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TÉCNICO EM

ELETROELETRÔNICA

Transistor

Disciplina de Eletrônica Geral 1

Professor Tarcísio Pollnow Kruger

tarcisiokruger@gmail.com – tarcisio.kruger@ifsc.edu.br

Itajaí – SC

2016

TÉCNICO EM

ELETROELETRÔNICA

Sumário

TÉCNICO EM

ELETROELETRÔNICA

Transistor

Introdução

O transistor de junção bipolar (TJB) é um dos componentes mais importantes e desafiadores do campo da eletrônica.

Criado em 1947, por pesquisadores do Bell Labs, proporcionou o desenvolvimento de circuitos muito menores e, portanto, a redução no tamanho dos produtos.

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ELETROELETRÔNICA

Transistor

Introdução

Antes da criação do transistor, os circuitos eram produzidos utilizando válvulas termodinâmicas, que têm os inconvenientes de tamanho, consumo de energia e a necessidade de aquecimento de seus filamentos para que o circuito comece a funcionar.

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ELETROELETRÔNICA

Transistor

Introdução

O transistor resolveu estes problemas, além de aumentar a velocidade de chaveamento e a resposta em frequência dos circuitos. A minimização dos circuitos, proporcionada pelo uso do transistor, permitiu o desenvolvimento de circuitos integrados (CIs).

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Transistor

Introdução

O nome transistor foi derivado de suas propriedades intrínsecas (TRANsfer reSISTOR, ou “resistor de transferência”).

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Transistor

Estrutura e funcionamento

Como o transistor de junção bipolar surgiu do avanço de estudos realizados em cima de diodos, em algumas situações, os conceitos desenvolvidos para diodos serão utilizados no estudo dos transistores. As principais similaridades entre diodos e transistores são:

- Transistores e diodos são formados por junções PN que podem ser polarizadas direta ou inversamente;

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ELETROELETRÔNICA

Transistor

Estrutura e funcionamento

- Quando polarizada diretamente, a junção PN apresenta baixa resistência. Nessa situação, existe fluxo de corrente em função da diminuição da região de depleção. Tipicamente, a queda de tensão na junção PN, para o silício, varia entre 0,6V e 0,8V;

- Quando polarizada inversamente, a junção PN apresenta alta resistência, devido ao aumento da região de depleção. Assim, a corrente que circula pela junção é extremamente baixa (corrente de fuga).

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ELETROELETRÔNICA

Transistor

Estrutura interna do transistor bipolar

O transistor bipolar é montado numa estrutura de cristais semicondutores, formado por duas camadas de cristais de mesmo tipo, intercalada por uma camada do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as duas primeiras.

C

BE

NP

N

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Transistor

Estrutura interna do transistor bipolar

Cada camada recebe um nome, conforme seu papel no funcionamento do transistor. Uma das extremidades recebe o nome de emissor, por injetar portadores majoritários no dispositivo, a outra extremidade é o coletor, que coleta os portadores majoritários do dispositivo, e a camada central, chamada base, controla a corrente que circula entre os dois terminais.

CB

E

NP

N

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Transistor

Estrutura interna do transistor bipolar

A simbologia e estrutura simplificada dos dois tipos de transistores são:

N

P

N

E

B

C

B

C

E

Transistor NPN

P

N

P

E

B

C

B

C

E

Transistor PNP

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Transistor

Estrutura interna do transistor bipolar

A seta presente no símbolo do transistor identifica o terminal de emissor e sua direção determina o tipo do transistor: no transistor NPN, a seta aponta para o emissor, enquanto que no PNP, aponta para a base. Ou seja, a seta sempre aponta para um cristal tipo N.

N

P

N

E

B

C

B

C

E

Transistor NPN

P

N

P

E

B

C

B

C

E

Transistor PNP

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Transistor

Estrutura interna do transistor bipolar

O cristal da base tem a menor espessura e menor nível de dopagem, enquanto que o do coletor tem uma dopagem média e apresenta o maior volume dentre os três cristais e o do emissor tem o maior nível de dopagem.

CB

E

NP

N

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Transistor

Procedimento para testes de TJB

O transistor de junção bipolar possui duas junções PN: a junção base-emissor (JBE) e a junção base-coletor (JBC). Assim, para propósito de testes, os transistores de junção bipolares podem ser considerados como dois diodos encapsulados em um dispositivo, conforme a figura abaixo.

Transistor NPN Transistor PNP

C

B

E C

B

E

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Transistor

Procedimento para testes de TJB

Com um multiteste digital, na escala de diodo da função ohmímetro, o transistor de junção bipolar deve conduzir somente em duas das seis combinações possíveis, conforme a tabela:

Transistor NPN Transistor PNP

C

B

E C

B

E

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Transistor

Procedimento para testes de TJB

As indicações 0,7- e 0,7+ representam valores próximos a 0,7V, sendo que o valor medido em 0,7+ sempre será maior que o medido em 0,7-.

Portanto, ao testar um transistor de junção bipolar, sem conhecimento prévio de seu tipo e disposição dos terminais, o terminal da base é identificado pelo terminal que conduz para os outros dois quando em contato com uma determinada ponteira.

Transistor NPN Transistor PNP

C

B

E C

B

E

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Transistor

Procedimento para testes de TJB

A cor da ponteira identifica o tipo do transistor: a ponteira vermelha na base determina que o transistor seja NPN, enquanto que a preta identifica um transistor PNP. Das medições realizadas, o coletor é identificado pela medição de menor valor para a base.

Transistor NPN Transistor PNP

C

B

E C

B

E

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Transistor

Procedimento para testes de TJB

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Transistor

Funcionamento do transistor

O funcionamento do transistor será analisado com base na estrutura simplificada do transistor NPN. A análise do transistor PNP é similar, considerando que os só mudam os portadores majoritários de elétrons livres, no transistor NPN, para lacunas móveis, no PNP. Assim, as tensões e correntes do transistor PNP são invertidas em relação ao NPN.

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Transistor

Funcionamento do transistor

As correntes de difusão nas junções do transistor produzem duas camadas de depleção. Cada camada apresenta uma barreira de potencial com valor em torno de 0,7V, para cristais de silício, a 25°C. Devido aos diferentes níveis de dopagem de cada cristal, as camadas de depleção têm larguras diferentes. Quanto menor a dopagem, maior a largura da camada de depleção. Portanto, a camada é mais estreita no emissor, mais larga na base e de largura intermediária no coletor.

NPN

EBC

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Transistor

Funcionamento do transistor

Analisando cada junção isoladamente, a junção base-emissor polarizada diretamente gera um grande fluxo de portadores majoritários do emissor para a base. Já a junção base-coletor, polarizada inversamente, tem sua zona de depleção aumentada, impedindo a circulação de portadores majoritários, entretanto os portadores minoritários atravessam a barreira com facilidade, gerando uma corrente reversa de baixo valor.

EBCNPN

EBCNPN

EBCNPN

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Transistor

Funcionamento do transistor

Com as duas junções polarizadas simultaneamente, foi constatado que o fluxo de portadores majoritários (que circulavam de emissor para base), se dirige para o coletor, quase que na totalidade, devido a dois fatores:

- O campo elétrico formado pela tensão entre coletor e base, atrai os portadores majoritários provenientes do emissor para o coletor.

- Com o aumento da zona de depleção da junção base-coletor, a resistência elétrica da base se eleva.

EBCNPN

EBCNPN

EBCNPN

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Transistor

Funcionamento do transistor

A corrente de base controla a tensão sobre a junção base-emissor, que altera a largura da camada de depleção da junção base-coletor, controlando assim o fluxo de portadores majoritários entre emissor e coletor. A relação entre a corrente de coletor e de base é praticamente constante, para um transistor operando em condições normais.

EBCNPN

EBCNPN

EBCNPN

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

VCB

VCE

VBE

IE

IC

IB

VEB

VEC

VCE

IC

IE

IB

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

Pensando no transistor como um nó e utilizando a Lei das Correntes de Kirchhoff, tem-se:

VCB

VCE

VBE

IE

IC

IB

VEB

VEC

VCE

IC

IE

IB

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

Esta equação elementar vale tanto para transistores NPN quanto para PNP. Em um transistor, a corrente de emissor (IE) sempre será a maior corrente, a corrente de base (IB) sempre será menor e a corrente de coletor (IC) tem um valor intermediário, tal que:

VCB

VCE

VBE

IE

IC

IB

VEB

VEC

VCE

IC

IE

IB

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

Pela Lei das Tensões de Kirchhoff, temos as relações fundamentais das tensões:

VCB

VCE

VBE

IE

IC

IB

VEB

VEC

VCE

IC

IE

IB

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

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Transistor

Especificações do transistor

Nos catálogos dos transistores, fornecidos por fabricantes, um dos primeiros grupos de informações que devem ser levados em consideração são os Valores Máximos (MAXIMUM RATINGS) do dispositivo.

Os mais importantes a considerar são:

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Transistor

Especificações do transistor

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Transistor

Relações de tensões e correntes em transistores

Alguns catálogos são mais completos e provêm dados extras na forma de tabelas e gráficos. Os gráficos são úteis para a identificação de alguma característica que varia em função de algum parâmetro (temperatura, corrente de coletor, tensão entre coletor e emissor, etc...)

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Transistor

Encapsulamentos

Os encapsulamentos mais comuns para transistores são: TO-126, TO-18, TO-220, TO-3 e TO-92.

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Transistor

Encapsulamentos

O encapsulamento tem relação direta com a capacidade de dissipação de potência do transistor.

Os transistores com encapsulamento TO-92 e TO-18 são para aplicações de baixa potência.

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Transistor

Encapsulamentos

Os encapsulamentos TO-126 e TO-220 são utilizados por transistores de média potência e permitem a instalação do transistor em dissipador de calor (fixação por parafuso pelo furo). Este furo passa por um suporte metálico que dissipa o calor gerado nos cristais do transistor. Este suporte metálico, quando acessível externamente tem ligação com o coletor do transistor.

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Transistor

Encapsulamentos

O encapsulamento TO-3, desenvolvido para montagem direta em dissipador, apresenta somente dois terminais, pois sua carcaça metálica externa é o terminal de coletor. Os transistores com encapsulamento TO-3 tem grande capacidade de dissipação de potência.

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Transistor

Encapsulamentos

Os encapsulamentos descritos anteriormente são de tecnologia thru-hole (através do furo), ou seja, os transistores são montados em furos da placa de circuito impresso e soldados em sua outra face.

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Transistor

Encapsulamentos

A outra tecnologia, muito comum hoje em dia, é a SMD (Surface Mounted Device, ou seja: dispositivos montados em superfície) em que o componente é montado do mesmo lado da soldagem na placa de circuito impresso, não havendo a necessidade de furar a placa. Os dois encapsulamentos mais comuns de transistores SMD são o SOT-23 e WDFN-3.

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Transistor

Configurações

Para que um transistor opere com amplificador, deveria ter 4 terminais: 2 para a entrada e 2 para a saída. Por possuir 3 terminais, um deles é comum à entrada e à saída.

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Transistor

Configurações

Observa que, indiferente da configuração utilizada, a base sempre está ligado à entrada e o coletor à saída.

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Transistor

Configurações

Observa que, indiferente da configuração utilizada, a base sempre está ligado à entrada e o coletor à saída.

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Transistor

Base comum

Nessa configuração, os terminais base e emissor são utilizados na entrada do circuito e as saídas são os terminais de coletor e base.

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Transistor

Base comum

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Transistor

Base comum

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Transistor

Base comum

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Transistor

Base comum

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Transistor

Coletor comum

Na configuração coletor comum, a base é o terminal de entrada, o emissor o de saída e o coletor é comum a ambos.

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Transistor

Coletor comum

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Transistor

Coletor comum

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Transistor

Coletor comum

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Transistor

Emissor comum

Nesta configuração, os terminais de entrada são base e emissor e os de saída são coletor e emissor.

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Transistor

Emissor comum

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Transistor

Emissor comum

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Transistor

Emissor comum

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Transistor

Relações entre os ganhos

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Transistor

Regiões de operação

Na descrição de funcionamento do transistor, foi mencionado que JBE deve ser polarizada diretamente e JBC inversamente. Isto é verdade para a operação como amplificador. Entretanto, o transistor pode ser polarizado de outras formas que permitem sua utilização em outras aplicações.

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Transistor

Região ativa

A região ativa é caracterizada pela polarização direta de JBE e reversa de JBC.

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Transistor

Região ativa

Quando o transistor está na região ativa, a relação entre a corrente de coletor e a de base (ganho de corrente β) é praticamente linear e constante. A principal aplicação do transistor na região ativa é como amplificador de pequenos sinais.

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Transistor

Região de saturação

Para que o transistor opere na região de saturação, as duas junções devem estar polarizadas diretamente.

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Transistor

Região de saturação

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Transistor

Região de saturação

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Transistor

Região de saturação

O transistor na região de saturação é utilizado como chave controlada eletricamente, operando como chave fechada.

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Transistor

Região de corte

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Transistor

Região de corte

Como as junções estão polarizadas inversamente, o fluxo de corrente nas junções é extremamente baixo (correntes de fuga). Idealmente, a corrente entre coletor e emissor deveria ser nula.

A região de corte é utilizada para que o transistor funcione como chave aberta, complementando a região de saturação, para que o transistor opere como chave.

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Transistor

Regiões de operação Exercícios:

Calcula Ib, Ic e Vc dos circuitos abaixo, para VBE=0,65V, e determina a região em que o transistor está operando.

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Transistor

Transistor como chave

O transistor pode ser utilizado como uma chave de estado sólido, controlando a circulação ou não de corrente em um dispositivo. Para isso, o transistor opera na região de corte, quando atua como chave aberta, e na região de saturação, atuando como chave fechada.

IB(sat)

IC(sat)

RB

RC

VCC VCC

VCE(sat)

RC

VCC

IC(sat)

IB=0A

IC=0A

RB

RC

VCC

VCC

RC

VCC

IC=0A

Chave Fechada Chave Aberta

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Transistor

Transistor como chave

O transistor como chave é utilizada com frequência como driver de corrente, permitindo que circuitos digitais, que têm capacidade de corrente reduzida, acionem cargas que exijam correntes maiores, por exemplo: LEDs, lâmpadas, relés, buzzers, etc...

IB(sat)

IC(sat)

RB

RC

VCC VCC

VCE(sat)

RC

VCC

IC(sat)

IB=0A

IC=0A

RB

RC

VCC

VCC

RC

VCC

IC=0A

Chave Fechada Chave Aberta

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Transistor

Transistor como chave

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Transistor

Transistor como chave

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Transistor

Transistor como chave

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Transistor

Transistor como chave

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Transistor

Transistor como chave Exercícios:

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Transistor

Transistor como chave Exercícios:

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Transistor

Transistor como amplificador

Para que o transistor funcione como amplificador, deve estar operando na região ativa.

Embora seja suficiente que JBE esteja polarizada diretamente e que a tensão entre coletor e emissor seja maior que 0,2V, o ponto de operação do transistor deve estar longe desses limites para que o transistor deve ser polarizado corretamente.

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização do TJB

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização do TJB

Quando o transistor está operando como amplificador, o ponto de operação deve ser definido dentro da região ativa, mesmo com a aplicação do sinal a amplificar, que desloca o ponto de operação, para evitar distorções do sinal de saída.

A polarização do transistor tem um papel importante em garantir que eventuais variações em parâmetros do transistor, mais especificamente o ganho β, não alterem significativamente seu ponto de operação.

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização do TJB

Cada transistor tem um valor de β específico, característico de sua fabricação, portanto na necessidade de substituição de um transistor, a mudança no ganho pode afetar o ponto de operação, a menos que o circuito de polarização compense de alguma forma essa variação de parâmetro.

Os circuitos de polarização mais comuns são:

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização por Base Fixa

O circuito mais simples, chamado de base fixa, é mostrado na figura.

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização por Base Fixa

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Transistor

Transistor como amplificador Polarização por Base Fixa

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Corrente

O circuito de realimentação de corrente, também chamada de polarização estável de emissor, é baseado na polarização de base fixa, com a adição de um resistor de emissor.

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Corrente

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Corrente

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão

O circuito da figura abaixo é o circuito de polarização por realimentação de tensão. Também é baseado na polarização por base fixa, mas o resistor de base é conectado ao coletor do transistor, em vez da fonte de alimentação.

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão

Nesta polarização, a compensação ocorre através da realimentação da tensão de saída, pois o aumento da corrente de base eleva as correntes de coletor e emissor, que reduz a tensão de saída, reduzindo a tensão sobre o resistor de base e a corrente de base.

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão e Corrente

Esta polarização é uma mescla das duas anteriores, onde o resistor de emissor faz a compensação da corrente e a tomada da tensão para a base no coletor, a de tensão.

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão e Corrente

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Transistor

Transistor como amplificador Realimentação de Tensão e Corrente

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Transistor

Transistor como amplificador Divisor de tensão

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Transistor

Transistor como amplificador Divisor de tensão

O circuito da malha de entrada dessa polarização pode ser substituído pelo seu equivalente Thèvenin.

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Transistor

Transistor como amplificador Divisor de tensão

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Transistor

Transistor como amplificador Divisor de tensão

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Transistor

Transistor como amplificador

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Transistor

Transistor como amplificador

Exercícios:

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Transistor

Transistor como amplificador

Exercícios:

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Transistor

Análise gráfica

No projeto de um amplificador, a análise gráfica é uma ferramenta

que pode auxiliar na escolha da melhor corrente de base e/ou coletor para polarizar o transistor, além de facilitar o entendimento do transistor como amplificador.

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Transistor

Análise gráfica

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Transistor

Análise gráfica

Um dos objetivos da análise gráfica é determinar a localização do

ponto quiescente, onde o transistor conseguirá apresentar uma excursão adequada para o sinal a ser amplificado, em ambos os semiciclos. Para isso, uma reta deve ser sobreposta às curvas características do transistor. São necessários, pelo menos, dois pontos para traçar esta reta.

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Transistor

Análise gráfica

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Transistor

Análise gráfica

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Transistor

Análise gráfica

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Transistor

Análise gráfica

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Transistor

Transistores especiais Transistor Darlington

O transistor Darlington é uma combinação de dois transistores de junção bipolares operando como um transistor com um “superbeta”. A característica principal do transistor Darlington é que a composição do transistor atua como uma unidade única, com um ganho de corrente que é o produto dos ganhos dos transistores individuais.

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Transistor

Transistores especiais Transistor Darlington

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Transistor

Transistores especiais Foto Transistor

O foto transistor tem a estrutura cristalina idêntica ao do transistor de junção bipolar, diferindo no encapsulamento, que permite a incidência de luz sobre a junção base-coletor. A energia proveniente da luz libera portadores minoritários em JBC, fazendo com que circule corrente entre coletor e emissor.

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Transistor

Transistores especiais Optoacoplador

O optoacoplador é um dispositivo que une, em um mesmo encapsulamento, um LED infravermelho e um fotodetector, que pode ser um diodo, transistor, transistor Darlington, entre outros dispositivos semicondutores.

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Transistor

Transistores especiais Optoacoplador

O optoacoplador permite a transmissão de uma informação de um circuito a outro sem que haja contato elétrico entre eles, como um transformador, mas com a vantagem de transmitir sinais contínuos.

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Transistor

Transistores especiais Optoacoplador

As conexões internas e encapsulamento disponíveis para a família TIL11x é mostrada abaixo.

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Referências bibliográficas básicas:

BOYLESTAD, Robert L., LOUIS Nashelsky. Dispositivos Eletrônicos e

Teoria de Circuitos. 11ª Ed: Pearson, 2013.

MALVINO, A. P.. Eletrônica. 1 ed. Vol. 1 São Paulo: McGraw-Hill, 1987a.

SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. 5 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

BRAATZ, Luciano. Apostila de Eletrônica Geral II. Curso de eletrônica, Instituto Federal Sul-Rio-Grandense, 2015.