transistores bipolares

transistores bipolares

Centro Tecnológico da ULBRA

UNIDADE DE ENSINO CRISTO REDENTOR

TRANSISTORES BIPOLARES – Prof. Robinson

INTRODUÇÃO: no final de 1947, uma das maiores invenções já realizadas pelo homem, revolucionaria completamente a eletrônica; o transistor bipolar de junção. Seus inventores, Dr. John Bardeen, Dr. William Schocley e Dr. Walter H. Brattain ganharam por esse trabalho, o prêmio Nobel em 1956.

ESTRUTURA E SIMBOLOGIA: o transistor bipolar de junção é um dispositivo de três terminais ligados a uma região interna formada por um cristal de material semicondutor extrínseco, dividido em três partes, com características construtivas e elétricas distintas, sendo duas de mesma polaridade P ou N e a outra de polaridade contrária, isto é, o transistor bipolar pode ser do tipo PNP ou NPN.

A estrutura de camadas é apresentada ao lado. Pode ser verificado que este semicondutor possui três camadas (podendo ser NPN ou PNP) e duas junções (J1 e J2)

Os três terminais de um transistor bipolar recebem o nome de emissor, base e coletor. A figura a seguir mostra a estrutura do transistor bipolar e seus símbolos.

Do emissor são emitidos os portadores de corrente, elétrons ou lacunas, dependendo da polaridade do transistor, com o sentido de atingirem o coletor onde serão coletados, passando através da região de base, que tem a função de controlar o fluxo.

Cada terminal possui uma característica própria.

Emissor - região maior nível de dopagem do transistor. É do emissor de onde partem os portadores de carga, em outras palavras, é o emissor quem define o sentido da corrente, por isto ele possui uma flecha no seu terminal no símbolo do transistor.

Base - região mais estreita e com nível médio de dopagem. Comparada as outras regiões, a base se parece como uma película muito fina. Serve para fazer com que o transistor comece a funcionar.

Coletor - região de maior área e menos dopada do transistor. O coletor tem a maior área, pois é nessa região onde há maior dissipação de energia por efeito Joule. Para transistores de maior potência a região de coletor está ligada a cápsula do transistor.

ANALOGIA A DOIS DIODOS: podemos fazer uma analogia do transistor bipolar de junção com dois diodos, para entendermos alguns aspectos de seu funcionamento, porém não podemos construir nenhum transistor dessa maneira.

A analogia é baseada na estrutura do diodo de junção PN. Do terminal de base para os terminais de emissor ou coletor vemos um diodo PN. Essa analogia é utilizada para o testes e identificação dos terminais do transistor bipolar de junção.

TESTE DO TRANSISTOR: fazendo-se uma analogia com diodos, podemos testar um transistor bipolar e identificar seus terminais. 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.No exemplo a seguir o transistor BD135 é testado com um multímetro digital.

É importante apontar que nem todos os transistores podem ser testados desta forma. Os transistores Darlington podem indicar valores errôneos.

MODOS DE OPERAÇÃO DOS TRANSISTORES BIPOLARES: para um transistor bipolar operar num circuito é necessário que seja convenientemente polarizado. A polarização consiste na fixação de tensões e correntes nos terminais do dispositivo, dentro de seus limites de operação e modo de funcionamento desejado. Existem quatro combinações possíveis de polarização do transistor bipolar de junção, porém somente três são utilizadas. Vamos considerar na análise um transistor NPN, porem o mesmo procedimento poderia ser aplicado a um transistor com polaridade complementar.

Primeira situação de polarização: os diodos equivalentes das junções emissor (BE) e base coletor(BC) são diretamente polarizados.

O circuito equivalente fazendo-se analogia com diodos para essa situação de polarização é mostrado na figura ao lado:

Como os dois diodos BE e BC estão diretamente polarizados, então conduzirão muito bem. Considerando os diodos equivalentes como ideais, o circuito equivalente para essa situação é apresentado abaixo.

A essa situação de polarização chamamos saturação e dizemos que o transistor está saturado quando a polarização entre base e emissor e entre base e coletor é direta. O transistor saturado corresponde a uma chave fechada entre coletor e emissor. Esta configuração é utilizada para acionamento de cargas como se estivéssemos utilizando chaves, como por exemplo, um interruptor para o controle do acendimento de uma lâmpada, para isto, o transistor corresponde a situação de interruptor acionado (saturado) e a lâmpada estaria acesa.

Segunda situação de polarização: os diodos equivalentes das junções base emissor (BE) e base coletor(BC) são reversamente polarizados.

O circuito equivalente fazendo-se analogia com diodos para essa situação de polarização é mostrado na figura ao lado.

Em polarização reversa, os diodos equivalentes não conduzem. A situação de polarização é equivalente aos diodos cortados, como mostra a figura abaixo.

A essa situação de polarização chamamos corte e dizemos que o transistor está cortado quando a polarização entre base e emissor e entre base e coletor é reversa. O transistor cortado, ainda considerando o exemplo anterior do interruptor utilizado para acender ou apagar uma lâmpada, corresponde a situação de chave aberta, isto é, a lâmpada permanecerá apagada se o interruptor se mantiver nesta situação.

A primeira e a segunda forma de polarização é utilizada em circuitos em que o transistor deva funcionar como uma chave. São chamados de circuitos de chaveamento. Podemos utilizar esta topologia para acionar motores, lâmpadas, válvulas, cilindros e etc. As fontes chaveadas também possuem transistores, ou componentes similares, funcionando no regime de corte e saturação.

Terceira situação de polarização: o diodo BE é diretamente polarizado e o diodo BC é reversamente polarizado.

O circuito equivalente fazendo-se analogia com diodo e fonte de corrente para essa situação de polarização é mostrado na figura ao lado.

Uma vez que a polarização do diodo BE é direta então, conduzirá muito bem. Como a base é uma região estreita, as cargas emitidas no emissor, terão condições de chegar próxima a junção BC reversamente polarizada, sendo atraídas pela barreira de potencial formado junto a junção, sendo coletadas no coletor, onde há a dissipação de energia por efeito Joule. Essa situação de operação é conhecida como operação ativa do transistor bipolar de junção, pois o transistor funciona como uma fonte de corrente na malha de coletor onde a corrente passa a ser igual a Ic = . Ie. O efeito de transferência da corrente entre as duas malhas, base emissor e base coletor é chamado efeito transistor. A figura a seguir mostra a analogia com diodos do transistor NPN e o circuito equivalente com o transistor polarizado na região ativa ou linear de operação.

Os circuitos que utilizam transistores operando na região ativa são chamados de circuitos lineares. Um exemplo destes circuitos são os amplificadores de áudio, fontes de alimentação do laboratório de eletrônica e a fonte desenvolvida nesta disciplina. O transistor é utilizado para controlar uma determinada tensão ou corrente de um circuito. O transistor poderá estar ligado em série ou em paralelo, depende apenas da topologia do circuito.

CURVA CARACTERÍSTICA: para uma melhor compreensão das situações de polarização de um transistor é importante analisar a curva característica do transistor. Esta curva indica a tensão entre coletor e emissor versus a corrente que circula pelo emissor. Abaixo é apresentada a curva característica de um transistor qualquer.

Características dos pontos importantes da curva característica de um transistor:

Vce = Vcmáximo

Corte: Ic = 0

Ptransistor = 0 W(P = Vce.Ic)

Vce = 0

Saturação: Ic = Icmáximo

Ptransistor = 0 W (P = Vce.Ic)

Vce ≠ 0

Linear: Ic ≠ 0

Ptransistor ≠ 0 W (P = Vce.Ic)

TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR DE CORRENTE:

Introdução: a corrente de base é uma pequena parcela da corrente de emissor, enquanto a corrente de coletor consiste na sua maior parcela. A figura abaixo apresenta a representação das correntes elétricas em um transistor.

A corrente de base controla a corrente de coletor, temos que pequenas variações na corrente de base provocam grandes variações na corrente de coletor.

Isso significa que o transistor na região ativa é essencialmente um amplificador de corrente. Por isso, o transistor substituiu as válvulas do início do século XX, tornando mais compacto e confiáveis os equipamentos eletrônicos que necessitam de um amplificador. Os equipamentos que utilizam transistores operando como amplificadores são chamados de circuitos lineares, devido a relação linear entre corrente de base e corrente de coletor. Existe uma gama muito grande de dispositivos e equipamentos que utilizam o transistor operando na região ativa, por exemplo: fontes lineares e amplificadores.

Análise do transistor em corrente contínua

Ganho de corrente entre coletor e base- 

No transistor, a relação entre I e IB é denominada ganho de corrente CC, sendo representado por . Portanto:

O valor de  varia conforme cad a tipo de transistor e de suas condições de operação (correte, tensão e temperatura). Existem transistores com  desde 10 até 1000.

Ganho de corrente entre coletor e emissor - 

A corrente entre coletor e emissor é praticamente igual, diferindo apenas pela diferença da corrente de base, a qual é muito pequena. Dizemos que a relação entre corrente de coletor e a corrente de emissor é igual a  (ganho de corrente entre coletor e emissor).

Considerando as seguintes expressões:

Equação 1

Equação 2

Utilizando a Equação 1 para obter uma relação de IE por IC na segunda equação, teremos:

Utilizando a Equação 1 para obter uma relação de IE por IB na segunda equação, teremos:

Estas relações são importantes para determinação das relações entre as correntes e ganhos de um transistor, dados importantes para determinação do ponto de operação e desenvolvimento de projetos transistorizados.

IMPORTANTE

Transistor como fonte de corrente: as fontes de corrente transistorizadas são utilizadas para obter-se uma corrente estabilizada (fixa), mesmo quando alteramos Vcc, ou, ainda, as características da carga. Por exemplo, suponhamos que seja utilizado um transistor operando como chave para controlar a luminosidade de um LED. Seu brilho estaria sujeito as variações de Vcc. A curva característica de operação do transistor, bem como a topologia é apresentado na figura a seguir:

Podemos verificar que se o valor de Vcc alterar, a corrente Ic também irá alterar, de forma similar a Vcc. Este tipo de operação, considerando circuitos mais importantes, ao invés do que o simples brilho de um LED, podem ocasionar falhas ou funcionamento inadequado, portanto, não devem ser utilizados, a menos que desejados como simples chaves.

Ao contrário, podemos utilizar uma outra topologia, conforme apresentado na figura abaixo:

Extraindo a equação da malha da base, teremos:

Isolando a corrente de coletor, teremos:

Extraindo a equação da malha do coletor, teremos:

Considerando que Ic  Ie, teremos:

EXEMPLO: o circuito indicado abaixo é parte de um projeto produzido em grau industrial. O LED pode ter uma queda de tensão entre 1,5 e 2,5 volts. Desenhe a linha de carga e os pontos quiescente para os limites de tensão inferior e superior do LED.

Determinando a corrente Ie:

Analisando a malha da base, teremos:

Vbb = Vbe + Ie . Re

2V = 0,7V + Ie . 100

Ie = 2V – 0,7V

100 

Ie = 13 mA

Analisando a malha de coletor, teremos:

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

Determinando os pontos quiescentes de operação do transistor:

1: considerando Vled = 1,5V

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

Como Ie = 13 mA, teremos:

5V = 1,5 + Vce + 13.10-3 . 100

Vce = 2,2V

Portanto, teremos o ponto Q em:

Q

Ic = 13 mA

Vce = 2,2 V

Traçando a reta de carga:

Saturação: Vce = 0V para achar Ic

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

5V = 1,5 + 0V + Ie .100

Considerando Ie = Ic, teremos:

Ic = (5V – 1,5V) / 100

Ic = 35 mA

Corte: Ic = 0V para achar Vce

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

5V = 1,5 + Vce + Ie . 100

Considerando Ie = Ic, teremos:

5V = 1,5 + Vce + Ic . 100

5V = 1,5 + Vce

Vce = 3,5 V

Apresentando a reta de carga, teremos:

2: considerando Vled = 2,5V

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

Como Ie = 13 mA, teremos:

5V = 2,5 + Vce + 13.10-3 . 100

Vce = 1,2V

Portanto, teremos o ponto Q em:

Q

Ic = 13 mA

Vce = 1,2 V

Traçando a reta de carga:

Saturação: Vce = 0V para achar Ic

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

5V = 2,5 + 0V + Ie .100

Considerando Ie = Ic, teremos:

Ic = (5V – 2,5V) / 100

Ic = 25 mA

Corte: Ic = 0V para achar Vce

Vcc = Vled + Vce + Ie . Re

5V = 2,5 + Vce + Ie . 100

Considerando Ie = Ic, teremos:

5V = 2,5 + Vce + Ic . 100

5V = 2,5 + Vce

Vce = 2,5 V

Colocando as duas curves em um único gráfico, teremos:

CONCLUSÃO: como podemos verificar o transistor alterou o valor da tensão Vce para manter estabilizada a corrente Ic do LED. Portando, mesmo com variações de tensão na carga, a corrente da mesma será constante.

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