual o valor do capacitor C? (Considerar ond N ) O valor da capacitância C deve ser determinado por meio da equação: ond f C Como foi pedido, consideramos ond como sendo: ond N 10

11 Logo: ond N min N N 2 A freqüência foi dada, sendo de 120Hz. Falta determinar a corrente total máxima do circuito T que passa pelo capacitor C. Conforme deduzimos antes: T RS + C Logo: T 11mA + 120mA 131mA Então: C T f ond 0,131A (120Hz ) (2 ) 546µ F EXERCÍCOS PROPOSTOS 1. Um transistor possui βcc igual a 200 e sua corrente de base é de 1mA. Então: a) Qual o valor da sua corrente de coletor? b) Qual o valor da sua corrente de emissor? c) Qual o valor do seu αcc? 2. Um transistor possui uma corrente de coletor de 5,75mA e uma corrente de emissor de 6mA. Então: a) Qual o valor da sua corrente de base? b) Qual o valor do seu βcc? c) Qual o valor do seu αcc? 3. Um transistor possui αcc igual a 99,75% e tem uma corrente de base de 0,5mA. Então: a) Qual o valor do seu βcc? b) Qual o valor da sua corrente de coletor? c) Qual o valor da sua corrente de emissor? 4. Um transistor possui uma corrente de emissor que equivale a 601 vezes o valor da sua corrente de base. Então: a) Quantas vezes maior será a sua corrente de coletor com relação a corrente de base? b) Qual o valor do seu βcc? c) Qual o valor do seu αcc? 5. Se um transistor possui αcc 98% e tem B 5µA, qual será o valor de E? 6. Um transistor 2N3904 tem uma especificação de potência de 310mW à temperatura ambiente (25ºC). Se sua tensão entre coletor e emissor for igual a 10, qual será a corrente máxima, em miliampères (ma), que ele pode suportar sem exceder a sua especificação de potência? 7. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se que quando sua corrente de coletor é de 12,8mA a sua tensão entre o coletor e o emissor mede 13,6. Num outro ponto de operação (quiescente) o mesmo componente apresenta uma corrente de coletor de 34,8mA quando sua tensão entre o coletor e o emissor mede 2,6. Sendo assim, determine: a) A corrente de saturação do transistor. 11

12 b) A tensão de corte do transistor. c) O ponto Q deste transistor. 8. Considere um transistor que se encontra operando na região ativa. Sabe-se, para tanto, que sua corrente de saturação é de 20mA enquanto que sua tensão de corte é de 15. Se o transistor apresentar uma tensão de 8 entre o coletor e o emissor, qual será sua corrente de coletor? 9. Considere um determinado circuito eletrônico com dois transistores bipolares de junção, T 1 e T 2. Sabese que ambos operam na região ativa. A tensão de corte do transistor T 1 é de 8 enquanto que sua corrente de saturação vale 100mA. Já o transistor T 2 tem uma tensão de corte de 12 e uma corrente de saturação de 80mA. Com base nestas informações (ilustradas no gráfico ao lado), determine: a) O valor da tensão entre o coletor e o emissor na qual ambos os transistores apresentem a mesma corrente de coletor. b) O valor da corrente de coletor na qual ambos os transistores apresentem o mesmo valor de tensão entre o coletor e o emissor. 10. Dado o circuito: N 12cc Z 6,7 z 10mA R L 3Ω βcc 150 a) Qual o valor da resistência Rs? b) Qual o valor da potência do zener Pz? c) Qual o valor da potência do transistor Pt? d) Qual o valor da potência da carga P RL? e) Qual o valor da corrente total do circuito T? RESPOSTAS DOS EXERCÍCOS PROPOSTOS 1. a) 200mA; b) 201mA; c) 99,5%; 2. a) 0,25mA; b) 23; c) 99,75%; 3. a) 399; b) 199,5mA; c) 200mA; 4. a) 600 vezes; b) 600; c) 99,83%; 5. E 250µA; 6. 31mA; 7. a) 40mA; b) 20; c) Q(10, 20mA); 8. 9,33mA; 9. a) 3,43 b) 57,14mA; 10. a) Rs 180Ω; b) Pz 67mW; c) Pt 12W; d) P RL 12W; e) T 2,023A. 12