O TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR Introdução Entre 1904 (inversão da válvula) e 1947 (inversão do transistor), a válvula era sem dúvida o dispositivo eletrônico de maior interesse da indústria de eletrônica. Porém em 23 de dezembro de 1947, nos Laboratórios da Beel Telephone, Jonh Bardeen e Walter H. Brattain, apresentavam um dispositivo de estado sólido de três terminais o transistor de junção. Suas vantagens sobre a válvula eram inegáveis. Em setembro de 1951, a Bell anuncia a criação do transistor. A partir daí começava uma indústria bilionária dos semicondutores. O primeiro transistor Estrutura física do transistor O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor como o diodo, porém possui de três terminais, sendo duas camadas de material tipo "N" e uma de tipo "P" ou de duas de material tipo "P" e uma de tipo "N". Formando assim os transistores NPN e PNP. Transistor NPN Transistor PNP Conceitos básicos Emissor é constituído por semicondutor densamente dopado; sua função é emitir elétrons, ou injetar elétrons na base. Base é um semicondutor levemente dopado e muito fino; permite que a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passe para o coletor. Coletor Junta ou coleta os elétrons que vem da base, é a parte mais extensa das três portanto dissipa mais calor. O transistor e sua representação Com a construção física já estamos familiarizados, agora devemos conhecer e identificar de maneira esquemática e real cada um dos terminais presentes no transistor seja ele NPN ou PNP. Representação real Vejamos a simbologia utilizada. 1
Polarização do transistor Polarizando o transistor de forma adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações. Polarização direta - direta Estando as junções base-emissor e base coletor diretamente polarizada a corrente que circula por essas junções serão altas e o transistor funciona na região de saturação. Polarização reversa - reversa Polarizando reversamente as junções PN, haverá uma baixa circulação de corrente que será considerada nula em fins práticos e o transistor funciona na região de corte. Polarização direta - reversa O efeito transistor Nesse tipo de polarização o inesperado acontece, pois estamos esperando uma baixa corrente na junção base-coletor por estar reversamente polarizada, porém isso não ocorre o fluxo de elétrons injetados pelo emissor penetram na base que é muito fina e chegam ao coletor. Nota: A polarização direta reversa é a de maior interesse no estudo do transistor, portanto para garantir o efeito transistor é necessário polarizar corretamente as suas junções, vejamos a ilustração: Junção base emissor deve ser polarizada diretamente Junção base coletor deve ser polarizada reversamente Nota: Nas representações acima utilizamos o fluxo convencional da corrente elétrica. Esse tipo de polarização deve ser utilizado para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele NPN ou PNP. 2
Uma explicação simplificada Os elétrons injetados no emissor, após romper a barreira de potencial 0,7 V conseguem chegar na base. Chegando há dois caminhos, cerca de 5% se deslocam em direção a fonte VBB, e o restante, 95% chegam ao coletor. Nota: Na maioria dos transistores mais de 95% dos elétrons que são injetados no emissor chegam a ao coletor. Analise de correntes e tensões no transistor Quando um transistor é polarizado corretamente, haverá um fluxo de corrente, através das junções e que se difundirá pelas camadas formadas pelos cristais P ou N. Para analise em transistores usaremos o sentido convencional da corrente elétrica, ou seja, o contrário do fluxo de elétrons. Transistor NPN Transistor PNP Aplicando-se a lei de Kirchhoff das correntes (LKC), obtemos: IE = IC + IB Para facilitar a analise representaremos as tensões através de setas onde, a ponta da seta aponta sempre para o potencial mais positivo, ou seja, contrário da corrente. Transistor NPN Transistor PNP Aplicando-se a lei de Kirchhoff das tensões (LKV), obtemos: Vce = Vcb + Vbe A junção base-emissor polarizada diretamente, representa uma região de baixa impedância. A tensão de polarização base-emissor é aproximadamente 0,7 V para transistores de silício. 3
Parâmetros α DC e β DC A quantidade de corrente que chega no coletor proveniente do emissor depende do tipo de material e dopagem do emissor. Essa quantidade de corrente varia de acordo com o tipo de transistor. Alfa é a quantidade de elétrons que saem do emissor e conseguem chegar ao coletor. Os valores típicos de α variam de 0,9 a 0,99. Isto significa que parte da corrente do emissor não chega ao coletor. Matematicamente, podemos dizer que α ( Alfa ) é a relação entre IC e IE, com a tensão coletor base constante. Vamos a um exemplo: Qual é a corrente de emissor de um transistor com α = 0.95, sabendo-se que a corrente de coletor é 2mA? Isso significa que 2,1 ma saem do emissor 0,1 ma fica na base e 2mA chega ao coletor. Uma vez que a maioria dos elétrons que saem do emissor chegam ao coletor, ficando somente uma minoria na base, aproximaremos, a fim de facilitar a análise teórica, o valor de alfa para 1 significando que 100% da corrente que sai do emissor chega ao coletor. Matematicamente teremos que : IC = IE Beta Na maioria dos transistores menos de 5% dos elétrons produz a corrente de base IB; portanto βdc será sempre maior que 20, ou seja, a corrente de coletor será 20 vezes maior que a corrente de base. Matematicamente, Beta é a relação entre a corrente de coletor e a corrente de base, com VCE constante. Vamos a um exemplo: Um transistor BC548 possui um beta mínimo especificado em 110. Qual é a mínima corrente de coletor, sabendo-se que a corrente de base é 100µA? IC = IB. β IC = 100µA.110 = 11mA Relacionando αdc e βdc A figura ao lado ilustra o fluxo de corrente em um transistor NPN, observando atentamente as correntes e sendo conhecedor das Leis de kirchhoff ( LKC ), podemos escrever : IE = IC + IB 4
Dividimos ambos os lados por IC, então; Simplificando: Note que antes da igualdade temos o inverso de αdc e após temos βdc então, podemos reescrever a equação: Com um pouco de álgebra temos: α em função de β β em função de α Exemplos: a) Um transistor possui um fator α = 0,92. Qual é o fator β? β = α / ( 1 - α ) β = 0,92 / ( 1 0,92 ) β = 0,92 / ( 0,08 ) β = 11,5 b) Um transistor possui um fator β = 100. Qual é o fator α? α = 100 / ( 100 +1 ) α = 100 / ( 101 ) α = 0,99 Funcionamento básico do transistor Para entendermos o funcionamento do transistor, devemos conhecer suas características elétricas, ou seja, a relação entre as tensões e correntes presentes em seus terminais. Uma das formas de entender as relações entre tensões e correntes envolvidas na polarização do transistor bipolar é através de um circuito bastante simples. Vejamos: O potenciômetro serve para controlar a tensão VBB e consequentemente a intensidade da corrente de base. Inicialmente faremos com que a corrente IB seja igual a 0 (zero), observe que o LED esta apagado. 5
Região de corte Aumentando gradativamente a tensão VBB, até o instante em que alcançarmos aproximadamente 0,7 V o LED continua apagado. Essa é a nossa primeira região de operação do transistor a região de corte. Região Linear Após rompermos a barreira dos 0,7 V o transistor começa a conduzir e o LED acende. A medida que, aumentamos a corrente de base o brilho do LED vai ficando mais intenso, até o momento em que o brilho estabiliza. A essa região compreendida entre a menor corrente necessária para acender o LED e corrente necessária para atingir a estabilidade, damos o nome de região Linear. Região de saturação Após a corrente de coletor atingir a estabilidade não adianta mais aumentarmos a corrente de base, pois o transistor esta operando na região de saturação. Curvas características Outra maneira de se obter as relações O circuito Teste entre tensões e correntes envolvidas na polarização do transistor bipolar é através de curvas características, que nem sempre estão nos manuais, mas podem ser obtidas através de um traçador de curvas do transistor, ou através do circuito teste ao lado, o qual permite traçar curvas em gráficos (Ib x Vbe) e (Ic x Vce). A analise é semelhante a do exemplo anterior. O transistor só começa a conduzir após aproximadamente 0,7 V, isso nos permite traçar a curva da base em função de VBE. Curvas da base IB = f (VBE) A junção base emissor de um transistor, se assemelha a um diodo, então a curva que encontraremos será parecida com a curva do diodo. Lembre-se é uma curva exponencial e para fins de cálculo usamos 0,7 V, como o ponto limiar de condução. 6
Curvas do coletor IC = f (VCE) Se fixarmos a corrente de base em 10µA, teremos uma corrente de coletor de 2mA, se a corrente de base for 20µA a corrente de coletor será 4mA, ou seja, à medida que, IB aumenta IC aumenta. A razão desse aumento é o βdc visto anteriormente. Curvas do ganho de corrente O βdc do transistor também é chamado de ganho de corrente, não é fixo, varia bastante isso ocorre devido ao aquecimento que a corrente de coletor gera em suas junções. Esse aumento de temperatura altera os parâmetros do transistor, portanto devemos polarizar o transistor de maneira que fique imune as variações de β. Dissipação de potência O transistor aquece então uma potência será dissipada e como o coletor é a maior parte do transistor a potência dissipada sobre será a mais importante, e pode ser dada pelo produto entre IC e VCE. PD = IC. Vce A quantidade de potência dissipada também pode classificar e definir o tipo de encapsulamento dos transistores. Vejamos: Transistores de baixa potência: São pequenos e não suportam muito calor. Transistores de média potência: São maiores que o anterior e muitos vêm com um furo onde pode ser parafusado um dissipador de calor. Transistores de alta potência: Tem o corpo grande, são envoltos por uma carcaça que suporta grandes temperaturas. Sempre são acompanhados de dissipadores de calor. 7
O dissipador de calor é uma placa metálica que deve ser afixada em transistores de média e alta potência, a fim de aumentar a de dissipação de calor. Para evitar que falhas de contato entre as superfícies e sujeira prejudiquem a transferência de calor é aconselhável espalhar entre o transistor e o dissipador uma pasta térmica. O gráfico abaixo ilustra as principais regiões do transistor incluindo a curva da potência. www.clubedaeletronica.com.br Estamos todos num mesmo barco, em mar tempestuoso, e devemos uns aos outros uma terrível lealdade. G.K.Chesterton Referências bibliográficas Malvino, A.P. Eletrônica - volume I. São Paulo: McGraw Hill, 1987. Boylestad, R. e Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Rio de Janeiro: Prentice-Hall, 1994. Marcus, O. Circuitos com diodos e Transistores. São Paulo: Érica, 2000 Lalond, D.E. e Ross, J.A. Princípios de dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo: Makron Books, 1999. Site: http://paginas.terra.com.br/educacao/almeida Site: http://personales.com/brasil/saopaulo/ezewebsite 8