Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II Aula 02 Revisão: transistores BJT Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino https://giovanatangerino.wordpress.com giovanatangerino@ifsp.edu.br giovanatt@gmail.com
TRANSISTORES PRINCIPAIS APLICAÇÕES Chaveamento Amplificação Fonte de corrente constante (CCS) Acionador de relé Portas lógicas Pequenos sinais Misturador de áudio Pré amplificador Gerador de ruído aleatório Etc... TIPOS mais utilizados BJT 1947 Shockley, W., Water H. Brattain e John Bardeen FET JFET MOSFET tipo depleção MOSFET tipo intensificação
TRANSISTORES BJT BJT (Bipolar Junction Transistor) ou TBJ (Transistores Bipolares de Junção) dispositivo semicondutor de 3 camadas: PNP ou NPN Bipolar: lacunas e elétrons participam do processo de injeção no material com polarização oposta. Unipolar: se apenas um portador é empregado (elétron ou lacuna) (ex. diodo Schottky). E: emissor C: coletor B: base A seta define o sentido convencional do fluxo de corrente no emissor. Sempre de P para N. PNP: Apontado para dentro NPN: Não apontado para dentro Sentidos de corrente: fluxo convencional (de lacunas). n p n p n p
TRANSISTORES BJT I E = I C + I B I E é sempre a maior corrente I B é sempre a menor corrente pnp npn I E e I C : da ordem de miliamperes I B : da ordem de microampères I C I E α = I C I E α = β β + 1 V BE = 0,7 V I C = β. I B β = I C I B β = α 1 α I E = β + 1 I B α 1 β: indica o fator de amplificação (ganho) entre a corrente de base e a corrente de emissor Valor próprio para cada tipo de transistor Nas folhas de especificações (datasheets):): β cc = h FE e β ca = h fe Na prática β varia geralmente de 50 a mais de 400, estando a maioria no meio dessa faixa
BJT CONFIGURAÇÕES BÁSICAS npn - Terminal comum tanto na entrada como na saída da configuração. - Normalmente é o terminal cujo potencial está mais próximo do potencial GND (terra) ou está efetivamente em GND. Curva característica de entrada - Parâmetros de entrada (ponto de acionamento) - Relaciona uma corrente de entrada com uma tensão de entrada para diversos valores de tensão de saída. Curva característica de saída - Parâmetros de saída (ponto de operação) - Relaciona uma corrente de saída com a tensão de saída para diversos valores de corrente de entrada
CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM
CONFIGURAÇÕES BÁSICAS: BASE COMUM Características: - Baixa impedância de entrada (junção polarizada diretamente na entrada) - Alta impedância de saída (Junção polarizada reversamente na saída) - Amplificação corrente (I C /I E ) é sempre menor do que 1 um (I C =αi E ) - Amplificação de tensão variam de 50 a 300 vezes - Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada - Permite a realização de fontes de corrente bastante independentes da tensão que aparece sobre elas. - Ação amplificadora: Transfere corrente I do circuito de baixa resistência para um circuito de alta resistência. Base comum Curva característica de entrada - I E x V BE - V CB Curva característica de saída - I C x V CB - I E corrente de entrada (I E ) tensão de entrada (V BE ) corrente de saída (I C ) tensão de saída (V CB )
CONFIGURAÇÕES BÁSICAS: BASE COMUM Curva característica de entrada Transistor no estado ligado (ativo) tensão de entrada: V BE = 0,7V p/ transistor de silício Para valores fixos de tensão de saída (V CB ), à medida que aumenta a tensão de entrada (V BE ), a corrente de entrada (I E ) aumenta. I E x V BE / V CB
CONFIGURAÇÕES BÁSICAS: BASE COMUM Curva característica de saída - Região ativa: - linearidade (amplificação) I C I E - Curvas de corrente de entrada (I E ) retas e igualmente espaçadas - Região de corte: corrente de saída (I C ) é praticamente zero quando a corrente de entrada (I E ) é zero - Região de saturação: À esquerda da tensão de saída (V CB ) igual a zero p/ transistor de silício I C x V CB / I E
CONFIGURAÇÃO EMISSOR-COMUM
BJT CONFIGURAÇÃO EMISSOR-COMUM É a configuração mais utilizada Características: - Impedância de entrada: média a baixa - Impedância de saída: alta - Amplificação de tensão: elevado - Amplificação de corrente: elevado - Defasagem entre o sinal de saída e o de entrada - O mais utilizado em projetos de Cis - Características de ganho de corrente, ganho de tensão, impedância de entrada e impedância de saída bastante flexíveis e úteis. corrente de entrada (I B ) tensão de entrada (V BE ) corrente de saída (I C ) tensão de saída (V CE ) Emissor comum Curva característica de entrada - I B x V BE - V CE Curva característica de saída - I C x V CE - I B
BJT CONFIGURAÇÃO EMISSOR-COMUM Curva característica de entrada I B x V BE / V CE
BJT CONFIGURAÇÃO EMISSOR-COMUM - Curva característica de saída - Região ativa: amplificação de tensão, corrente ou potência. - região em que as curvas de corrente de entrada (I B ) são praticamente retas e estão igualmente espaçadas - A tensão de saída (V CE ) influencia sobre a corrente de saída (I C ): as curvas da corrente de entrada (I B ) na configuração emissor-comum não são tão horizontais como as curvas da corrente de entrada (I E ) da configuração base-comum - Região de corte: corrente de saída (I C ) não é zero quando a corrente de entrada (I B ) é zero I C x V CE / I B
CONFIGURAÇÃO COLETOR-COMUM
CONFIGURAÇÕES BÁSICAS: COLETOR COMUM Baseado nas curvas do emissor-comum
BJT CONFIGURAÇÃO COLETOR-COMUM - Impedância de entrada: alta - Impedância de saída: baixa (Oposto das configurações base-comum e emissor-comum) - Amplificação de tensão: menor ou igual a 1 - Amplificação de corrente: elevado - Conhecido como seguidor de emissor - Para projeto: utilizam-se as curvas características da configuração emissor-comum - Utilizada principalmente para o casamento de impedância - Utilizada como buffer, que funciona como um estágio de reforço entre a alta impedância da fonte de sinal e a baixa impedância da carga Coletor comum Curva característica de entrada - I B x V BC - V EC Curva característica de saída - I E x V EC - I B Corrente de entrada: I B Tensão de entrada: V BC Corrente de saída: I E Tensão de saída: V EC
BJT POLARIZAÇÃO CC - Ponto quiescente (Q) ou ponto de operação - O circuito de polarização pode ser projetado para estabelecer a operação do dispositivo. Transistor saturado: chave fechada (curto) do coletor para o emissor. Transistor cortado: chave aberta do coletor para o emissor. Transistor ativo: normalmente empregada para amplificadores lineares (não-distorcidos)
BJT MODOS DE OPERAÇÃO Modos de Operação Junção EB Junção CB Corte Reversa Reversa Transistor cortado: chave aberta. n p n E B C + - - + Ativo Direta Reversa Polarização direta: p ligado no maior potencial n ligado no menor potencial Polarização reversa p ligado no menor potencial n ligado no maior potencial Transistor ativo: amplificadores lineares. n p n E B C - + - + Saturação Direta Direta Transistor saturado: chave fechada (curto) n p n E B C - + + -
TRANSISTORES BJT LIMITES DE OPERAÇÃO Valor máximo de dissipação de potência para configuração emissor-comum: P Cmáx = V CE I C configuração base-comum: P Cmáx = V CB I C Configuração emissor-comum Se as características não estiverem disponíveis deve-se assegurar: I CEO I C I Cmáx V CEsat V CE V CEmáx V CE I C P Cmáx Para cada transistor existe uma região de operação nas curvas características que garante que os limites para o transistor não serão excedidos e que o sinal de saída terá um mínimo de distorção.
Amplificação CA
CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
Antoine Lavoisier: Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma
CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO: principais tipos de polarização CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO FIXA CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO POLARIZAÇÃO CC COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO
Análise de circuito de POLARIZAÇÃO CC dobjt 1) Isolar valores CC de CA: substituir capacitores por circuito aberto equivalente. (teorema da superposição) 2) Análise do circuito de polarização CC: Análise da malha de entrada: Encontrar a corrente de base I B. Na maioria dos casos, a corrente de base I B é a primeira quantidade a ser determinada. Então as equações básicas de um transistor podem ser aplicadas para encontrar os parâmetros restantes de interesse: I E = (β + 1)I B I C I C = βi B Para o transistor no estado ativo, o V BE é 0,7V para qualquer valor de I E, que é controlada pelo circuito externo Análise da malha de saída: Encontrar a reta de carga relação entre tensão de saída (V CE ) e corrente de entrada (I) Soma de tensões da malha de saída Reta de carga: é o lugar geométrico de todos os pontos quiescentes possíveis para uma determinada polarização 3) Determinação do ponto de operação ou ponto quiescente (Q): intersecção entre a curva característica de saída e a reta de carga (Existem duas formas de resolução: matemática ou gráfica (reta de carga))
Reta de carga - Reta de carga: é o lugar geométrico de todos os pontos quiescentes possíveis para uma determinada polarização - A linha resultante é a reta de carga: definida pelo resistor de carga R C.
Reta de carga
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO FIXA Estudo para transistor npn No caso de uso de transistor pnp: simplesmente inverter os sentidos das correntes e polaridades das tensões
CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO FIXA Malha base-emissor (entrada): Análise cc: isolada dos valores ca substituindo os capacitores por circuito aberto equivalente Equivalente cc: Polarização direta da junção base-emissor +V CC I B R B V BE = 0 I B = V CC V BE R B Lembrar: V BE = 0,7 V Malha coletor-emissor Lembrar: I C = βi B +V CC V CE I C R C = 0 V CE = V CC I C R C Malha coletor-emissor (saída): Observar que: 1) a corrente de base é controlada pelo valor de R B. 2) I C está relacionada com I B por uma constante beta. 3) O valor de I C não é função da resistência R C. 4) Modificando-se o valor de R C, os valores de I B e I C não serão afetados (desde que dispositivo na região ativa).
CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO FIXA ANÁLISE POR RETA DE CARGA Reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos quiescentes possíveis para uma determinada polarização Traçar reta da equação V CE = V CC I C R C sobre a curva característica de saída por dois pontos: I C = 0 V CE = V CC IC =0mA V CE = 0 I C = V CC R C VCE =0V A linha resultante é a reta de carga: definida pelo resistor de carga R C. I CQ e V CEQ : intersecções das projeções do ponto Q nos eixos da curva característica.
CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO FIXA SATURAÇÃO DO TRANSISTOR Saturação: sistema no qual os níveis alcançaram seus valores máximos (uma esponja saturada não é capaz de reter mais nenhuma gota de líquido) Transistor operando na região de saturação: corrente de coletor apresenta um valor máximo (chave fechada) Modificando-se o projeto, o nível de saturação pode aumentar ou diminuir Nível máximo de saturação: definido pela corrente máxima de coletor fornecida pelo datasheet Junção base-coletor não está mais polarizada reversamente: sinal amplificado de saída distorcido. Corrente de coletor máxima aproximada (nível de saturação): Inserir curto-circuito equivalente entre o coletor e o emissor do transistor no circuito de polarização fixa e calcular a corrente de coletor resultante. I Csat = V CC R C conhecendo I Csat, sabemos a corrente máxima possível do coletor para o projeto escolhido, e sabemos o nível máximo a ser atingido quando se espera uma amplificação linear
Inversão de fase Inversão de fase de tensão (180 o ) na amplificação para a configuração emissor-comum I B I C = βi B V i V CC =20V R B R C I C I B V CE V V RC RC V o V CE 20 15 10 5 0 20 15 10 5 0 V CC = V CE + I C R C t t Lei de Ohm V=Ri
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR Contém resistor de emissor: melhora o nível de estabilidade da configuração com polarização fixa Permite que as correntes e tensões cc permanecem próximas aos valores estabelecidos pelo circuito sob modificações nas condições externas, como a temperatura e o beta do transistor.
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR Malha base-emissor (entrada) +V CC I B R B V BE I E R E = 0 I B = V CC V BE R B +(β+1)r E Lembrar: I E = (β + 1)I B Diz-se que o resistor R E é refletido para o circuito de entrada por um fator (β + 1). Como β é geralmente 50 ou mais, o R E aparenta ser muito maior no circuito de entrada. Portanto, a impedância de entrada refletida é: R i = (β + 1)R E Malha base-emissor (entrada): Circuito derivado da equação de I B Malha coletor-emissor (saída) +V CC V CE I C R C I E R E = 0 Lembrar que: I E I C V CE = V C V E V E = I E R E Malha coletor-emissor (saída): Valor da impedância R E refletida: V CE = V CC I C (R C + R E ) V C = V CC I C R C V B = V CC I B R B V B = V BE + V E
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR ANÁLISE POR RETA DE CARGA I B = V CC V BE define o valor de I R B +(β+1)r B na E curva característica Com base em V CE = V CC I C (R C + R E ) determinar os dois pontos: Para I C = 0 V CE = V CC IC =0mA Para V CE = 0 I C = V CC R C +R E VCE =0V I CQ e V CEQ : intersecções das projeções do ponto Q nos eixos da curva característica.
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO ESTÁVEL DO EMISSOR NÍVEL DE SATURAÇÃO da corrente de coletor Corrente de coletor máxima aproximada (nível de saturação): Inserir curto-circuito equivalente entre o coletor e o emissor do transistor no circuito de polarização fixa e calcular a corrente de coletor resultante. V CE =0V. I Csat = I Cmáx = V CC R C +R E O resistor do emissor diminui o valor do nível do saturação do coletor comparado com a configuração com polarização fixa.
FORMULÁRIO
FORMULÁRIO POLARIZAÇÃO CC do BJT V BE = 0,7 V I E = I C +I B I E = (β + 1)I B I C = βi B I E I C Polarização fixa: I B = V CC V BE R B V CE = V CC I C R C I Csat = V CC R C Emissor estabilizado: I B = V CC V BE R B +(β+1)r E R i = (β + 1)R E V CE = V CC I C (R C + R E ) I Csat = V CC R C +R E Polarização CC com realimentação de tensão I B = V CC V BE R B +β(r C +R E ) I C I C I E V CE = V CC I C (R C + R E ) Polarização por divisor de tensão Exata: R Th = R 1 R 2 E Th = V R2 = R 2V CC R 1 +R 2 E Th V BE I B = R Th +(β+1)r E V CE = V CC I C (R C + R E ) Aproximação: Teste βr E 10R 2 V B = R 2V CC R 1 +R 2 V E = V B V BE I C I E = V E R E V CE = V CC I C (R C + R E )
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO POR DIVISÃO DE TENSÃO
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO Circuito de polarização menos dependente, ou independente, de β do transistor beta do transistor é sensível à temperatura, principalmente em transistores de silício, e o valor exato de beta geralmente não é bem definido O valor I BQ é modificado pela variação do β, mas o ponto de operação nas curvas características definidos por I CQ e V CEQ poderão permanecer fixos
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO MÉTODO EXATO Malha base-emissor Substituir o circuito à esquerda do terminal da base pelo circuito Equivalente de Thévenin: R Th = R 1 R 2 E Th = V R2 = R 2 R 1 +R 2 V CC E Th I B R Th V BE I E R E = 0 I B = Lembrar: I E = (β + 1)I B E Th V BE R Th +(β+1)r E Malha coletor-emissor Do mesmo modo que para o circuito de polarização estável do emissor V CE = V CC I C (R C + R E ) V C = V CC I C R C V B = V CC I B R B V B = V BE + V E
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO MÉTODO APROXIMADO Permite uma análise mais direta, mais rápida. Só pode ser utilizado se condições específicas forem satisfeitas βr E 10R 2 Se βr E for 10 vezes maior que R 2 o método aproximado pode ser aplicado com alto grau de precisão nos resultados Considere a seção de entrada do divisor de tensão como na figura R i = (β + 1)R E βr E R i R 2 I B I 1 I 1 I 2 R 1 e R 2 podem ser considerados resistores em série Então V B = R 2 R 1 +R 2 V CC Lembrar que: V E = V B V BE I E = V E R E I C Q I E I C Q V B V BE R E Malha coletor-emissor +V CC V CE I C R C I E R E = 0 V CE Q = V CC I C (R C + R E ) β e I B : não foram calculados: Portanto, o ponto quiescente é independente do valor de β
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO ANÁLISE POR RETA DE CARGA Para I C = 0 V CE = Para V CE = 0 I C = V CC IC =0mA V CC R C +R E VCE =0V
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO NÍVEL DE SATURAÇÃO da corrente de coletor Corrente de coletor máxima aproximada (nível de saturação): Inserir curto-circuito equivalente entre o coletor e o emissor do transistor no circuito de polarização fixa e calcular a corrente de coletor resultante. V CE =0V. I Csat = I Cmáx = V CC R C +R E
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO
POLARIZAÇÃO CC COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO Melhora na estabilidade Apesar do ponto quiescente não ser totalmente independente de beta, a sensibilidade a variações de beta ou da temperatura é geralmente menor do que aquela existente em configurações com divisor de tensão e emissor polarizado.
Malha base-emissor +V CC I C R C I B R B V BE I E R E = 0 I C = I C +I B Como I C I B e I C I B Pode-se considerar: I C I C Lembre-se I C = βi B I E I C V CC V BE R B +β(r C +R E ) A realimentação resulta na reflexão da resistência R C para o circuito de entrada, assim como a resistência R E. I B = POLARIZAÇÃO CC COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO Como I C = βi B I C Q = β(v CC V BE ) R B +β(r C +R E ) Em geral, quanto maior o produto β(r C + R E ) em relação a R B, menor é a sensibilidade de I C a variações de beta Q Malha coletor-emissor I E R E + V CE + I C R C V CC = 0 Como I C I C e I E I C V CE = V CC I C (R C + R E )
POLARIZAÇÃO CC COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO ANÁLISE POR RETA DE CARGA Utilizando a aproximação I C I C Para I C = 0 V CE = Para V CE = 0 I C = V CC IC =0mA V CC R C +R E VCE =0V O valor de I B Q será definido pela configuração de polarização escolhida
POLARIZAÇÃO CC COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO NÍVEL DE SATURAÇÃO da corrente de coletor Utilizando a aproximação I C I C Corrente de coletor máxima aproximada (nível de saturação): Inserir curto-circuito equivalente entre o coletor e o emissor do transistor no circuito de polarização fixa e calcular a corrente de coletor resultante. V CE =0V. I Csat = I Cmáx = V CC R C +R E
FORMULÁRIO
FORMULÁRIO POLARIZAÇÃO CC do BJT V BE = 0,7 V I E = I C +I B I E = (β + 1)I B I C = βi B I E I C Polarização fixa: I B = V CC V BE R B V CE = V CC I C R C I Csat = V CC R C Emissor estabilizado: I B = V CC V BE R B +(β+1)r E R i = (β + 1)R E V CE = V CC I C (R C + R E ) I Csat = V CC R C +R E Polarização CC com realimentação de tensão I B = V CC V BE R B +β(r C +R E ) I C I C I E V CE = V CC I C (R C + R E ) Polarização por divisor de tensão Exata: R Th = R 1 R 2 E Th = V R2 = R 2V CC R 1 +R 2 E Th V BE I B = R Th +(β+1)r E V CE = V CC I C (R C + R E ) Aproximação: Teste βr E 10R 2 V B = R 2V CC R 1 +R 2 V E = V B V BE I C I E = V E R E V CE = V CC I C (R C + R E )
LINKS BJT http://www.learnabout-electronics.org/downloads/fig316_bjt_operation.swf JFET http://www.learnabout-electronics.org/downloads/fig3116_new.swf http://wwwg.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/loader.swf?device=jfet.swf E-MOSFET http://wwwg.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/loader.swf?device=mosfet.swf
TRANSISTORES Links sobre processo de fabricação https://www.youtube.com/watch?v=cvhxnuixy4i http://www.tecmundo.com.br/intel/8103-veja-como-sao-produzidos-osprocessadores.htm https://www.youtube.com/watch?v=gbakxvsaeiw https://www.youtube.com/watch?v=35jwsqxku74
BIBLIOGRAFICA BÁSICA ALMEIDA, J.L.A. Dispositivos semicondutores: tiristores. 9 ed. São Paulo: Erica, 2005. BOYLESTAD, R.L.; NASHELSK, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. MALVINO, A.P. Eletrônica. v. 2. São Paulo: McGraw-Hill, 1987. BIBLIOGRAFICA COMPLEMENTAR ALBUQUERQUE, R.O. Utilizando eletrônica com AO, SCR, TRIA, Ci 555, LDR, Led, Fet, LGBT. São Paulo: Érica, 2009. LANDER, C.W. Eletrônica industrial: teoria e aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1988. ALMEIDA, J.L.A. Eletrônica industrial. São Paulo: Érica, 1985. ALMEIDA, J.L.A. Eletrônica de potência. São Paulo: Érica, 1986. AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Prentice Hall, 2000.