aulaEN10 - eletronica24h

Stats For Free

Ir para o conteúdo

Menu principal:

Educacional > Cursos > Eletronica Basica 1

Aula09 Indice de Aulas Aula11

Eletrônica Básica 1

Aula 10: Transistor principio de funcionamento

Bibliografia

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 a 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

Obs: 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.

( a ) ( b )
Figura 6 - Ligação Emissor Comum ( a ) correntes internas ( b ) circuito com simbolo e correntes externas

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=20 μA

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

Se o transistor estiver com polarização direta-reversa, vale a relação Ic=b.IB, logo IC=100. 40 µA =4000 µA=4 mA

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.

( 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 para diferentes aplicações

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.

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 b =200 no qual a corrente de base é 10 μA. Qual será o valor de Ic? Quais os novos valores de Ic para IB = 40 μA, 100 μA e 1 A? Observe que não existe circuito externo.

Figura 10 - Transistor com diferentes correntes de base e coletor - Ic=b.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 de 12 V e a uma resistencia de 1 k conforme Figura 11. O que acontece com a corrente de coletor para IB=10 mA, 40 mA, 60 mA, 100 mA e 0?

( a ) ( b ) ( c ) ( d )

Figura 11 - Transistor com diferentes correntes de base e coletor ( a ) IB=10 mA, ( b ) 40 mA ( c ) 60 mA, ( d ) 100 mA

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 μA. Para qualquer valor IB maior que 60 μA a corrente de coletor não aumenta mais.Por que? Porque o transistor saturou, isto é, as duas junções estão polarizadas reversamente. A corrente de coletor fica constante sendo maxima 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

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=12 V, na Figura 12. Dizemos que o transistor está cortado, as duas junções estão polarizadas reversamente. para cortar um transistor a tensão na base deve ser menor ou igual a zero se for transistor de Si. Se for de Ge deve ser menor que -0,4V.

Figura 12 - Transistor na saturação

Exercicio resolvido

No circuito da Figura 13 considere que Rc= 2 k, b=200 e VCEsat=0V. Qual a menor corrente de base que satura o transistor?

Solução: Inicalmente indicar as tensões , Figura 13a. De acordo com Kirchhoff VRC=12V - 0V=12V, 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 IBmin=6mA/200= 30 mA

( a ) ( b )
Figura 13 - Circuito para exercicio resolvido ( a ) VCEsat indicado ( b ) VRC indicado

Aula09 Indice de Aulas Aula11