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TRANSISTOR BIPOLAR

1 - A Revoluo

Com o passar dos anos, a indstria dos dispositivos semicondutores foi crescendo e desenvolvendo componentes e circuitos cada vez mais complexos, a base de diodos. Em 1948, na Bell Telephone, um grupo de pesquisadores, liderados por Shockley, apresentou um dispositivo formado por trs camadas de material semicondutor com tipos alternados, ou seja, um dispositivo com duas junes. O dispositivo recebeu o nome de TRANSISTOR.

O impacto do transistor, na eletrnica, foi grande, j que a sua capacidade de amplificar sinais eltricos permitiu que em pouco tempo este dispositivo, muito menor e consumindo muito menos energia, substitusse as vlvulas na maioria das aplicaes eletrnicas. O transistor contribuiu para todas as invenes relacionadas, como os circuitos integrados, componentes opto - eletrnicos e microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos eletrnicos projetados hoje em dia usam componentes semicondutores.

As vantagens sobre as difundidas vlvulas eram bastantes significativas, tais como:

Menor tamanho Muito mais leve No precisava de filamento Mais resistente Mais eficiente, pois dissipa menos potncia No necessita de tempo de aquecimento Menores tenses de alimentao.

Hoje em dia as vlvulas ainda sobrevivem em alguns nichos de aplicaes e devido ao romantismo de alguns usurios.

2. O TransistorBipolar

O principio do transistor poder controlar a corrente. Ele montado numa estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada uma dessas camadas recebe um nome em relao sua funo na operao do transistor, As extremidades so chamadas de emissor e coletor, e a camada central chamada de base. Os aspectos construtivos simplificados e os smbolos eltricos dos transistores so mostrados na figura abaixo. Observe que h duas possibilidade de implementao.

2

O transistor da esquerda chamado de NPN e o outro de PNP.

O transistor hermeticamente fechado em um encapsulamento plstico ou metlico de acordo com as suas propriedades eltricas

2.1 - Caractersticas Construtivas

O emissor fortemente dopado, com grande nmero de portadores de carga. O nome emissor vem da propriedade de emitir portadores de carga.

A base tem uma dopagem mdia e muito fina, no conseguindo absorver todos os portadores emitidos pelo emissor

O coletor tem uma dopagem leve e a maior das camadas, sendo o responsvel pela coleta dos portadores vindos do emissor.

Da mesma forma que nos diodos, so formadas barreiras de potencial nas junes das camadas P e N.

O comportamento bsico dos transistores em circuitos eletrnicos fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor atravs da base. Para isto necessrio polarizar corretamente as junes do transistor.

3. Funcionamento

Polarizando diretamente a juno base-emissor e inversamente a juno base-coletor, a corrente de coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.

Fig. 1 Polarizao de um transistor

3

Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de coletor IC e vice-versa.

A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variao de IB provoca uma grande variao de IC, Isto significa que a variao de corrente de coletor um reflexo amplificado da variao da corrente na base.

O fato do transistor possibilitar a amplificao de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo.

Este efeito amplificao, denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relao entre a variao de corrente do coletor e a variao da corrente de base , isto :

= B

CII (1)

3.1 - Tenses e Correntes nos Transistores NPN e PNP

Fig.2 Transistores NPN e PNP

Aplicando as leis de Kirchoff obtemos:

IE = IC + IB

NPN: VCE = VBE + VCB (2.1)

PNP: VEC = VEB + VBC (2.2)

4 - Classificao dos Transistores

Os primeiros transistores eram dispositivos simples destinados a operarem apenas com correntes de baixa intensidade, sendo, portanto, quase todos iguais nas principais caractersticas. Com o passar dos anos, ocorreram muitos aperfeioamentos nos processos de fabricao que levaram os fabricantes a produzirem transistores capazes de operar no s com pequenas correntes

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mas tambm com correntes elevadas, o mesmo acontecendo com s tenses e at mesmo com a velocidade.

O estudo das caractersticas principais efetuado por famlias (grupo de transistores com caractersticas semelhantes), que so:

Uso Geral

Pequenos Sinais

Baixas frequncias

Correntes IC entre 20 e 500mA

Tenso mxima entre 10 e 80 V

Frequncia de transio entre 1 Hz e 200 MHz

Potncia

Correntes elevadas

Baixas frequncias

Correntes IC inferior a 15A

Frequncia de transio entre 100 kHz e 40 MHz

Uso de radiadores de calor

RF

Pequenos sinais

Frequncia elevada

Correntes IC inferior a 200mA

Tenso mxima entre 10 e 30V;

Frequncia de transio em 1,5 GHz

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5 - Configuraes Bsicas

Os transistores podem ser utilizados em trs configuraes bsicas: Base Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal comum a entrada e a sada do circuito.

Fig. 3 Configuraes de transistor

5.1 - Configurao BC

Ganho de tenso elevado Ganho de corrente menor que 1 Ganho de potncia intermedirio Impedncia de entrada baixa Impedncia de sada alta No ocorre inverso de fase

5.2 - Configurao CC

Ganho de tenso menor que 1 Ganho de corrente elevado; Ganho de potncia intermedirio Impedncia de entrada alta Impedncia de sada baixa No ocorre a inverso de fase.

5.3 Configurao EC

Ganho de tenso elevado Ganho de corrente elevado Ganho de potncia elevado Impedncia de entrada baixa Impedncia de sada alta Ocorre a inverso de fase.

Esta configurao a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parmetros dos transistores fornecidos pelos manuais tcnicos tm como referncia a configurao de emissor comum.

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Podemos trabalhar com a chamada curva caracterstica de entrada. Nesta curva, para cada valor constante de VCE, variando-se a tenso de entrada VBE, obtm-se uma corrente de entrada IB, resultando num grfico com o seguinte aspeto.

Fig. 4 Configurao de entrada

Observa-se que possvel controlar a corrente de base, variando-se a tenso entre a base e o emissor.

Para cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tenso de sada VCE, obtm-se uma corrente de sada IC, cujo grfico tem o seguinte aspeto.

Fig. 5 Configurao de sada.

Atravs desta curva, podemos definir trs estados do transistor, o CORTE, a SATURAO e a DATIVA

CORTE: IC = 0 SATURAO: VCE = 0 ATIVA: Regio entre o corte e a saturao.

Para a configurao EC a relao entre a corrente de sada e a corrente de entrada determina o ganho de corrente denominado de ou hFE (razo de transferncia direta de corrente)

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= B

CII

O ganho de corrente b no constante, valores tpicos so de 50 a 900.

Exemplo 1

Dadas as curvas caractersticas de entrada e sada de um transistor NPN, determine:

a) A corrente na base para VBE=0,8

b) O ganho de corrente

c) Um novo ganho de corrente , caso a corrente IB dobre de valor.

6 - Os Limites dos Transistores

Os transistores, como quaisquer outros dispositivos tm suas limitaes (valores mximos de alguns parmetros) que devem ser respeitadas, para evitar que os mesmos se danifiquem. Os manuais tcnicos fornecem pelo menos quatro parmetros que possuem valores mximos:

Tenso mxima de coletor - VCEMAX

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Corrente mxima de coletor - ICMAX Potncia mxima de coletor - PCMAX Tenso de ruptura das junes

Na configurao EC, PCMAX = VCEMAX.ICMAX

Exemplos de parmetros de transistores comuns.

Tipo Polaridade VCEMAX

(V)

ICMAX

(mA)

BC 548 NPN 45 100 125 a 900 2N2222 NPN 30 800 100 a 300 TIP31A NPN 60 3000 20 a 50 2N3055 NPN 80 15000 20 a 50 BC559 PNP -30 -200 125 a 900 BFX29 PNP -60 -600 50 a 125

7 Transistor como chave

A utilizao do transistor nos seus estados de SATURAO e CORTE, isto , de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma conhecido como operao como chave.

A figura abaixo mostra um exemplo disso, em que ligar a chave S1 e fazer circular uma corrente pela base do transistor, ele satura e acende a lmpada. a resistncia ligada a base calculado, de forma que, a corrente multiplicada pelo ganho d um valor maior do que o necessrio o circuito do coletor, no caso, a lmpada.

BD139

Fig 7.1 Transistor controlando um rel Fig. 7.2 Viso de um rel

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Veja que temos aplicada uma tenso positiva num transistor NPN, para que ele sature e uma tenso negativa, para o caso de transistores PNP, conforme mostra a figura abaixo.

Fig. 8 Chave transistorizada com transistor PNP

8 - Exerccio

1. Quais as vantagens dos transistores em relao as vlvulas? 2. Quais as relaes entre as dopagens e as dimenses no emissor,

coletor e base de um transistor? 3. Para o funcionamento de um transistor, como devem estar polarizadas

suas junes? 4. Quais as relaes entre as correntes e tenses num transistor NPN e

PNP? 5. Explique por que o ganho de corrente na configurao BC menor que

1. 6. Explique por que o ganho de corrente na configurao EC muito maior

que 1. 7. Explique por que o ganho de tenso na configurao CC menor que 1. 8. Quais os trs estados do transistor quais so as suas caractersticas.

9 - Polarizao de Transistores

9.1 - Ponto de Operao (Quiescente)

Os transistores so utilizados como elementos de amplificao de corrente e tenso, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicaes, o transistor deve estar polarizado corretamente.

Polarizar um transistor fix-lo num ponto de operao em corrente contnua, dentro de suas curvas caractersticas.

Tambm chamado de polarizao DC, este ponto de operao (ou quiescente) pode estar localizado nas regies de corte, saturao ou altiva da curva caracterstica de sada.

Os pontos QA, QB e QC da figura a seguir caracterizam as trs regies citadas.

QA: Regio ativa

QB: Regio de saturao

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QC: Regio de corte

9.2 - Reta de carga

A reta de carga o lugar geomtrico de todos os pontos de operao possveis para uma determinada polarizao.

Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos.

9.3 - Circuitos de Polarizao EC

Nesta configurao, a juno base-emissor polarizada diretamente e a juno base-coletor reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e duas resistncias para limitar as correntes e fixar o ponto de operao.

Fig. 9 Polarizao do transistor

Anlise da malha de entrada: RB.IB + VBE = VBB. Logo, IB dado por:

IB = B

BEBBRVV e IC = .IB

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VCE = VCC IC.RC

Exemplo2 : anlise da figura 6.

A corrente de base :

IB = 10000

7,012 = 11,3 x 10-4 A = 1,13 mA

Supondo-se um ganho = 100, tem-se:

IC = 100x1,13mA = 113 mA

Suficiente para acender a lmpada.

Exemplo 3

Para a figura 9 considere RB = 200K, RC = 3K, = 100 e VBE = 0,7V. VBB = 5V e VCC = 10V.

Determine as correntes de base IB e de coletor IC e a tenso coletor-emissor VCE.

Soluo:

IB = B

BEBBRVV =

000.2007,05 = 0,0215 mA

IC = xIB = 100x0,086 ma = 2,15mA

VCE = VCC ICXRC = 10 2,15mAx3,0K = 3,55 V

VCE = VCC+ VBE => VCB = 3,55 0,7 = 2,85

Assim, a juno coletor (N) est num potencial maior que a base (P). Portanto, a juno coletor-emissor est reversamente polarizada, o que caracteriza um transistor na regio ativa, ou seja, que est amplificando.

Mas, em ltima anlise, basta ver que a tenso coletor-emissor maior que 0,2V.

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Exemplo 4

Suponha agora a figura abaixo com tudo igual ao exemplo 3 acrescentando-se RE = 2K

Fig. 10 Polarizao do transistor com resistncia de emissor.

Pela figura,

VBB = IBxRB + VBE + IExRE = IBxRB + VBE + (IC + IB) xRE

= IBxRB + VBE + (xIB + IB) xRE = IBxRB + VBE + IBx( + 1) xRE

IB = EB

BEBBR)1(R

VV++

IB = K2x)1001(K200

7,05++

= 0,017 mA

IC = x IB = 100 x 0,017 = 1,7mA

Por outro lado,

VCC = IC x RC + VCE + RE x IE

Com IE IC (porque?), tem-se:

VCE = 10 1,7mAx3K - 1,7mAx2K = 4,65V

Bem maior que 0,2V. Bem maior, portanto que 0,2V, continuando o transistor na regio ativa.

Refaa os exerccios 3 e 4 trocando RB = 200K por RB = 50K. O que aconteceu com VCE?

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9.3.1 - Circuito de polarizao com corrente de base constante

Para eliminar a fonte de alimentao da base VBB, pode-se utilizar somente a fonte VCC.

Fig. 11- Circuito de polarizao de transitor

Para garantir as tenses corretas para o funcionamento do transistor RB deve ser maior que RC.

Equaes:

IB = B

BECCRVV e IC =

C

CECCRVV

Neste circuito, como VCC e RB so valores constantes, e VBE praticamente no varia, a variao da corrente de base desprezvel. Por isso este circuito chamado de polarizao EC com corrente de base constante.

Exemplo 5:

Dado um transistor com =200 e uma fonte de 12V, determinar as resistncias de polarizao (valores comerciais) para o ponto de operao VCEQ=VCC/2, ICQ = 15mA e VBEQ=0,7V na figura 11.

Soluo:

RC = CQ

CEQCC

IVV

= mA15612 = 400

RB = BQ

BECCIVV IBQ = ICQ/ = 15mA/200 = 0,075mA

RB = mA075,07,012 = 151 K

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OBS.: Este circuito de polarizao apresentado bastante sensvel a variaes de temperatura e do do transistor. Por seu ponto de operao ser bastante instvel, o seu uso restrito ao funcionamento como chave eletrnica.

9.3.2 - Influncia da temperatura

Nos transistores a temperatura afeta basicamente os parmetros , VBE e a corrente de fuga.

A variao de VBE desprezvel, porm a corrente de fuga e o ganho podem ter variaes acentuadas, ocasionando variaes na corrente de coletor, sem que haja variaes na corrente de base, deixando o circuito instvel.

9.3.3 - Circuito de Polarizao com corrente de Emissor constante.

Neste circuito de polarizao inserido uma resistncia RE entre o emissor e a fonte de alimentao.

Fig. 12- Circuito de polarizao com resistncia de emissor

A idia compensar possveis variaes de ganho devido a mudanas de temperatura.

Se houver um aumento de ganho, haver aumento de IC, com aumento de VRC e de VRE e diminuio de VCE. Mas devido ao aumento de VRE a corrente de base diminui, induzindo IC a uma estabilizao.

Perceba que no circuito anterior esta variao de ganho levaria a um aumento de IC e diminuio de VCE tirando o transistor de seu ponto de operao original.

A resposta dada por RE para o aumento de IC, chama-se de realimentao negativa e garante a estabilidade do ponto de operao.

Equaes:

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RB = B

EEBECCI

RIVV RC = C

EECECCI

RIVV

Como temos trs incgnitas (RB, RC e IB), e apenas duas equaes, temos que arbitrar um dos valores. Neste caso, adotamos VRE = IE.RE = VCC / 10, de modo que o resto da tenso seja utilizada pela sada do circuito (IC x RC).

Exemplo 6

Dado um transistor com =250 e uma fonte de 20V, determinar as resistncias de polarizao (valores comerciais) para o ponto de operao VCEQ=VCC/2, ICQ = 100mA e VBEQ=0,7V

Resposta:

Primeiro se determina RC:

RC = CQ

EECEQCC

IRIVV

= mA100

21020 = 80

IBq = 100mA/250 = 0,4mA

RB = BQ

EEBECCI

RIVV = mA4,0

27,020 = 47K

RE = C

EQ

IV

= 20A1,0V2

=

Exemplo 7

Para o circuito da figura abaixo, considere = 100. Calcule a IC.

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Soluo:

Ver exemplo 4

9.3.4 - Circuito de Polarizao com Divisor de Tenso

Uma outra forma de solucionar o problema da instabilidade com a temperatura o circuito de polarizao mostrado na figura abaixo.

9.3.5 - Determinao do Ponto de Operao a Partir dos Valores das Resistncias.

At agora realizamos a sntese de circuitos, isto , calculamos os valores das resistncias para os valores especificados de tenso e corrente.

Podemos, tambm, a partir das resistncias determinarmos o ponto de operao analiticamente ou graficamente. Isto a anlise do circuito.

Caso o circuito utiliza divisor de tenso podemos utilizar o teorema de Thvenin para reduzir para a forma abaixo.

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Onde:

IC = IBx = ETH

BETHR)1(Rx)VV(

++

+

/RRVV

THE

BETH

IC IE E

BETHRVV se RE>>RTH/

Graficamente temos que ter acesso a curva caracterstica de sada do transistor. Traando a reta de carga sobre a curva encontramos o ponto de operao.

Exemplo 8

Determinar IC e VCE para o circuito abaixo. VBE = 0,7V

VTH = 3,85V; RTH = RB1//RB2 = 0,87K = 870. Supondo-se um 100, tem-se:

IC IE = 750

V7,0V85,3 = 4,2mA

VC = VCC ICxRC = 30 (4,2mA)x(3K) = 17,4 V

VE = IE x RE = (4,2mA)xRE = 3,15V; VCE = VC VE = 17,4 3,15 = 14,3V

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Problema:

Um circuito integrado fornece na sada no mximo 5mA. Para acender um LED de alto brilho precisa-se de pelo menos 20mA. Para isso, usa-se um transistor para amplificar a corrente. Quando o nvel de tenso de sada do CI for 0V, o transistor no conduz. Logo, a corrente no LED zero e o LED no acende. Quando a voltagem 5V, a corrente no LED (coletor) deve ser 20mA, com o transistor saturado (VCE = 0,2V). A tenso de conduo do LED 2,2V

Quais os valores mnimos que RC e RB devero ter? Considere = 100.