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Eletrônica Básica 1
Aula 10: Transistor Principio de Funcionamento  - Curvas características - Regiões de operação
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica
1. Introdução
John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e desenvolveram o primeiro dispositivo em Dezembro de 1947 nos laboratórios da Bell em Murray Hill, NJ. Eles ganharam o premio Nobel de física em 1956.

2. Transistor bipolar: construção básica  e princípios de funcionamento
    Existem dois tipos básicos de transistores de  acordo com  o tipo de dopagem de cada terminal (base, coletor e emissor), NPN e PNP. A figura a seguir mostra de forma simplificada a estrutura na forma de sanduíche e a simbologia. Observar a assimetria existente.

                                                 ( a )

                                           ( b )
Figura 1 - Estrutura fisica e  simbolo de  transistor   ( a ) NPN   ( b ) PNP

Cada uma das regiões  do transistor tem uma característica.

  • A base é a mais estreita e menos dopada das três (é extremamente fina !!);
  • O emissor que emitirá os portadores de carga (elétrons no caso de transistor NPN ou lacunas no caso de transistor PNP) é a mais dopada das três (maior concentração de impureza);.
  • O coletor é a mais extensa, pois ai é que será dissipado potência.


2.1. Polarizando o transistor: O Efeito Transistor
        Neste curso será considerado o transistor NPN para o estudo, para o PNP basta Inverter o sentidos das correntes e tensões. Considere na Figura 2a a condição chamada de Polarização Direta-Direta, isto é, as duas junções, Base-Emissor e Base-Coletor estão polarizadas DIRETAMENTE, então existe uma corrente nos circuitos de base e coletor como indicado. Se as duas baterias inverterem as suas polaridades  as duas junções estarão polarizadas REVERSAMENTE, portanto as correntes são nulas.

Figura 2 - ( a ) Polarização direta-direta   ( b ) polarização reversa-reversa

         Agora considere  a condição indicada na Figura 3, polarização direta-reversa, onde a junção base emissor está polarizada diretamente e portanto a corrente nesse circuito não é nula. A junção base coletor está polarizada reversamente, era esperado corrente zero nesse circuito, no entanto a corrente é da mesma ordem de grandeza da corrente no emissor!!! Como explicar isso? É o que faremos em seguida.


Figura 3 - Polarização direta-reversa


Explicando o Efeito Transistor
        Na Figura 4  os elétrons são emitidos do emissor já que a junção  base emissor está polarizada diretamente. Os elétrons atingem a base, como ela é muito fina e pouco dopada, a maior parte consegue atingir o coletor onde são acelerados pelo campo elétrico ai existente, apenas alguns poucos elétrons (1% ou menos) conseguem se recombinar com as lacunas da base, formando a corrente de base, os outros  atingem o coletor, dai que a corrente de coletor é aproximadamente igual à corrente de emissor.


Figura 4 - As correntes internas em um transistor com polarização direta-reversa


Na Figura 4 o sentido das correntes externas é o convencional. A configuração da Figura 4 é chamada de base comum.

O  circuito da Figura 5 mostra o mesmo circuito da Figura 4 considerando o simbolo do transistor. A forma de ligar o transistor na Figura 5 é chamada de base comum.

Figura 5 - Ligação base comum com polarização direta-reversa


O transistor pode ser considerado um nó, logo a primeira Lei de Kirchhoff pode ser aplicada.

IE= IC+IB
O transistor pode tambem ser considerado uma malha, logo a segunda  Lei de Kirchhoff pode ser aplicada.

VCE=VBE+VCB

Define-se o ganho de corrente alfa
 

 
como sendo  o ganho de corrente na configuração  base comum

 
Exemplo:  IE=2 mA   e  IC=1,98 mA

IB= IE – IC=2mA – 1,98  mA=0,02mA=20 mA
 
O valor do parâmetro alfa depende da construção do transistor (TR).

3. A Configuração emissor comum
    Na continuação da analise o transistor é conectado de outra forma, mas  a  junção base emissor continua polarizada diretamente e a  junção base coletor continua polarizada reversamente,  o que muda terminal de entrada, de saída e ponto comum. A configuração da Figura 6 é chamada de Emissor Comum, pois o terminal de emissor é comum ao circuito de entrada e saida.
 

                         
Continuam validas as equações:

 
IE= IC+IB                   VCE=VBE+VCB

 
O Ganho de corrente β
 
Para a montagem emissor comum define-se o ganho:



 
Esse parâmetro também é designado por  hFE nos manuais

 
Por exemplo:   IC=2mA  e   IB=20μA



 
Se IB = 40 µA quais os valores de IC e IE com β=100?

        O valor do b  não é constante varia com a temperatura e com o valor da corrente de coletor e com o transistor (mesmo entre transistores da mesma familia). A Figura  7a mostra o grafico do ganho beta (HFE) em função da corrente de coletor, e a Figura 7b mostra uma parte de uma tabela com limites do ganho beta para alguns tipos de transistor.

 
            Curva de HFEx  IC - BD135 - FAIRCHILD                      
  
                                   ( a )                                                                             ( b )
Figura 7 - ( a ) Curva do ganho de corrente bxIc  ( b ) parte de uma folha de dados (Datasheet)


 Os transistores são construídos  para  aplicações especificas (áudio, vídeo, chave, etc) ou mesmo uso geral e por isso mesmo tem diferentes tamanhos e características.  

Figura 8 - Diferentes tipos de transistores

 
   As grandezas que determinam os principais limites em um transistor são a máxima corrente de coletor, a máxima tensão inversa entre base e emissor, a máxima tensão inversa entre emissor e coletor e a máxima potencia dissipada pelo transistor. A Figura 9 mostra uma parte de um data sheet (folha de dados) de uma familia de transistores de uso geral.

 NPN general purpose transistors BC546; BC547; BC548 (Fabricante Philips)

Figura 9 - Parte de uma folha de dados de transistores de uso geral


4. Curvas características – Regiões de operação
          Antes de mostrar as curvas caracteristicas  considere  um transistor com =200 no qual  a corrente de base é 10 A. Qual será o valor de Ic? Quais os novos valores de Ic para IB = 40 A, 100 A e 1 A? Observe  que não existe circuito externo.

Figura 10 - Transistor com diferentes correntes de base e coletor - Ic=200.Ib

 
Quais os limites para as correntes? Depende do circuito externo e do transistor.

Considere que  o TR da Figura 10 é conectado a uma bateria e a uma resistencia conforme Figura 11.  O que acontece com a corrente de coletor  para IB=10 A, 40 A, 60 mA, 100 A e 0?

                             ( a )                                                   ( b )                                             ( c )                                                             ( d )
Figura 11 - Transistor com diferentes correntes de base e coletor
 
        Observe que nos casos ( a ), ( b) e ( c )  da Figura 11 a corrente de coletor, IC,  é proporcional a IB, o limite é IB=60 A. Para qualquer valor IB maior que 60 A a corrente de coletor não aumenta mais.Por que? Porque o transistor saturou, isto é, a maxima corrente de coletor possivel nesse caso é 12 mA. Veja que na malha existem tres tensões, Vcc(12V), VRC(12V) e VCE(0V), a relação entre elas:

VCC=VRC+VCE     e a soma deve ser sempre igual a 12V no exemplo (Kirchhoff  !!!!)

 O que  acontece se a corrente de base é zero? Neste caso a corrente de coletor tambem é zero, consequentemente VRC=0 e logo VCE=12V, na Figura 12., dizemos que o transistor cortou ou abriu (o transistor se comporta como uma chave aberta).

Figura 12 - Transistor na saturação

Exercicio resolvido
No circuito da Figura 11 considere que Rc= 2 k,  =200 e VCEsat=0 V. Qual a menor corrente de base que satura o transistor?

Solução: Inicalmente indicando VCE=0 V, Figura 13a. De acordo com Kirchhoff, VRC=12 V, Figura 13b. Agora de acordo com Ohm        IC=12V/2k=6 mA que é a corrente de saturação de coletor (ICsat).Como no limite ainda vale    Ic=b.IB  então     IB=6mA/200= 30 A
  
                          ( a )                                                                            ( b )
Figura 13 - Circuito para exercicio resolvido

4.1. Curvas características de coletor  
       São  gráficos  de ICxVCE  tendo IB como parâmetro, para obter  esse grafico  é usado o circuito da  figura 14 onde a bateria VBB é ajustada para ajustar um determinado  valor da corrente de base, IB.



Figura 14 - Circuito para obter as curvas caracteristicas de coletor


 
Por exemplo: VBB é ajustado para IB=10 A e VCE  é variado, variando-se  VCC. Nessas condições  IC  é medido e anotado em uma tabela, Figura 15.

                                  ( a )                                                                            ( b )
Figura 15 - ( a ) Curva de IcxVCE para IB=10μA  ( b ) tabela a ser preenchida para obter a curv
a

      Observar que a a corrente de coletor aumenta com o aumento em VCE até aproximadamente VCE=1 V, pois é a partir desse valor que a junção base coletor começa a ficar polarizada reversamente e o Efeito Transistor atua. À medida que VCE aumenta, a corrente de coletor fica aproximadamente constante em 2 mA. O pequeno aumento deve-se ao Efeito Early. Quando aumenta a polariação reversa da junção base coletor, aumenta a região de carga espacial dessa região o que aumenta as chances de coletar eletrons adicionais que saem do emissor, esse é o Efeito Early.

 
Observar a relação entre as duas correntes, a de coletor, IC, e a de base, IB, determina o ganho beta:



 
Se o procedimento for repetido para outros valores de IB serão obtidas varias curvas chamadas de curvas características de coletor, figura 16.


Figura 16 - Curvas caracteristicas de coletor
 
 
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