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Eletrônica Aula 04 - transistor
CIN-UPPE
Transistor O transistor é um dispositivo semicondutor que tem como função
principal amplificar um sinal elétrico, principalmente pequenos sinais, tais como: – Sinal de TV – Sinal de rádio – Sinal biológico – ...............
O primeiro transistor de junção (Germânio) foi inventado em 1951, por Shockley.
Transistor
O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, as quais apresentavam desvantagens, tais como: – Alto aquecimento – Pequena vida útil (alguns milhares de horas) – Ocupa mais espaço que os transistores
A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.
Transistores Válvula Primeiro transistor de germânio
John Bardeen and Walter Brattain at Bell Laboratories.(1947)
PDP-8 Primeiro Microcomputador Em transistor(1965)
Primeiro transistor comercial em silício(1954)
4004 Primeiro Microcomputador Em CI (1971)
Evolução da complexidade dos CIs
Transistor
Tipos – BJT – Transistor de junção (bipolar)
• Bipolar (elétrons e buracos) – MOS – Metal Óxido Silício
• Unipolar (elétrons)
Transistor de Junção (BJT) - NPN
E
C
B
Transistor de Junção (BJT) - PNP
E
C
B
Correntes no transistor
IE = IB + IC
Modelo convencional
IC
IE
IB
Modelo Real
IC
IE
IB
O que torna o transistor interessante e útil é o fato de que a corrente de coletor é bem maior que a corrente de base.
Para um transistor típico, 95% a 99% dos portadores da carga do emissor são emitidos pelo coletor e constituem-nos quase toda a corrente de coletor.
Transistor
α ≅ 0.95 α = IC / IE
IC e ligeiramente menor do que IE
O ganho de corrente de um transistor é definido como a corrente do coletor dividida pela corrente da base
β = IC / IB
Transistor - característcas
Transistores de baixa potência têm ganho de corrente da ordem de 100 a 200.
Transistores de alta potência têm ganho de corrente da ordem de 20 a 100.
Características EC CC BC Ganho de potência sim sim sim Ganho de tensão sim não sim Ganho de corrente sim sim sim Resistência de entrada 3.5KΩ 580KΩ 30KΩ Resistência de saída 200KΩ 3.5KΩ 3.1MΩ Mudança de fase da tensão sim não não
Transistor - Configurações
Emisor comum Coletor comum Base comum
Transistor – Emissor comum - características
IE = IB + IC
VCE = VC – VE
VCB = VC – VB
IB = (VIN - VBE )/RB
0.7V
Curva da base out
VBE
Transistor – Curvas do coletor
Tensão de ruptura
Joelho da curva
Região de saturação
VBE =Vγ IB > 0 IC/IB < β
Região de corte
VBE < Vγ IB = 0 IC≈ IE ≈ 0
Corrente IC constante (região ativa) VBE =Vγ
IB > 0 IC/IB = β ≈ constante
IB = (VIN - VBE )/RB
0.7V
Curva da base
C
E
B
Transistor – regiões de operação
Modo de operação
Junção EB (emissor-base)
Junção BC (emissor-coletor)
Aplicações
Zona ativa Polarização direta
Polarização inversa
Amplificadores
Zona de corte Polarização inversa
Polarização inversa
Interruptores, Portas Lógicas, Circuitos TTL,
etc. Zona de saturação
Polarização direta
Polarização direta
Transistor – Região de saturação
Região de saturação – Está região representa a região no qual a corrente do coletor
cresce bastante com o aumento da tensão entre o coletor e emissor (0 a 1 V)
– Nesta região o diodo coletor base está diretamente polarizado. – O valor de resistência da carga deve ser pequena bastante para
levar o transistor para a saturação, de forma que quase toda a tensão da fonte é aplicada na carga.
carga
VBE =Vγ IB > 0 IC/IB < β
VB=0,6V
VC=0,2V
VE=0V
VC=0,2V
VC≅9,8V
IC = IB*βmA
Transistor – Região de corte
Região de corte – Nesta região a corrente de base é nula. – Existe apenas nesta configuração uma pequena corrente de fuga do
coletor.
VBE < Vγ IB = 0 IC≈ IE ≈ 0
VBE<0,7V
VC=10V
VE=0V
IC≈0mA
Transistor – Região ativa
Região ativa – Está região representa a operação normal do transistor. Nesta
região o diodo base-emissor está polarizado diretamente e o diodo base-coletor inversamente polarizado.
– Nesta região, o coletor captura praticamente todos os elétrons que o emissor está jogando na base.
VBE =Vγ IB > 0 IC/IB = β ≈ constante
VBE>0,7V
VC
VE=0V
IC VC> VB
Transistor – Reta de carga - Polarização A reta de carga possui todos os pontos de operação do circuito,
considerando as características do transistor. Ponto de saturação – ponto onde a reta de carga intercepta a região de saturação das curvas do coletor. Ponto de corrente Ic máxima do circuito
Ponto de corte – corrente Ic mínima do circuito
Ponto Q(operação)
VCC=IC.RC+VCE
Transistor – curvas características
VOUT=VCE=VCC-IC.RC
VBE
VCE
Polarização de amplificadores emissor comum
Transistores BJT
BJT – Polarização de amplificadores emissor comum
http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf
Vout=VCC-IC.RC, onde IC/IB=β
Vout=VCC-β. IB.RC, com IB=(VIN-Vf)/RB =>
Vout=VCC-β.(RC /RB)(VIN-Vf)
Encontrar um ponto adequado de operação com o mínimo de Instabilidade possível
Parâmetros de instabilidade • temperatura • o ganho de corrente β pode variar bastante entre transistores
Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor).
Neste tipo de configuração a necessidade de mudança de transistores, por exemplo, o 2N3904, que pode ter ganho entre 130-200, pode acarretar mudanças significativas na amplificação do sinal.
Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor).
O transistor pode ir da região ativa para a de saturação.
Transistor – Ponto de operação (região ativa)
10 V 10 V
Cálculo do ponto de operação do circuito: Considere o circuito acima com VBE = 0,7V ; β = 100
IB = (10-0,7)V/300KΩ= 31µA
IC = β. IB => IC = 3,1 mA
VCE = 10-IC.RC => VCE = 10-3,1= 6,9 V
RB = 300KΩ
6,9
3,1
(mA)
(V)
Curva de carga
VCE = VCC-IC.RC
(Cálculo de IB) (Cálculo de VCE)
Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação)
Operação em Região ativa
(Cálculo de IE)
Laboratório
Se um sinal senoidal de amplitude 10µA é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: IB + ΔIB = 10 µA + 5 cos(ωt)
Se IB varia, VBE também varia e conseqüentemente IC e VCE. Assim, com valor central no ponto de operação: IC + ΔCE = 1.0 + 1.5 cos(ωt) VCE + ΔVCE = 5.0 – 2.5 cos(ωt)
5 7.5 2.5
1.0 0.5
1.5
No ponto de operação: IB = 10 µA IC = 1 mA VCE = 5 V
IB = 10 µA + 5 µA
IB = 10 µA - 5 µA
Laboratório
Polarização – (fonte de tensão comum)
In Out
O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do cálculo de RB, RC, VCC e ganho β. Observamos que VCE depende de β diretamente.
Calcular Vout (VCE) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
?
Polarização
Se ou temos:
BE
I1 = IC+IB , como IC>>IB I1 ≅ IC
Desde que IC é independente de β o ponto de operação é estável.
Cálculo de VCE (verificação do ponto de operação)
BE BE
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
VIN VOUT =VCE
VBE
BJT – Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor)
Assim, no ponto Q, Vout é dado por:
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
IB=(VIN-Vf-IE.RE)/RB
Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não interfere significativamente se considerarmos certas relações entre RB e RE
considerando temos que:
Vf=VBE
Como Substituindo IE em IB, temos que: IB=(VIN-Vf)/(RB+(Bf+1)RE)
Como então:
BJT – Polarização com divisor de tensão
Equivalente Thevenin
Encontrar VBB e RBB
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
VOUT
VIN
VBB VBE
Resistência equivalente
Considerando: IE≈ IC ≈ βIB
IB deve ser pequena para não afetar a polarização
Tensão na base
IB
Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor RBB << β RE para termos uma
condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do transistor, assim:
considerando RBB << β RE =>
≈ =>
Observe que VCE independe do ganho
Assim,
≈ Como Ic= βIB => =
Análise CC – estabilidade do circuito
Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE)
VBB = RBBIB+VBE+IERE
constante constante
Se IE aumenta, então VE = REIE também aumenta. Mas, desde que VBB e RB não mudam na malha BE, IB deveria diminuir, reduzindo assim o valor de IC para seu valor original de projeto e o circuito tende a estabilidade. Se IC diminui IB aumenta.
VBE
Polarização com realimentação
Cálculo do valor para VE: Observe que VBE pode variar (0.6 a 0.8 V) para o silício,
principalmente com o aumento da temperatura. Assim, para que esta oscilação VBE não interfira no circuito de
polarização, devemos fazer com que a tensão no emissor seja imune a está variação. Assim, se considerarmos a variação de 0.1 V, teríamos:
Se VBE oscila em torno e 0.1 V, VE = IE.RE >> 0.1 V;
Considere portanto VE em torno 10VBE ou seja VE= 10*0.1 = 1.0V
Exemplo CC
Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 7.5 V. Considere β =100.
Q (ponto de operação)
+15 V
Análise Encontrar RC, RE, R1, R2
Considerações
– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: • VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V
Encontrar RC e RE
– Encontrar equação de tensão da malha CE
• VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)
RC+RE = 1.5K Ω
• A escolha é livre, mas devemos assegurar que VE=IE.RE > 1V Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω
Se fizermos RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω = 220 Ω
= 1.2 KΩ
+15V
Exercício: Encontrar R1 e R2
Cálculo de R1 e R2
Como IB=IC/β => IB= 5/100=0.05mA
Considerando I1 =I2 ≅ 10*IB= 0.5mA
Com VBB =VBE+IERE
VBB =0.7+ 0.005*220
VBB = 1.8 V
R1 = (Vcc-VBB)/I1, assim,
R1 = (15-1.8)/0.0005 =>
R1 = 26.4 KΩ
R2 = (VBB)/I1, assim,
R2 = (1.8)/0.0005 =>
R2 = 3.6 KΩ
Recommended