PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA E FÍSICA

Professor: Renato Medeiros

ENG 1550

Eletrônica Geral

Cap 03

Goiânia 2019

Transistores Bipolares

Até 1950 todo equipamento eletrônico utilizava válvulas que aquecia muito e consumia muitos

watts de potência. Por isso, os equipamentos a válvula exigiam uma fonte de alimentação

robusta e criavam uma boa quantidade de calor.

Esquema de uma válvula. Válvula comercial

Em 1951, Shockley inventou o primeiro transistor de junção e houve uma revolução na

eletrônica (Prêmio Nobel em 1956 em física). Eles revolucionaram a indústria de

semicondutores e contribuíram no desenvolvimento de circuitos integrados, circuitos opto

eletrônicos e microprocessadores. Mas a grande mudança ocorreu na indústria de

microcomputadores, antes um computador ocupava uma sala inteira (UNIAC), hoje eles cabem

em uma escrivaninha (PC´s) e até mesmo na palma da mão (IPAD)

Curiosidade sobre o ENIAC:

John W. Mauchly e J. Prester Eckert Jr., junto com cientistas da Universidade da Pensilvânia e

em parceria com o Governo dos EUA, construíram o primeiro computador eletrônico,

conhecido como ENIAC (Eletron ic Numerical Integrator and Calculator). As ideias de von

Neumann - que são utilizadas até hoje - fizeram com que os computadores pudessem ser

programados através de programas, rotinas de manipulação de dados que se utilizam de

instruções próprias do computador.

O ENIAC tinha as seguintes características:

- Totalmente eletrônico

- 17.468 válvulas

- 500.000 conexões de solda

- 30 toneladas de peso

- 180 m² de área construída

- 5,5 m de altura

- 25 m de comprimento

- 2 vezes maior que MARK I

6.1 Ideias Básicas

Na figura a seguir vemos cristais que formam o transistor. O emissor é densamente dopado;

sua função é de emitir, ou injetar elétrons na base. A base é levemente dopada e muito fina;

ela permite que a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passe para o coletor. O nível de

dopagem do coletor é intermediário, entre a dopagem densa do emissor e a dopagem graça da

base. O coletor coleta ou juntas os elétrons oriundos da base. É o maior pedaço do cristal e é

nele que a maior parte de calor será dissipado.

Os transistores têm duas junções, uma entre o emissor e a base e outra entre a base e o

coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a dois diodos. Chamamos o diodo da

esquerda de diodo emissor e o da direita de diodo coletor. Podemos utilizar transistores tipo

npn e pnp (conforme figuras abaixo). O que difere um do outro é o tipo de portadores de

cargas que serão lançados pelo emissor.

Transistor pnp transistor pnp

6.2 transistores não polarizados

Como os diodos, os transistores também possuem sua camada de depleção. Entretanto, como

temos agora dois diodos, teremos duas camadas de depleção. Se for de silício, teremos 0,7 V

para cada camada de depleção. Utilizaremos os transistores de silício, pois proporcionam

especificações de tensões maiores, maior corrente e menor sensibilidade à temperatura.

6.3 transistores polarizados

Uma junção PN é polarizada diretamente e a outra inversamente. A união desses dois

componentes poderá ser feita de duas formas: união através do material P, para produzir um

transistor NPN e união através do material N, para produzir um transistor PNP.

6.4 Funcionamento de um transistor NPN

A junção emissor-base do transistor deve ser polarizada diretamente. A corrente circula do

emissor para a base. Os elétrons provenientes da área do emissor que chegam à área da base

são solicitados por duas forças de atração: a primeira do terminal positivo da bateria do

coletor e a outra do terminal do terminal, também positivo da bateria do emissor.

A tensão existente entre o emissor e a base (VEB) possui tensão muito baixa, da ordem de 0,1 V

enquanto a tensão entre base e coletor (VBC) oferece um valor bem mais elevado, por exemplo,

6 V. Com isso podemos notar que a grande maioria dos elétrons, cerca de 97%, ao entrar na

área da base será atraída pela área de maior tensão, a área do coletor; apenas uma pequena

parte não penetra na área da base e é atraída para o terminal positivo da bateria de

polarização. Esses poucos elétrons fornecem a corrente de base (IB), que possui um valor muito

pequeno. Cada elétron que deixa o coletor deve ser substituído e essa substituição é feita pelo

emissor que também deve ter seus elétrons substituídos, isso gera um fluxo contínuo de

corrente.

6.5 Funcionamento de um transistor PNP

De forma similar ao transistor do tipo NPN, o transistor PNP tem a junção emissor-base

polarizada diretamente, enquanto a junção base coletor é polarizada inversamente.

Os portadores majoritários no transistor PNP são lacunas. Os elétrons do circuito externo

passam para o coletor e daí para o emissor. As lacunas que penetram na área da base passam

para o coletor onde serão preenchidas com elétron provenientes do terminal negativo da

bateria de coletor.

Os elétrons que chegam ao emissor são atraídos para o terminal positivo da bateria de

polarização. Cada elétron que passa do emissor para a bateria de polarização, deixa uma

lacuna em seu lugar. Como ocorre no transistor NPN, podemos aplicar uma pequena tensão de

sinal a fim de produzir um sinal amplificado na saída do coletor.

6.6 Correntes em um Transistor

Com as fontes externas (VEE e VCC) nas polaridades mostradas abaixo:

A junção E-B é polarizada diretamente e a junção B-C está polarizada reversamente

Aplicando a Lei dos nós de Kirchhoff, temos

IE = Corrente no terminal emissor

IC = Corrente no terminal coletor

Essas duas correntes são da ordem de miliAmpères

IB = Corrente no terminal emissor

Essa corrente é da ordem de microampères

Exercícios

1) Se a corrente de um emissor de um transistor for igual a 8 mA e a corrente na

base for 1/100 da corrente no coletor, determine os valores de IC e IB.

7 Configuração Base comum.

Neste caso a base está na entrada e na saída do circuito, ou seja, a base é o eletrodo comum.

Características de montagem:

o Ganho em corrente: aproximadamente igual a 1.

o Ganho de tensão: grande.

o Resistência de entrada: pequena.

o Resistência de saída: grande.

o Ganho de potência: médio.

o Defasagem: 0 (não há defasagem do emissor para o coletor).

o Sinal: entrada no emissor e saída no coletor.

8 Regiões de Operação.

• Ativa

Operando na faixa de amplificação.

Para um transistor em primeira aproximação:

• Corte

O amplificador é basicamente desligado. Existe tensão, mas corrente baixa. IC = 0• Saturação

O amplificador está totalmente ligado. Existe uma pequena tensão, mas muita

corrente.

Alfa ()

Alfa () está relacionado com as correntes CC IC e IE :

Idealmente = 1, mas na realidade está entre 0.9 e 0.998.

Alfa () no modo CA:

9 Transistor como Amplificador

A entrada CA é amplificada.

Ri = resistência de entrada = P.D.

Ro = resistência de saída = P.R.

𝝰ac = 1

IC IE assim IL Ii = 10mA

VL = IL * R = (10mA)(5k) = 50V

Ganho de Voltagem (AV):

Exercício

2) Calcule o ganho de tensão para o circuito abaixo se Vi=500mV e R=1KΩ.

10 Configuração Emissor Comum – mais frequente

O emissor é comum para ambos a entrada (base-emissor) e a saída (coletor-emissor).

A entrada está sobre a Base e a saída está sobre o Coletor.

Características da montagem:

o Ganho em corrente: grande.

o Ganho em tensão: médio.

o Resistência de entrada: média.

o Resistência de Saída: média.

o Ganho em potência: Grande

o Defasagem: 180 (defasagem da base para o coletor).

11 Correntes do Amplificador

IE = IC + IB

IC = IE

IC = IE + ICBO

Substituindo,

ICBO = corrente minoritária do coletor. É usualmente tão pequena que pode ser ignorada,

exceto para transistores de alta potência em ambientes de altas temperaturas.

O valor de VBB, tensão aplicada na base, é em torno de 5 a 15 V para aplicações de baixa

tensão. Variando esse valor e o valor da resistência da base (RB) podemos controlar a corrente

da base (IB). No circuito coletor temos uma tensão de alimentação (VCC) e uma resistência do

coletor (RC). A tensão entre o coletor e o emissor é denominada de V CE e a tensão entre a base

e o emissor é denominada de VBE. Como já vimos, a tensão VCC deve polarizar reversamente o

coletor, se não o transistor não operará normalmente. VCE está na faixa de 1 a 15 V.

Corrente na base

A tensão no resistor da base é igual a diferença de potencial entre a tensão da fonte e a tensão

na base-emissor. Usando a lei das malhas temos

No caso do Silício temos VBE igual a 0,7 V. Com essa equação podemos determinar a corrente

que está entrando no transistor pela base, ou seja, a corrente de base.

3) Em um circuito emissor comum as tensões que alimentam a base e o coletor são iguais

a 12 e temos RB = 100 kΩ. Qual a corrente na base? Use a segunda aproximação.

Curva do coletor

Ajustando os valores de VBB e de VCC podemos obter valores diferentes para a tensão e a corrente no coletor e traçamos um gráfico de ICxVCE

Quando VCE for zero, o diodo coletor não está reversamente polarizado e a corrente será nula.

Aumentando a tensão levemente até aproximadamente 1 V, a corrente aumenta mais que a

tensão, ou seja tem um ganho maior que o aumento da tensão. Depois ela se mantém

constante. Acima do valor máximo (tensão de ruptura) o diodo coletor atingirá a ruptura e o

transistor para de funcionar.

As regiões de operações.

Na curva do coletor temos três regiões de operações bem distintas, a saber:

Primeira: entre 1 V e Vmáx → Região de operação Normal. Polarização direta no diodo emissor e

polarização reversa no coletor. É conhecida como região ativa. Na região ativa o transistor

opera como amplificador

Segunda: acima de Vmáx → Região de ruptura. Devemos evitar a todo custo que o transistor

esteja nessa região, se não o transistor poderá ser destruído.

Terceira: entre 0 V e 1 V → Região de saturação. O diodo coletor não esta polarizado

reversamente ainda.

Nas regiões de corte e saturação como chave, ou seja, serve para comutação, conduzindo ou

não.

O transistor trabalhará na região de corte caso a corrente de base seja menor ou igual a zero,

dessa forma a corrente de coletor será nula. Por outro lado, se trabalharmos com uma

corrente de base entre zero e a corrente de saturação (IBSAT), iremos operar na região ativa.

Para uma corrente de base acima de IBSAT, o transistor operará na região de saturação, ou seja,

circular pelo coletor uma corrente limite (ICCSAT), imposta de acordo com a polarização.

Tensão e Potência do Coletor.

No circuito anterior, tomemos o circuito coletor (malha da direita) e usando Kirchhoff, temos:

Esta é a equação para descobrirmos qual a tensão está sendo aplicada entre os terminais emissor e coletor do transistor. Para sabermos a potência dissipada no transistor podemos

utilizar a seguinte expressão: .

Reta de carga.

A reta de carga é usada para determinar os pontos de operação de um transistor (como fizemos nos diodos). A obtenção desta reta é muito parecida com o que fizemos para obtermos a reta de carga do diodo. Tomemos o circuito abaixo

Tomemos no circuito os seguintes valores:

VBB = 15 V; VCC = 15 V; RC = 3 kΩ.

Com isso temos somente no circuito coletor:

Ponto de corte:

Ponto de corte é onde a reta de carga intercepta a região de corte das curvas do coletor. Este ponto é quase idêntico ao ponto inferior da reta. O ponto diz qual a tensão máxima possível nos terminais coletor-emissor. Podemos encontrar este valor zerando a corrente.

Ponto de saturação:

Ponto de saturação é o ponto onde a reta de carga intercepta a região de saturação. Este ponto é quase idêntico ao ponto superior da reta de carga. Este ponto nos diz qual é a máxima corrente possível para o coletor neste circuito. Este ponto é encontrado fazendo a tensão entre o coletor e o emissor igual a zero.

Ponto de Operação.

Após a obtenção dos pontos de saturação e de corte, podemos encontrar o ponto de operação (ponto Q) do transistor. Este ponto é a intersecção entre a curva do transistor e da reta de carga do transistor.

Para um circuito onde temos VBB = 15 V; RB = 500 Ω e βCC = 100 temos

Como temos uma queda no resistor do coletor de , podemos

afirmar que a tensão entre o emissor e o coletor é igual a

Com isso temos o ponto de operação para este transistor nesse circuito com os valores de 6V

para a tensão entre o coletor e o emissor e uma corrente de 3 mA pelo coletor. O ponto de

operação é chamado de ponto Q e é dado pelo gráfico nos pontos (IC,VCE).

Identificando a saturação.

Como saber se o transistor está na região ativa ou de saturação? Temos duas maneiras para

fazer isso.

1) Processo por absurdo →usado pelos técnicos:

a. Suponha que o circuito está na região ativa

b. Faça os cálculos necessários

c. Se aparecer um valor absurdo, a suposição é falsa.

Exemplo: na figura temos o circuito:

Calculemos IB:

Como , temos: . Então

Como supomos que o transistor estava na região ativa e encontramos uma resposta absurda temos que o transistor está na região de saturação.

2) Outro método

Calcule a corrente de saturação do coletor.

Essa corrente é a maior corrente possível para este circuito. Como idealmente a corrente na base é de 0,1 mA e como βCC = 50, temos a corrente no coletor igual a 5 mA. Mas esse valor é acima de 2 mA, isto implica que o transistor está saturado, ou seja, se:

ganho no circuito emissor comum.

Operando na região ativa, pequenas variações na voltagem de entrada causam grandes variações sobre a resistência do coletor (RC). Para calcularmos o ganho do circuito (A) devemos tomar a tensão de saída e dividirmos pela tensão de entrada. Se este valor for maior que 1 temos um circuito amplificando o sinal. Se este valor for menor que 1, o circuito não amplifica o sinal. No circuito anterior podemos calcular este ganho.

A tensão na resistência do coletor (tensão de saída) é dada por:

Com isso temos o ganho dado por:

Podemos calcular o ganho simplesmente por:

12 Beta cc ( β CC) - Ganho de Corrente

O βCC relaciona a corrente do coletor com a corrente da base, ou seja, quanto a corrente do

coletor é maior que a corrente da base, sabendo que a corrente do coletor é muito maior que

a corrente da base. Quase todos os transistores possuem βCC em torno de 20, ou seja, a

corrente no coletor é 20 vezes maior que a corrente na base. Podemos encontrar β CC variando

de 20 a 300, e em alguns casos, temos transistores com βCC de 1000. Os valores mais comuns

são entre 50 e 400.

O parâmetro βCC é conhecido como ganho de corrente e pode ser calculado da seguinte

maneira:

Onde IC é a corrente no coletor (corrente amplificada) e IB é a corrente na base (corrente a ser

amplificada).

No modo CA: ele é chamado de fator de amplificação de corrente direta em emissor-comum

indica o fator de amplificação do transistor. ( é algumas vezes referido como hfe nas folhas

de dados dos transistores, um termo usado para os modelos de cálculo do transistor)

Determinando beta () a partir de um gráfico

Note: ac = dc

13 Relação entre e

Ambos indicam um fator de amplificação.

Exercícios

4) Qual será a tensão entre o coletor e o emissor em um circuito se a corrente do coletor

for de 1 mA, a resistência do coletor for de 3,6 kΩ e a tensão de alimentação do

coletor igual a 30 V?

5) Qual é a tensão entre o coletor e o emissor na figura abaixo. Use o transistor ideal.

6) Qual é a tensão entre o coletor e o emissor no circuito do exercício 5. Use a segunda

aproximação?

7) Qual será a tensão entre o coletor e o emissor na figura abaixo se a tensão de

alimentação da base for de 5 V? Use a segunda aproximação.

8) Encontre:

a) Dado que alfa = 0,987, determine o valor correspondente de beta

b) Dado beta = 120, determine o valor correspondente de alfa

c) Dado que beta = 180 e Ic = 2,0 mA, determine IE e IB.

14 Configuração Coletor Comum

A entrada é sobre a base e a saída sobre o emissor.

Características de montagem:

o Ganho de corrente: grande.

o Ganho de tensão: pequeno aproximadamente 1.

o Resistência de entrada: grande.

o Resistência de saída: pequena.

o Ganho de potência: pequeno.

o Defasagem: zero (não há defasagem entre base e emissor).

o Sinal: entrada na base e saída no emissor.

Características do Coletor Comum

É utilizada principalmente para o casamento de impedâncias (resistências) onde a entrada

possui um valor alto e a saída um valor baixo (oposto ao encontrado nas outras configurações)

Limitações de Operação para cada configuração

Note: VCE é máximo e IC é mínima (ICmax=ICEO) na região de corte.

IC é máxima e VCE é mínima (VCE max = VCEsat = VCEO) na região de saturação.

O transistor opera na região ativa entre saturação e corte.

Dissipação de Potência

Common – Base:

Common – Emitter:

Common – Collector: