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ESCOLA TÉCNICA REZENDE-RAMMEL
CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA
ELETRÔNICA APLICADA I
NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___
O TRANSISTOR BIPOLAR
IDÉIA BÁSICA
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).
O transistor bipolar é formado pela justaposição de materiais semicondutor tipo P e tipo N, obtendo-se dois tipos de estrutura, o PNP e o NPN dependendo de qual região é a intermediária.
TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP
JUNÇÃO B/E JUNÇÃO B/C JUNÇÃO B/E JUNÇÃO B/C
EMISSO COLETOR EMISSOR COLETOR N P N P N P E C E C
BASE BASE B B
EMISSOR
É densamente dopado; sua função é injetar portadores de carga na base.
BASE
É levemente dopada e muito fina; ela permite que a maioria dos portadores de carga injetados pelo emissor passe para o coletor.
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.
JUNÇÃO
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, V para o silício e 0,3 V para o germânio na temperatura de 25º C.
POLARIZAÇÃO DOS TRANSISTORES
JUNÇÃO BASE EMISSOR
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.
N P N P N P
E − − − − − − C E + + + + + + C − − − − − − − + + + + + + − + B B IB Portador minoritário IB Portador minoritário
−VEB VEB
JUNÇÃO BASE COLETOR
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.
N P N P N P
E C E C
B B
Portadores minoritários Portadores minoritários
VCB −VCB
POLARIZAÇÃO DAS DUAS JUNÇÕES
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.
N P N P N P
IE IB IC IE IB IC
−VEB VCB VEB −VCB
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.
P N P IE=1mA + + + + + + ++ IC = 0,98 mA
- + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
RE RC
IB = 0.02 mA
VEE VCC
Nesta análise falamos em termos de lacunas se deslocando, porém, sabemos que sempre que lacunas se deslocam num sentido, elétrons se deslocam em sentido contrário.
GANHO DO TRANSISTOR BIPOLAR :
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.
GANHO DE CORRENTE
CORRENTE DE SAIDA
CORRENTE DE EMISSOR
No exemplo apresentado teremos:
GANHO DE CORRENTE
CORRENTE DE COLETOR
CORRENTE DE EMISSOR
IC
IE
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 ENTRADA.. = 1 mA × 25 Ω =0 025, V
TENSAO DE SAIDA.. = CORRENTE DE SAIDA.. × RESISTENCIA DE SAIDA..
TENSAO DE SAIDA.. = 0 98, mA × 50 K Ω=4,9 V
Temos, então para ganho de tensão:
GANHO DE TENSAO
TENSAO DE SAIDA
TENSAO DE ENTRADA
GANHO DE TENSAO
V
V
Por sua vez, o ganho de potência é dado por:
GANHO DE POTENCIA
POTENCIA DE SAIDA
POTENCIA DE ENTRADA
GANHO DE POTENCIA
TENSAO DE SAIDA CORRENTE DE SAIDA
TENSAO DE ENTRADA CORRENTE DE ENTRADA
×
×
GANHO DE POTENCIA
V mA
V mA
×
×
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.
CONVENÇÕES RELACIONADAS AO TRANSISTOR BIPOLAR
SIMBOLOGIA DO TRANSISTOR BIPOLAR
Os três terminais de um transistor recebem os nomes de EMISSOR (E), BASE (B) e COLETOR (C).
TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP
E C E C N P N P N P
B B
E C E C
B B
Î A SETA É COLOCADA NO
EMISOR
Î A SETA APONTA PARA O
MATERIAL TIPO N.
RELAÇÕES BÁSICAS DO TRANSISTOR BIPOLAR
IE = IC + IB VCE = VCB + VBE
LIGAÇÕES DO TRNASISTOR BIPOLAR
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.
BASE COMUM
ENTRADA SAÍDA ENTRADA SAÍDA
PNP NPN
EMISSOR COMUM
SAÍDA SAÍDA
ENTRADA ENTRADA
PNP NPN
COLETOR COMUM
SAÍDA SAÍDA
ENTRADA ENTRADA
PNP NPN
CONFIGURAÇÃO CARACTERÍSTICAS
Ai Gv RENTRADA RSAÍDA
EMISSOR-COMUM elevado elevado média alta
BASE-COMUM 1 elevado baixa alta
COLETOR-COMUM elevado ≅ 1 muito elevada muito baixa
CONFIGURAÇÕES DO TRANSISTOR BIPOLAR:
CONFIGURAÇÃO BASE COMUM:
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 PNP TRANSISTOR NPN −VCE VCE CE IE IC CS CE IE IC CS
ve vs ve vs RE VEB −VCB RC RE −VEB VCB RC IB IB
VEE VCC VEE VCC
Observamos que o transistor está polarizado normalmente, isto é, a junção emissor-base polarizada diretamente e a junção coletor-base inversamente.
ANÁLISE DO TRANSISTOR PNP
IC IE = 0 IC = ICB0 VCB
RC
−VCB
VCC
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).
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 ausência de IE. IE IC
RC VEB −VCB RC
IE
VEE VCC
GANHO DE CORRENTE
- 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
ICB
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.
.CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM:
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 NPN TRANSISTOR PNP
IC Cs IC Cs
VCB −VCB Ce RC Ce RC IB IB VCE −VCE Vs Vs Ve RB VBE VCC V RB −VBE VCC
VBB IE IE VBB
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 VCE VCE VCEn VCE1 > VCE2 > VCEn
Vd VBE 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.
IC IB IB
IEn VCE
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 ATIVA REGIÃO DE SATURAÇÃO REGIÃO DE CORTE VCE
Nesta curava, notamos também as três regiões de trabalho do transistor:
Corte Î IC ≅ 0
Saturação Î VCE ≅ 0
Ativa Î região entre corte e a saturação (IB é linear).
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 h (^) FE (sendo FE maiúsculo).
h (^) FE =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.
RELAÇÃO ENTRE α E β :
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:
IE = IB + IC
Pelas equações dos ganhos de corrente, tem-se:
β
IB =^ IC e
α
IE =^ IC
Substituindo-se IB e IE, teremos:
IC = IC + IC
α β
(Dividindo-se por IC)
CONFIGURAÇÃO BASE COMUM
Pcmax = VCBmax x ICmax
Î Tensão de ruptura de junções Æ (Vr)
VrCBOÆ tensão de ruptura entre coletor e base, com emissor aberto.
VrCEOÆ Tensão de ruptura entre coletor e emissor com base aberta
VrCESÆ tensão de ruptura entre coletor e emissor com base e emissor curto-circuitado.
IC
LIMITE DE POTÊNCIA MÁXIMA DO TRANSISTOR
VCE
IC (^) MAX Î Se o transistor trabalhar com corrente de coletor abaixo de seu valor máximo, estaremos fazendo com que trabalhe com segurança, não impondo nenhum risco ao seu funcionamento. Para que isto ocorra, basta traçarmos por Icmáximo (valor fornecido pelo fabricante) uma paralela ao eixo VCE onde todo valor de IC abaixo dela não leva o transistor a risco nenhum.
VrCEO Î Pelo valor de VCE=VrCEO traçamos uma perpendicular ao eixo de VCE, onde qualquer valor de VCE inferior a VrCEO, não impõe risco algum ao transistor. Em geral, se escolhermos para VCE um valor inferior a VrCEO, já estaremos eliminando a hipótese desse valor ser ultrapassado.
Os fabricantes fornecem o valor de VCEMÄXIMO.
PcMAX Î Esta curva pode ser traçada ponto a ponto, pela expressão PcMAX= VCE x IC, onde PcMAX é fixo e fornecido pelo fabricante, e variando-se os valores de VCE e IC de modo a manter o produto de ambos, constante e igual a PcMAX. Obteremos desta forma uma série de pontos que determinarão quando unidos seu traçado. Qualquer ponto abaixo desta curva, estará num valor inferior a PcMAX , portanto não impondo nenhum risco ao transistor.
ICBO Î Com o transistor trabalhando com corrente de coletor muito próximo de zero, fica sujeito a REGIÃO DE ALTA DEFORMAÇÃO. Nos projetos com transistores bipolares devemos fugir dessa área para não ocasionar distorção ao sinal aplicado.
REGIÃO DE SATURAÇÃO Î Esta região não apresenta pontos coordenados de VCE e IC, devendo ser evitada quando na utilização de amplificadores lineares para que não tenhamos no sinal reproduzido de forma distorcida.
ICMAX
ÁREA
ÚTIL
VrCEO(VCEMAX )
ICBO
TRANSISTOR
PRÓXIMO DO
CORTE
REGIÃO DE
SATURAÇÃO
CURVA DE
DISSIPAÇÃO
MÁXIMA
TABELA DE TRANSISTORES BIPOLARES DE BAIXO SINAL
USO GERAL / BAIXA FREQUÊNCIA
IPO PL VCEO (V)
I (^) C (MA)
PTOT (MW)
HFE A IC (MA)
VCESAT A I (^) C /I (^) B (MV) (A/MA)
APLICAÇÕES TÍPICAS
BC107 N 45 100 300 125-500 2 200 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC108 N 20 100 300 125-900 2 200 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC109 N 20 100 300 240-900 2 200 0,1/5 AF- pré-amplif, baixo ruído BC177 P 45 100 300 75-260 2 250 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC178 P 25 100 300 75-500 2 250 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC179 P 20 100 300 125-500 2 250 0,1/5 AF- pré-amplif, baixo ruído BC327 P 45 500 800 100-600 100 700 0,5/50 AF- excitador e saída até 1W BC328 P 25 500 800 100-600 100 700 0,5/50 AF- excitador e saída até 1W BC327 N 45 500 800 100-600 100 700 0,5/50 AF- complementar do BC BC338 N 25 500 800 100-600 100 700 0,5/50 AF- complementar do BC BC368 N 20 1000 1000 85-375 500 500 1/100 AF- estágio de saída até 3W BC369 P 20 1000 1000 85-375 500 500 1/100 AF- complementar do BC BC375 N 20 1000 800 100-400 150 250 0,7/70 AF- estágio de saída até 2W BC376 P 20 1000 800 100-400 150 280 0,7/70 AF- complementar do BC BC546 N 65 100 500 110-450 2 600 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC547 N 45 100 500 110-800 2 600 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC548 N 30 100 500 110-800 2 600 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC549 N 30 100 500 200-800 2 600 0,1/5 AF- pré-amplif (baixo ruído) BC550 N 45 100 500 200-800 2 600 0,1/5 AF- pré-amplif (baixo ruído) BC556 P 65 100 500 75-475 2 650 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC557 P 45 100 500 75-800 2 650 0,1/5 AF- amplif, uso geral/ BC558 P 30 100 500 75-800 2 650 0,1/5 AF- amplif, uso geral BC559 P 30 100 500 125-800 2 650 0,1/5 AF- pré-amplif (baixo ruído) BC560 P 45 100 500 125-800 2 650 0,1/5 AF- pré-amplif (baixo ruído) BC635 N 45 1000 1000 40-250 150 500 0,5/50 AF- amplif e excitador BC636 P 45 1000 1000 40-250 150 500 0,5/50 AF- complementar do BC BC637 N 60 1000 1000 40-250 150 500 0,5/50 AF- amplif e excitador BC638 P 60 1000 1000 40-250 150 500 0,5/50 AF- complementar do BC BC639 N 80 1000 1000 40-250 150 500 0,5/50 AF- amplif e excitador BC640 P 80 1000 1000 40-25 150 500 0,5/50 AF- complementar do BC BCY58 N 32 200 330 125-700 2 700 0,1/2,5 Amplificação e comutação BCY59 N 45 200 330 125-700 2 700 0,1/2,5 Amplificação e comutação BCY78 P 32 200 345 125-700 2 800 0,1/2,5 Amplificação e comutação BCY79 P 45 200 345 125-700 2 800 0,1/2,5 Amplificação e comutação JA100 P 25 100 500 90-600 1 500 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JA101 P 45 100 500 90-600 1 500 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC500 N 25 200 500 90-600 1 600 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC501 N 45 100 500 90-600 1 600 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC546 N 65 100 500 110-450 2 600 0,1/5 AF- Ampli, uso geral JC547 N 45 100 500 110-800 2 600 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC548 N 30 100 500 110-800 2 600 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC556 P 65 100 500 75-475 2 650 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC557 P 45 100 500 75-800 2 650 0,1/5 AF- Amplif, uso geral JC558 P 30 100 500 75-800 2 650 0,1/5 AF- Amplif, uso geral
AUTO-AVALIAÇÃOÆO TRANSISTOR BIPOLAR
NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___
01] Qual a origem do termo transistor?
02] Por que transistor bipolar?
03] Quais os tipos de transistores bipolares?
04] O que é emissor?
05] O que é coletor?
06] O que é base?
07] Quantas junções possui um transistor bipolar?
08] O que é região de depleção?
09] Qual o valor do potencial de barreira das junções?
10] Como deve ser polarizada a junção base-emissor de um transistor bipolar?
11] Como deve ser polarizada a junção base-coletor de um transistor bipolar?
12] Faça a representação de um transistor NPN indicando tensões e correntes.
13] Faça a representação de um transistor PNP indicando tensões e correntes.
14] O que é ganho de corrente?
15] Represente um transistor NPN com a ligação base comum.
16] Represente um transistor NPN com a ligação emissor comum.
17] Represente um transistor NPN com a ligação coletor comum.
18] Como é definido o ganho de corrente de um transistor em base comum?
19] Como é definido o ganho de corrente de um transistor em emissor comum?
20] Como é definido o ganho de corrente de um transistor em coletor comum?
21] Como se caracteriza o ganho de corrente de um transistor em:
- aÆ base comum
- bÆemissor comum
- cÆcoletor comum
22] Como se caracteriza o ganho de tensão de um transistor em:
- aÆ base comum
- bÆemissor comum
- cÆcoletor comum
23] Como se caracteriza resistência de entrada de um transistor em:
- aÆ base comum
- bÆemissor comum
- cÆcoletor comum
24] Como se caracteriza resistência de saída de um transistor em:
- aÆ base comum
- bÆemissor comum
- cÆcoletor comum
25] faça a análise de um transistor PNP na configuração base comum indicando as corrente e tensões.
26] faça a análise de um transistor NPN na configuração base comum indicando as corrente e tensões.
