IF-UFRJ Elementos de Eletrônica Analógica Prof. Antonio Carlos Santos Mestrado Profissional em Ensino de Física Aula 7: Polarização de Transistores Este material foi baseado em livros e manuais existentes na literatura (vide referências) e na internet e foi confeccionado exclusivamente para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório de Física Moderna Eletrônica. Pela forma rápida que foi confeccionado, algumas partes foram extraídas quase verbatim de outros autores citados na lista de referências. Trata-se de um texto em processo de constante modificação. Por gentileza, me informe os erros que encontrar. Teoria O Transistor é basicamente constituído de três camadas de materiais semicondutores, formando as junções NPN ou PNP. Essas junções recebem um encapsulamento adequado, conforme o tipo de aplicação e a ligação de três terminais para conexões externas. emissor N P N coletor emissor P N P coletor base base A corrente de emissor (I E ) é composta pela soma das correntes de base (I B ) e de coletor (I C ). Analogamente, observamos que, a tensão entre coletor-emissor (V CE ) é composta pela soma das tensões base-emissor (V BE ) e base coletor (V CB ). Portanto, podemos escrever I E = I B + I C V CE = V BE +V BC (NPN) SIMBOLOGIA NPN coletor PNP coletor base base emissor emissor Sem polarização, uma junção NPN ou PNP, apresenta duas barreiras de potencial, idênticas àquela vista na junção PN de um diodo semicondutor. Para movermos os elétrons e lacunas nos materiais, é necessária a colocação de baterias que poderão deixar cada junção direta ou reversamente polarizada. Vamos a seguir, analisar todas as possibilidades de polarização, destacando o caso mais vantajoso : 19
1 o caso as duas junções reversamente polarizadas N P N P N P Neste caso, não há circulação de corrente, pois as duas junções estão reversamente polarizadas, deixado o dispositivo em situação de corte. 2 o caso as duas junções diretamente polarizadas N P N P N P Neste caso, circula corrente pelas duas junções, estando o dispositivo em situação de saturação. 3 o caso uma junção diretamente polarizada e a outra reversamente polarizada N P N P N P Neste caso, circula corrente por ambas as junções, apesar da polarização reversa, pois aqui, ocorre o fenômeno denominada de efeito transistor. Devido a esse fenômeno, utilizaremos este caso para fins de polarização. Uma característica importante de um transistor é que ele controla a corrente que circula através dele. A maior parte da corrente circula do emissor para o coletor (sentido real dos elétrons), com a base agindo como elemento de controle. Com uma polarização direta aplicada à junção emissor-base, a base começa a drenar uma pequena corrente. Uma vez que a corrente de base foi iniciada, a maioria dos elétrons passa através da região estreita da Bse e fica sob a influência da região altamente positiva (em um transistor NPN) reversamente polarizada do coletor. A figura abaixo ilustra como o transistor funciona como controlador ou chave: Se a corrente da base I B for nula, a chave estará fechada e portanto não haverá corrente do coletor para a o emissor. Se a corrente da base for não nula, então haverá um fluxo do coletor para o emissor (sentido convencional). Três Configurações de Circuitos Amplificadores com Transistor Existem três configurações básicas de circuitos amplificadores: emissor comum, coletor comum e base comum. Visto que o transistor possui apenas três terminais, um deve ser comum aos outros dois para as conexões de entrada e 20
saída. A figura abaixo mostra as três configurações. Por ora, cada circuito possui somente os componentes básicos. Os diagramas não mostram os valores dos resistores e capacitores de polarização. A) Configuração emissor comum (circuito equivalente CA). B) Configuração coletor comum (circuito equivalente CA). Configuração base comum (circuito equivalente CA). A configuração emissor comum é a configuração mais largamente empregada. O sinal de entrada é aplicado entre a base e o emissor, enquanto o sinal de saída é retirado entre o coletor e o terra. Já que o emissor está conectado ao terra CA, ele funciona como um ponto de referência comum para a entrada e a saída. Duas coisas para se lembrar sobre o circuito emissor comum são: a) um circuito emissor comum pode prover ganho de corrente, tensão e potência; b) o circuito emissor comum possui uma impedância de entrada média e uma impedância de saída alta. Para melhor compreensão, vamos utilizar a figura abaixo, onde temos a polarização do terceiro caso com a estrutura interna das junções mais detalhadas. NPN PNP V CB I C V CB I C I B V CE I B V CE R B V BE I E R B V BE I E V BB V BB Define-se polarização como sendo o estabelecimento das correntes de coletor, de base e da tensão V CE, ou seja, do ponto de trabalho do transistor Para melhor aproveitamento, devemos polarizar a junção base-emissor diretamente e a junção base-coletor reversamente. Para tanto, utilizaremos no circuito duas baterias, V BB e, resistores limitadores de corrente, conforme mostra a figura abaixo. Considerando a figura acima, vamos escrever as equações das malhas de entrada e de saída 21
Entrada : V BB = R B I B + V BE Saída : V CE = I C + V CE Para dimensionarmos R B e em função de valores pré-estabelecidos de V BB,, I B, V CE e dos parâmetros do transistor, nas equações de malha isolamos nesse valores : R R B C V = V = BB CC V I I B V C BE CE onde : I β C = IB e IC = αie β α = e β + 1 α β = 1 α Na pratica, não é viável a utilização de duas baterias, sendo que para eliminarmos uma delas, formaremos divisores de tensão que equivalem a nível de polarização às condições pré-estabelecidas. O circuito equivalente com a bateria V BB eliminada, é visto na figura abaixo. RB R E Uma melhor solução para o problema da instabilidade principalmente com a temperatura, é polarizarmos o transistor, utilizando o circuito visto na figura abaixo, denominado polarização por divisor de tensão na base. I B1 RB1 I B I C I B2 I E R B2 R E 22
O divisor de tensão na base, se dimensionado de maneira conveniente, fixará V RB2 Transistor como amplificador IB2 IB 10, pois I B = I B1 I B2 O transistor funciona como um controlador. Transistores que funcionam como controladores também são chamados de amplificadores. A figura abaixo ilustra como usar o transistor como amplificador: Antes do microfone ser conectado ao circuito, nada acontece. O transistor irá simplesmente bloquear o fluxo de elétrons da bateria para o alto falante. De modo a deixar a corrente fluir, devemos drenar uma corrente de elétrons da base. Isto se faz quando conectamos o microfone conforme ilustrado abaixo. Note que o microfone também está conectado ao emissor, de modo a permitir que os elétrons drenados da base tenham para onde fluir (o circuito deve ser sempre fechado!). Teste de Transistores usando multímetro analógico Este é o melhor tipo de multímetro para testar transistores. Tem dois testes que podemos fazer com este tipo de multímetro. Na escala 1 antes é necessário saber que o transistor NPN o ponteiro mexe com a ponta preta na base e no PNP o ponteiro mexe com a vermelha na base. Coloque a ponta preta fixa num terminal qualquer e a vermelha nos dois restantes. Se o ponteiro mexer nos dois terminais e parar na mesma posição, o transistor está bom, onde está a ponta preta é a base e o transistor é NPN. Agora se o ponteiro não mexer igual nos dois, fixe a preta em outro terminal e assim ate encontrar a base (terminal que o ponteiro mexe igual com os outros dois). Se não encontra a base com a preta, tente com a vermelha. Se achar a base com a vermelha, o transistor é PNP. Teste de Transistores usando multímetro digital Use a escala com o símbolo do diodo e da mesma forma que o multímetro analógico procure um terminal que indica aproximadamente o mesmo valor com os dois restantes. Este terminal é a base. Se acharmos a base com a ponta vermelha, o transistor é NPN e se acharmos com a preta, ele é PNP. Note que a indicação é o contrario do multímetro analógico. O terminal que indicar maior resistência com a base é o emissor. 23
Há uma outra maneira de testar o transistor: conecte as ponteiras do ohmímetro ao emissor e ao coletor, molhe a ponta do seu dedo e o coloque entre o coletor e a base. Se o transistor está bom o ohmímetro indicará uma queda na resistência. O dedo molhado fornece uma resistência alta entre o coletor e a base. Isto permite uma corrente de polarização direta aplicada na base que liga o transistor. Parte prática 1- Com o transistor disponível em sua bancada, indentifique os terminais (base, emissor e coletor), identifique se é NPN o PNP. Meça com o ohmímetro e anote no quadro abaixo, a resistência direta e reversa entre baseemissor e entre base-coletor R direta R reversa Anotações: Base-emissor Base-coletor 2- Monte os circuitos das figuras abaixo. Meça e anote nos quadros os valores de I B, I C, I E, V BE e V CE 150 kω 330 Ω I B (µa) I C (ma) I E (ma) V BE (V) V CE (V) 12 V 24
150 kω 330 Ω I B (µa) I C (ma) I E (ma) V BE (V) V CE (V) 12 V 100 Ω 5,6 kω 330 Ω I B (µa) I C (ma) I E (ma) V BE (V) V CE (V) 12 V 1,2 kω 100 Ω Anotações: Questões 1 Calcule os valores de β e α, utilizando os valores de I B, I E e I C, obtidos nas tabelas acima. Calcule os valores de α e β médios. Lista de exercícios para casa 1 Dimensione R B, e R E para polarizar o transistor do circuito da figura abaixo, conforme os dados fornecidos : β = 200, V BE = 0,7 V, = 15 V, V CE = /2, V RE = /10, I C = 30 ma RB R E 2 - Dimensione R B1, R B2, e R E para polarizar o transistor da figura abaixo, conforme os dado fornecidos : : β = 350, V BE = 0,7 V, = 15 V, V CE = /2, V RE = /10, I C = 5 ma, I B = I B2 /2 25
RB1 R B2 R E Referências [1] Laboratório de Eletricidade e Eletrônica, F. G. Capuano e M. A. M. Marino. Ed. Érica [2] Testando Componentes Eletrônicos, L. C. Burgos, Antena Edições Técnicas Ltda. 26