eletrônica aplicada - elt 9 o transistor bipolar

eletrônica aplicada - elt 9 o transistor bipolar

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

O nome transistor vem da junção das palavras “transferir” e “resistor” que significa transferência de resistência.

O termo bipolar resulta do fato do funcionamento deste tipo de transistor envolver portadores de cargas positivas (lacunas) e portadores de cargas negativas (elétrons).

estrutura, o PNP e o NPN dependendo de qual região é a intermediária
TRANSISTOR NPNTRANSISTOR PNP
JUNÇÃO B/EJUNÇÃO B/C JUNÇÃO B/E JUNÇÃO B/C
EMISSOCOLETOR EMISSOR COLETOR
NP N P N P
EC E C
BASEBASE
BB

O transistor bipolar é formado pela justaposição de materiais semicondutor tipo P e tipo N, obtendo-se dois tipos de

EMISSOR É densamente dopado; sua função é injetar portadores de carga na base.

É levemente dopada e muito fina; ela permite que a maioria dos portadores de carga injetados pelo emissor passe para o coletor.

Possui uma dopagem intermediária, entre a dopagem densa do emissor e a dopagem fraca da base; sua função é coletar os portadores de carga que vêm da base. A região do coletor é a mais extensa das três e deve dissipar mais calor que a base e o emissor.

O transistor possui duas junções, uma entre o emissor e a base, e outra entre a base e o coletor. A difusão dos portadores de carga através da junção produz duas camadas de depleção, o potencial de barreira é aproximadamente igual a 0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio na temperatura de 25º C.

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ELIÉSIO 2

A junção base emissor deve ser polarizada diretamente. Neste caso, a junção funciona como um diodo polarizado diretamente, ou seja, circula por ela uma grande corrente de portadores majoritários que são injetados pelo emissor na região da base (elétrons no NPN e lacunas no PNP). Existe uma pequena corrente em sentido contrário devido aos portadores minoritários. Esta corrente é chamada de corrente de fuga.

NP N P N P
E − − − − − −C E + + + + + + C
− − − − − − −+ + + + + +
+
BB
IBPortador minoritário IB Portador minoritário
−VEBVEB

A junção base coletor deve ser polarizada inversamente. Neste caso a barreira de potencial aumenta, diminuindo a corrente dos portadores majoritários. Porém, os portadores minoritários atravessam a barreira com facilidade no sentido contrário, fazendo circular uma pequena corrente reversa.

NP N P N P
EC E C
BB
Portadores minoritáriosPortadores minoritários
VCB−VCB

Aplicando-se as duas polarizações temos uma grande emissão de portadores majoritários na região da base. Como a base é fracamente dopada e fisicamente bem pequena, só uma pequena quantidade de portadores é absorvida pela base. Devido à atração maior exercida pelo coletor, a grande maioria dos portadores atravessa a junção base coletor e se dirigem para o coletor.

NP N P N P
− − − − − − − − − − − − − − − − − − − −+ + + + + + + + ++ + + + + + ++ +
− − − − − − − − − − − − − − − − − − − − −+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +
− − − − − − − − − − − − − − − − − − − −+ + + + + + + + ++ + + ++ + + + +
− − − −− − + + + + + +
IEIB IC IE IB IC

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ELIÉSIO 3

Para compreender por que os portadores se dirigem menos à base e mais para o coletor, basta lembrar que a base é mais estreita que o emissor e o coletor menos dopado que o emissor. Assim, os portadores que vêm do emissor saturam a base rapidamente através das recombinações, fazendo com que eles se dividam da seguinte maneira:

Uma pequena parte dos portadores de carga injetada pelo emissor, · 2% sai pelo terminal de base, formando a corrente de base. E o maior parte dos portadores injetados pelo emissor, · 98% é atraído pelo coletor, formando a corrente de coletor.

Para análise de funcionamento do transistor bipolar tomaremos como base o transistor PNP, o transistor NPN terá sua análise feita em forma de exercício.

Inicialmente, polarizamos a primeira função diretamente, para isto é colocado um resistor de emissor (RE) para limitar a corrente e um miliamperímetro que irá indicar a quantidade de portadores injetados.

PN P
MEIE
EB C
MBIE>>>IB
+

Teremos neste caso uma junção polarizada diretamente e uma grande corrente de portadores majoritários sendo injetados na região da base. Esta corrente é limitada pelo resistor RE, já que a junção polarizada diretamente apresenta baixa resistência.

Como sabemos a base é bem menor que o emissor e fica saturada de portadores majoritários, pois a corrente de base é muito menor que a corrente de coletor.

A segunda junção é polarizada inversamente através de um resistor de coletor (RC). O alto campo eletrostático aplicado entre coletor e base (VCB) irá atrair os portadores majoritários fazendo fluir pelo coletor uma grande corrente.

PN P
MEIE IC MC IE = IB + IC
EB C
IBExemplo:
RERC IC = I mA
MBIE>>>IB IB = 0.02 mA

IC = 0,98 mA

+− + −

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ELIÉSIO 4

Para se entender o fato de a corrente no terminal do coletor ser praticamente igual à corrente no terminal do emissor, a despeito da polarização reversa da junção coletor-base, notamos que as lacunas abundantes agora na região N, pois a grande maioria não poderá ser absorvida pela base, serão atraídas pelo campo negativo aplicado no coletor.

PN P
IE=1mA+ + + + + + ++ IC = 0,98 mA
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
RERC

IB = 0.02 mA

+− + −
VEEVCC
sentido, elétrons se deslocam em sentido contrário

Nesta análise falamos em termos de lacunas se deslocando, porém, sabemos que sempre que lacunas se deslocam num

A finalidade principal da utilização do transistor é obter um ganho, isto é, obter uma corrente ou uma tensão de saída maior que a corrente ou tensão de entrada. Na análise de transistor trabalha-se com portadores de carga então a análise será uma função da corrente.

No exemplo apresentado teremos:

CORRENTE DE EMISSOR ICIE mA mA

Notamos que o ganho de corrente é menor que a unidade. Surge, então, a pergunta: De que maneira o transistor amplifica, se a corrente de saída é menor que a corrente de entrada? Existem duas respostas: a primeira é que o transistor não é sempre utilizado de acordo com a configuração analisada, existindo outras maneiras de ligar o transistor que são capazes de fornecer ganho de corrente maior que 1; a segunda resposta é que, mesmo nessa configuração em que o ganho de corrente é menor que a unidade, obtêm-se ganho de tensão e de potência.

Examinemos essa afirmativa. Considerando somente o transistor, sem levar em conta as resistências colocadas externamente no circuito.

As tensões de entrada e saída do transistor são dadas pelos produtos das correntes de entrada e saída, respectivamente, pelas resistências das junções coletor-base e emissor-base. Como sabemos a junção PN polarizada diretamente tem uma baixa resistência, da ordem de 25Ω . E a junção PN polarizada inversamente tem uma elevada resistência, da ordem de 50KΩ.

TENSAO DE ENTRADA CORRENTE DE ENTRADA REISTENCIA DE ENTRADA= ×
TENSAO DE SAIDA CORRENTE DE SAIDA RESISTENCIAD E SAIDA= ×

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ELIÉSIO 5

Temos, então para ganho de tensão:

Por sua vez, o ganho de potência é dado por:

GANHO DE POTENCIA Vm A

Nota-se que os ganhos foram calculados de maneira muito simplificada, sem levar em conta o circuito externo do transistor, e servem apenas para dar uma idéia do funcionamento do mesmo. Verificamos, portanto, que, embora o ganho de corrente seja menor que a unidade, apresenta ganho de tensão e potência elevadas, devido à passagem da corrente de uma região de baixa resistência, a junção emissor-base, para uma região de alta resistência, a junção coletor-base. Desse fato originou-se o nome do dispositivo, TRANSISTOR, que provém da contração das duas palavras inglesas Transfer Resistor, ou seja, de transferência de resistência.

TRANSISTOR NPNTRANSISTOR PNP
EC E C
NP N P N P
BB
EC E C
BB

Os três terminais de um transistor recebem os nomes de EMISSOR (E), BASE (B) e COLETOR (C).

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ELIÉSIO 6

Ao analisar um circuito eletrônico podemos considerá-lo como uma caixa com quatro terminais externos, não nos interessando que tipo de circuito existe dentro da caixa. Este conjunto de componentes elétricos, representado simplesmente por uma caixa com quatro terminais externo, é chamado de QUADRIPOLO.

ENTRADAQUALQUER SAÍDA
ENTRADASAÍDA

O transistor pode perfeitamente ser considerado como um quadripolo, pois um terminal é comum à entrada e à saída.

No estudo dos quadripolos, a convenção geral utilizada para as correntes é considerá-la positiva, quando entrando no quadripolo e negativa quando saindo, e convenção para tensão entre um ponto e o ponto comum é considerá-la positiva, quando o potencial deste ponto é maior que o potencial do ponto comum e negativa quando o potencial deste ponto é menor que o ponto comum.

1Ie Is 2 Is(saindo) ÎNEGATIVA
Ve > VcÎPOSITIVA
VeVs VS <Vc ÎNEGATIVA
COMUMCOMUM VcÆ Tensão no ponto

Ie(entrando)ÎPOSITIVA comum

GANHO DE CORRENTE Ai Is Ic.. →=

GANHO DE TENSAO Av Vs Ve.. →=

GANHO DE POTENCIA Ap Ps Pe.. →=

A importância deste conceito é que os fabricantes de componentes, quando apresentam as folhas de especificações e curvas características de transistores utilizam esta convenção.

PNPNPN
CC
ICIC
−VCBVCB
“P”“N”
IBIB
B−VCE B VCB
“P”“N’
−VBEIE VBE IE

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ELIÉSIO 7

IE = IC + IBVCE = VCB + VBE

Existem três maneiras de ligar um transistor bipolar num circuito, dependendo de qual terminal é comum à entrada e a saída.

Cada configuração apresenta características diferentes com relação às outras, dando com isto deferentes oportunidades de escolhas relativas a uma determinada situação.

ENTRADASAÍDA ENTRADA SAÍDA
PNPNPN
SAÍDASAÍDA
ENTRADAENTRADA
PNPNPN
SAÍDASAÍDA
ENTRADAENTRADA
PNPNPN
CONFIGURAÇÃOCARACTERÍSTICAS
AiGv RENTRADA RSAÍDA
EMISSOR-COMUMelevado elevado média alta
BASE-COMUM1 elevado baixa alta

COLETOR-COMUM elevado ≅ 1 muito elevada muito baixa

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ELIÉSIO 8

Nesta configuração o emissor é o terminal de entrada e o coletor é o terminal de saída, sendo que o terminal de base é comum às tensões de entrada e saída.

TRANSISTOR PNPTRANSISTOR NPN
−VCEVCE
CEIE IC CS CE IE IC CS
vevs ve vs
REVEB −VCB RC RE −VEB VCB RC
IBIB
VEEVCC VEE VCC

Observamos que o transistor está polarizado normalmente, isto é, a junção emissor-base polarizada diretamente e a junção coletor-base inversamente.

IE = 0IC = ICB0 VCB

Se o terminal do emissor for aberto a corrente de emissor será nula (IE=0). Neste caso estaremos com um diodo (coletor-base) polarizado inversamente, circulando uma peque na corrente de fuga formada por portadores minoritários que recebe o nome de ICBO (corrente de coleto-base quando o emissor está aberto).

ausência de IE
IEIC
RCVEB −VCB RC

Se, agora, fecharmos o circuito de entrada, será injetada uma corrente pelo emissor. Sabemos que aparecerá no coletor essa mesma corrente de emissor multiplicada pelo ganho de corrente do transistor, mais a corrente ICBO que já existia na IE

VEEVCC

• Ganho de corrente é definido pela razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada. No caso da configuração base comum, tem a razão da corrente de coletor pela corrente de emissor.

• Esta relação recebe a denominação de ganho alfa (α). αÆ Ganho de corrente na configuração base comum α =IC / IE

ICB0

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ELIÉSIO 9

IC = ICBO + αIENa prática, por ser um valor muito pequeno ICBO não é considerado.

A expressão da corrente do coletor (IC) será:

Observação:

Todas as análises para o transistor NPN, assemelham-se aos que ocorrem no transistor PNP, invertendo-se, porém, todas as correntes e tensões.

Para cada valor constante de tensão de saída VCB, variando-se a tensão de entrada VEB, obtém-se uma variação da corrente de entrada IE. IE

VCB1 VCB2

VCBnVCB1 > VCB2 > VCBn
VdVEB

Notamos que a característica de entrada ou característica de emissor é semelhante à curva característica de um diodo, pois a junção emissor base funciona como um diodo polarizado diretamente. Ou seja, a partir do momento em que a tensão de entrada faz os portadores vencerem a barreira de potencial (Vd ± 0,7V para o silício e Vd ± 0,3V para o germânio), a corrente através da junção dispara. Assim, nesta região da curva, pequenas variações de VEB causam grandes variações de IE.

Para cada valor constante de corrente de entrada de IE, variando-se a tensão de saída VCB, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.

ICIE1

IE2

IE1 > IE2 > IEn

IEn VCE

A corrente de saída ou característica de coletor pode ser dividida em três regiões distintas, pois em cada uma delas o transistor tem um comportamento específico.

IC
REGIÃO
DE
SATURAÇÃOREGIÃO

Na região de corte, as duas junções estão polarizadas inversamente, fazendo com que a corrente de coletor (saída) seja praticamente nula (IC =0). Portanto, o transistor está cortado.

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ELIÉSIO 10

Na região de saturação, as duas junções estão polarizadas diretamente, fazendo com que uma pequena variação da tensão VCB (saída) resulte numa enorme variação de corrente de coletor (saída). Neste caso, o transistor está saturado.

Na região ativa, a junção emissor-base está polarizada diretamente e a junção coletor-base inversamente. Esta é a região central do gráfico de saída, onde as curvas são lineares. Portanto, é esta região utilizada na maioria das aplicações, principalmente na amplificação de sinais, para que a distorção seja mínima.

Na ligação emissor comum, o terminal comum à entrada (base), e saída (coletor) é o emissor. Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuração emissor comum.

TRANSISTOR NPNTRANSISTOR PNP
ICCs IC Cs
VCB−VCB
CeRC Ce RC
IBIB
VCE−VCE
VsVs
Ve RBVBE VCC V RB −VBE VCC
VBBIE IE

A junção base-emissor deve ser polarizada diretamente e a junção coletor-base deve ser polarizada inversamente

Nesta polarização como o emissor é a referência a bateria VCC é colocada entre o coletor e o emissor, porém, o potencial de coletor deve ser maior que o potencial de base.

CURVA CARACTERÍSTICA DE ENTRADA:

Para cada valor de tensão de saída VCE, variando-se a tensão de entrada VBE, obtém se uma corrente de entrada IB. IB VCE1 VCE2

VCEnVCE1 > VCE2 > VCEn
VdVBE

A curva característica de entrada, “característica de base", é semelhante à da configuração base comum, pois tem-se também a junção polarizada diretamente. Observa-se, portanto, que é possível controlar a corrente de base variando-se a tensão entre base e emissor. CURVA CARACTERÍSTICA DE SAÍDA:

Para cada valor constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.

ICIB1

IB2

IB1 > IB2 > IBn

IEn VCE

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ELIÉSIO 1

A característica de saída, ou característica de coletor, é também muito parecida com a da configuração base comum. Mas, observa-se que a inclinação das curvas de IB constante, na região ativa, é maior.

IC
REGIÃO
DE
SATURAÇÃOREGIÃO

Nesta curava, notamos também as três regiões de trabalho do transistor:

CorteÎ IC ≅ 0
AtivaÎ região entre corte e a saturação (IB é linear).

Saturação Î VCE ≅ 0 GANHO DE CORRENTE:

Ganho de corrente representa a razão entre a corrente de saída pela de entrada, que no caso da configuração emissor comum representa a razão entre a corrente de coletor pela corrente de base, recebendo a denominação de ganho beta (β). β Æ Ganho de corrente na configuração emissor comum. β = IC / IB

O ganho de corrente na configuração emissor comum nas folhas de dados e nos manuais de características dos fabricantes recebe a denominação de hFE (sendo FE maiúsculo).

hFE =β = IC / IB

Sendo IC muito maior que IB, o ganho de corrente β é sempre muito maior que 1,. Ou seja, na configuração emissor comum, o transistor funciona como um amplificador de corrente.

Por outro lado, como a inclinação das curvas varia para cada valor de IB, o ganho de corrente β não é constante. Valores típicos de β são de 50 a 900.

Os manuais dos fabricantes fornecem os valores de hFE = β da configuração emissor comum. Porém, pode-se obter o ganho α da configuração base comum.

Num transistor, as correntes se relacionam da seguinte forma:

ICIBIE+= Pelas equações dos ganhos de corrente, tem-se:

βICIB=e αICIE=

Substituindo-se IB e IE, teremos:

ICICIC+=βα (Dividindo-se por IC)

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