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Aula09 Indice de Aulas Aula11
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
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 1 mostra de forma simplificada a estrutura na forma de sanduíche e a simbologia. Observar a assimetria existente.
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
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
a=Ic/IE
como sendo o ganho de corrente na configuração base comum
Exemplo: IE=2 mA e IC=1,98 mA
a=1,98mA/2mA=0,99
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 é o 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 ) Estrutura fisica ( b ) Circuito
No circuito da Figura 6a continuam validas as equações:
IE= IC+IB VCE=VBE+VCB
Define-se o ganho de corrente na configuração Emisso como sendo
β=IC/IB ou IC= β. IB
Esse parâmetro também é designado por hFE nos manuais
Por exemplo: IC=2mA e IB=20 μA
β=2mA/20mA = 2mA/0,02mA=100
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.
( a ) ( b )
Figura 7 - ( a ) Curva do ganho de corrente bxIc ( b ) parte de uma folha de dados (Datasheet)
Observar na Figura 7a que a escala de corrente não é linear e sim logaritmica.
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 e diferentes encapsulamentos (case)
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
Observação: a data de 1997 Mar 04 é a ultima revisão
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 mA. Qual será o valor de Ic? Quais os novos valores de Ic para IB = 40 mA, 100 mA 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 mA, 40 mA, 60 mA, 100 mA e 0? Clique na imagem do circuito e acesse o arquivo Multisim Live
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 mA. Para qualquer valor IB maior que 60 mA 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 no corte
Exercicio resolvido
No circuito da Figura 11 considere que Rc= 2 k, b=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 mA
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.
IB=(VBB - VBE)/RB
( a ) ( b )
( c )
Figura 14 - ( a) Circuito para obter as curvas caracteristicas de coletor ( b ) Multisim Live ( c ) Curvas ( d ) Tabela de valores
Arquivo Multisim - Com os dados obtidos voce desenha o grafico de IcxVce
Obs: Os dados da tabela foram obtidos por mim. Tente voce.
Por exemplo: VBB é ajustado para IB=10 mA e VCE é variado, variando-se VCC. Nessas condições IC é medido e anotado em uma tabela, Figura 15.
Figura 15 - ( a ) Curva de IcxVCE para IB=10μA ( b ) tabela a ser preenchida para obter a curva
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:
b=2mA/10mA= 100
b=2mA/10mA= 100
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
Arquivo Multisim - Atraves de uma analise DC Sweep o Multisim desenha os graficos
5 Exercicios propostos
5.1 No circuito determinar:
Considerar VBEsat=0,7 V e VCEsat=0V
a) Valor do beta do transistor.
b)Qual o menor valor de IB que satura o transistor?
c) Qual o valor de IB que muda a indicação de VCE para 10V?
5.2 Se o transistor tem beta igual a 200 quais os valores de IC, IB e RB? Dados: VBE=0,7V VBB=10V 