transistor bipolar. introdução entre 1904 (inversão da válvula) e 1947 (inversão do...

Transistor Bipolar

Introdução

Entre 1904 (inversão da válvula) e 1947 (inversão do transistor), a válvula era sem dúvida o dispositivo eletrônico de maior interesse da indústria de eletrônica.

Porém em 23 de dezembro de 1947, nos Laboratórios da Beel Telephone, Jonh Bardeen e Walter H. Brattain, apresentavam um dispositivo de estado sólido de três terminais o transistor de junção.

Suas vantagens sobre a válvula eram inegáveis. Em setembro de 1951, a Bell anuncia a criação do transistor. A partir daí começava uma indústria bilionária dos semicondutores.

Mais do que substituir as válvulas eletrônicas, o transistor foi e é uma das ferramentas mais importantes já criadas pelo homem.

O primeiro Transistor

Relembrando Diodo

Modo de funcionamento diodo

Polarização direta:

Polarização reversa:

Lâmpada acessa

Lâmpada apagada

Corrente (A) flui do ânodo para cátodoDiodo se comporta como chave fechada ou

BAIXA resistência elétrica

Corrente (A) flui do cátodo para ânodo ***Diodo se comporta como chave aberta ou

ALTA resistência elétrica *** Na prática consideramos que não há circulação de corrente elétrica, já que essa corrente é em torno de nanoamperes.

Diodo

Então o que um transistor?

É um componente semicondutor eletrônico de 3 regiões condutoras.

O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor como o diodo, porém possui de três terminais, sendo duas camadas de material tipo "N" e uma de tipo "P" ou de duas de material tipo "P" e uma de tipo "N".

NP P

PNP

P NN

NPN

EMISSOR COLETOR

BASE

TRANSISTOR consiste em duas

junções PN colocadas em oposição

N – Material semicondutor com excesso de elétrons livresP – Material semicondutor com excesso de lacunas

EMISSOR COLETOR

BASE

Aplicações:

O transistor bipolar pode ser utilizado como:

Chave eletrônica (botão):Transistor é a base para construção dos Circuitos Integrados (CIs) para eletrônica digital. Exemplo: Você pode chavear um motor de alta potência com um sinal de um microcontrolador.

Amplificação:Você pode amplificar um sinal. Exemplo: O sinal de televisão que chega na sua casa é fraco, ele precisa ser amplificado para que possa ser exibido.

Osciladores:Criar circuitos que ficam oscilando. Exemplo: pisca pisca, contador de tempo, entre outros.

Transistor = transfer + ResistorPortanto o transistor também pode ser chamado de resistor de transferência. Ou seja, é possível mudar (transferir) o valor da resistência do transistor através da corrente elétrica.

Princípios de funcionamento do transistor

Relembrando do diodo ...

Polarização direta: tem BAIXA resistência no diodo, ou seja, há circulação de corrente

Polarização reversa: tem ALTA resistência no diodo, ou seja, NÃO há circulação de corrente

Controle da resistência entre os

terminais

Alta corrente na base = Resistência entre Coletor / Emissor é baixaEntão corrente que passa pelos terminais Coletor / Emissor é alta.

Baixa corrente na base = Resistência entre coletor / Emissor é altaEntão corrente que passa pelos terminais Coletor / Emissor é baixa.

Pense numa torneira ...

Portanto a corrente que passa pelo Coletor / Emissor é proporcional a corrente da base

Uma pequena corrente entre a base e o

emissor…

…origina uma grande corrente entre o emissor e o

colector

Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transistor conduz e pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector

Simulação:

Simulação no site http://www.falstad.com/circuit/e-npn.htmlhttp://www.falstad.com/circuit/e-pnp.html

Simbologia do transistor bipolar de junção

PNPNPN

Olhe para o sentido da seta. Ela

determina o sentido da corrente !!!

Correntes de um transistor

PNPNPN

Ib Corrente de base

IC Corrente de coletor

IE Corrente de Emissor

Correntes de um transistor

Ib Corrente de baseIC Corrente de coletorIE Corrente de Emissor

1ª Lei de Kirchhoff (Lei das Correntes)Em um nó, a soma das correntes elétricas que entram é igual à soma das correntes que saem

PNPNPN

Ib + IC = IE IE = Ib + IC

Então com baixo corrente na base (IB) é possível fazer o controle de uma alta corrente no coletor (IC).

NPNA razão entre a corrente que circula no IC e a corrente que circula

em IB é chamado de GANHO DO TRANSISTOR.

O ganho do transistor pode ser representado por:

β (letra grega chamada “beta”)

ou hFE (geralmente encontrado no datasheet)

Exemplo da nomenclatura de um datasheet (BC547)

DC Current Gain (inglês)Ganho de corrente DC

Ganho β do transistor

B

Ccc I

I

A fórmula que mostra a razão de IC por IB é dado por:

O ganho de corrente é a principal vantagem do transistor

Para transitores de:Baixa potência: menor que 1W o ganho varia em torno entre 100 e 300 vezes

Alta potência: maior que 1W o ganho varia em torno de 20 e 100 vezes

Ganho β do transistor

Ganho β do transistor

B

C

II

Exemplo 01 – Calcule a corrente do coletor e a corrente do emissor sabendo que o transistor tem um hFE de 150 e IB vale 3µA.

IC

IB

IE

Dados:β = 150IB = 3µA

.BC II

150.3CI

AIC 450

4503 EI

AIE 453

CBE III

Ganho α do transistor

O ganho α (alfa) de um transistor, é o ganho de corrente entre Coletor e Emissor

A fórmula que mostra a razão de IC por IE é dado por:

E

Ccc I

I

Utilizando o mesmos dados do Exemplo 01, temos:

E

C

II

993,0453450

AA

Exercício 01 – Um transistor tem uma corrente do coletor de 10 mA e uma corrente da base de 40 μA. Qual é o ganho de corrente do transistor?

Exercício 02 – Um transistor tem um ganho de corrente de 100. Se IB for de 0,1 mA, qual será IC?

Exercício 03 – Um transistor tem uma corrente do coletor de 10 mA e uma corrente da base de 50 μA. Qual é o ganho de corrente do transistor?

Exercício 04 – Um transistor tem um ganho de corrente de 175. Se a corrente da base for de 0,1 mA, qual será a corrente do emissor?

Exercício 05 – Um transistor tem IC de 10 mA. Se o ganho de corrente for de 135, qual será a corrente na base?

Exercício 06 – Um transistor tem uma corrente do coletor de 2 mA. Se o ganho de corrente for de 135, qual será a corrente na base?

Tensões no transistor

2ª Lei de Kirchhoff (Lei das tensões)É nulo o somatório das quedas de tensões e elevações de tensão ao longo de um caminho fechado de um circuito elétrico (malha).

NPN

VCE

VBE

VCB

VCE = VBE + VCB

VEC

VEB

VBC

PNP

VCE = Queda de tensão entre coletor e emissorVBE = Queda de tensão entre base e emissorVCB = Queda de tensão entre coletor e base

VEC = VEB + VBC

Quando o subscrito é igual a (Vcc e VBB) estamos falando de uma fonte

Quando o subscrito são letras diferentes (RB, RC), estamos falando da tensão entre dois pontos

VEC = VC - VE

VBC = VC - VB

VBE = VB - VE

Tensões no transistor

Polarização de um transistor

Por ser um componente ativo (formado por duas junções PN), o transistor precisa obrigatoriamente ser alimentado por fontes externas.

Os circuitos de polarização de transistores mais comuns são formados por fontes de tensão e resistores para limitação da corrente.

A região do emissor é fortemente dopadaA região de base é fracamente dopada

A região de coletor apresenta uma dopagem mediana.

A região de coletor é muito maior que as outras regiões pois nesta região se dissipa todo calor gerado durante o funcionamento do transistor.

Emissor

Base

Coletor

Polarização de um transistor

Para o transistor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.

Para o transistor estar corretamente polarizado a junção PN: Base – Emissor: deve ser polarizada diretamente Base – coletor deve ser polarizada inversamente.

Regra prática:O emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.A base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.O coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.

Polarização de um transistor

RB – Resistência de polarização de base

RC – Resistência de colector ou resistência de carga

Se a base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui, podemos desenhar a curva da base (que é a mesma curva do diodo).

Portanto quando VBE estiver polarizado diretamente, seu valor será de 0,7V

Exemplo 02 – Calcule:- Corrente da base. - Qual valor de tensão para resistor da base?- Qual valor de corrente do coletor se βcc = 200?

Solução:

A corrente no resistor da base é:

B

BEBBB R

VVI

kIB 100

7,02

AIB 13

Tensão no resistor da base:

BEBBRb VVV

7,02 RbV

VVRb 3,1

Corrente no coletor:

BccC II .

13.200CI

mAIC 6,2

Curva da base

Curva do coletor e regiões de operação

CCccEC RIVV .

Curva do coletorTrês regiões de

operação do transistor:

Região de corte Região de Saturação

Região Ativa

Região de Corte

0. ECCCcc VRIV

Fazendo a malha do lado do coletor / emissor temos:

CECD IVP .Potência dissipada no transistor:

Folha de dados técnicos (Datasheet)

Quando consultar um datasheet, comece procurando os valores nominais máximo especificados pelo fabricante:

IC É a máxima corrente de coletor que o transistor pode suportar. Se este parâmetro for excedido o componente poderá queimar

VCEO Tensão máxima coletor – emissor com a base aberta

VCBO Tensão máxima coletor – base com o emissor aberto

VEBO Tensão máxima emissor – base com o coletor aberto

hFE ou β Ganho ou fator de amplificação do transistor.

Pd Potência máxima de dissipação

Exemplo de Datasheet do 2N3904

Trazer os seguintes datasheets impressos

BC548.

Exercícios

Exercício 01– Um transistor tem uma corrente de emissor de 10mA e a corrente do coletor é de 9,95mA. Qual é a corrente da base?

Exercício 02– A corrente do coletor é de 10mA e a corrente da base é de 0,1mA. Qual o ganho de corrente?

Exercício 03– Um transistor tem um ganho de corrente de 150 e uma corrente de base de 30µA. Qual é a corrente no coletor?

Exercício 04– Se a corrente no coletor for de 100mA e o ganho de corrente for de 65, qual é a corrente no emissor?

Exercícios

Exercício 05 – Qual é o valor da corrente de base e do coletor?

Dados:Vbb = 10VVcc = 10VRb = 500kΩRc = 820Ωβcc = 200

Exercício 06 – Calcule os valores abaixo para a) β = 200b) β = 375