Electronica básica

Curso médio Electrónica Básica

Transístores

Transístor BipolarExiste uma infinidade de sinais de interesse em electrónica que são muito fracos, como por exemplo, as correntes eléctricas que circulam no corpo humano, o sinal de saída de uma cabeça de gravação, etc., e para transforma-los em sinais úteis torna-se necessário amplifica-los. Antigamente, a válvula era o

elemento principal nessa tarefa. Em 1951, foi inventado o transístor. O transístor contribuiu para todas as invenções relacionadas, como os circuitos integrados, componentes opto-eletrônicos e microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos electrónicos projectados hoje em dia usam componentes semicondutores.

As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas, tais como:

Menor tamanho Muito mais leve Não precisa de filamento Mais resistente Mais eficiente, pois dissipa menos potência Não necessita de tempo de aquecimento Baixo consumo.

O princípio do transístor é poder controlar a corrente. Ele ehh formado por três camadas. O conceito bipolar vem do fato que esses transístores são formados pela junção de dois materiais tipo n com um material tipo p ou vice-versa, ou seja, o transístor é um dispositivo semicondutor de três camadas: duas camadas tipo n e uma tipo p (chamado de transístor npn), ou duas tipo p e uma tipo n (chamado de transístor pnp). Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transístor, As extremidades são chamadas de emissor e colector, e a camada central é chamada de base.

Fig1. Composição do transístor b)Símbolo esquemático

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O transístor é hermeticamente fechado em um encapsulamento plástico ou metálico de acordo com as suas propriedades eléctricas.

Características Construtivas e os níveis de dopagem de cada material. - O emissor possui uma dopagem forte, pois sua função, como o próprio nome sugere, é emitir electrões na base.- A base é uma região muito fina e levemente dopada, a fim de permitir que a maioria dos electrões injectados na base passem para o colector (não consegue absorver todos os portadores emitidos pelo emissor).- O colector possui um nível de dopagem intermediário entre a forte dopagem do emissor e a fraca dopagem da base. O colector é assim chamado porque ele colecta os electrões que vêm da base. A região de colector é muito maior que as outras regiões devido ao fato de ser nesta região que se dissipa todo calor gerado durante o funcionamento do transístor.

O Transístor não-polarizadoO transístor tem duas junções: uma entre a base e o emissor e outra entre a base e o colector. Por isso o transístor é similar a dois díodos. A base e o emissor formam um dos díodos, enquanto a base e o colector formam o outro díodo. Daqui em diante, vamos nos referir a esses díodos como díodo emissor e díodo colector.Resumidamente, Um transístor não-polarizado pode ser visto como dois díodos. Cada díodo tem uma barreira de potencial de aproximadamente 0,7 V.

Funcionamento de Transístores bipolaresO comportamento básico dos transístores em circuitos electrónicos é fazer o controlo da passagem de corrente entre o emissor e o colector através da base. Para isto é necessário polarizar correctamente as junções do transístor.

Polarizando directamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-colector, a corrente de colector IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.

Fig2. Polarização do TBJ para operar no modo activo

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Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de colector IC e vice-versa.

A corrente de base sendo bem menor que a corrente de colector, uma pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC, Isto significa que a variação de corrente de colector é um reflexo amplificado da variação da corrente na base.

O fato do transístor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo activo.

Este efeito de amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do colector e a variação da corrente de base, isto é:

Ganho (β )=∆IC∆ IB

Tensões e Correntes nos Transístores NPN e PNP

Fig3. Tensões e correntes no TBJ

Aplicando as leis de Kirchoff obtemos:

IE = IC + IB

NPN: VCE = VBE + VCB

PNP: VEC = VEB + VBC

A relação entre a corrente contínua de colector e a corrente contínua da base é chamada de ganho de corrente βcc

βcc=IcIB

Em geral, mais de 95% dos electrões livres atingem o colector, ou seja, a corrente de emissor é praticamente igual a corrente de colector. O parâmetro α cc de um transístor indica a relação entre a corrente de emissor e colector:

α cc=I cIE

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Quanto mais fina e levemente dopada a base, mais alto o α cc. Pode-se relacionar α cc com o βcc :

βcc=αcc

1−α cc

Exemplo: um transístor (tem num dado circuito) tem uma corrente do colector de 2mA. Se o ganho de corrente for de 135, qual será a corrente na base?

IB=2mA135

=14,8 μA

O modelo de Ebers-Moll

Na análise ou projecto de um circuito transistorizado, tem-se dificuldade em trabalhar com o transístor a nível de malhas. Uma opção é a de se criar um circuito equivalente para o transístor usando componentes mais simples como fonte ou resistor.

O modelo de Ebers-Moll é um circuito equivalente do transístor levando em consideração que ele esteja trabalhando na região activa, ou seja: o díodo emissor deve estar polarizado directamente; o díodo colector deve estar polarizado reversamente e a tensão do díodo colector deve der menor do que a tensão de ruptura. Veja a fig.4.

Fig.4 O Modelo de Ebers-Moll

Na utilização do modelo de Ebers-Moll, geralmente é usada a aproximação como segue:

1. Use VBE igual a 0,7 V para os transístores de silício (0,3 V para os transístores de germânio).

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2. Despreze a queda IB rb (isso equivale a considerar o produto de IB e rb como sendo desprezivelmente pequeno). 3. Considere Ic como sendo igual a IE, porque αCC é aproximadamente igual à unidade.

4. Use IB como sendo aproximadamente igual a IEβCC

, porque Ic é

aproximadamente igual a IE.

Ponto de Operação (Quiescente)

Os transístores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou como elementos de controlo ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transístor deve estar polarizado correctamente.

Polarizar um transístor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características.

Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou activa da curva característica de saída.

TBJ. Modos de operação

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Recta de carga

Da malha de saída tem-se:

V CC=RC IC+V CE

IC=V CC−V CE

RC

Equação de uma recta, em que:

Para IC=0, implica VCE=VCC

Para VCE=0, implica que IC=V CCRC

PFR=Ponto de Funcionamento em repouso

PFR(V CEQ , ICQ

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Configurações BásicasOs transístores podem ser utilizados em três configurações básicas:

Base Comum (BC). Emissor comum (EC). Colector comum (CC).

O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.

Fig5. Configurações básicas

Resumo das 3 Montagens

Configuração Base comum• Ganho de corrente baixo (muito próximo, mas menor que 1);• Ganho de tensão elevado;• Ganho de potência moderado (na ordem de 1500);• Impedância de entrada baixa (0,5 Ω a 50 Ω);• Impedância de saída elevada (1 kΩ a 1 MΩ);• O sinal de saída está em fase com o de entrada.Configuração Colector comum• Ganho de corrente elevado;• Ganho de tensão baixo (menor que 1);• Ganho de potência moderado (mas menor que o da base comum);• Impedância de entrada alta;• Impedância de saída baixa;• O sinal de saída está em fase com o de entrada.

Configuração Emissor comum• Ganho de corrente elevado;• Ganho de tensão elevado;• Ganho de potência elevado;• Impedância de entrada média (20 Ω a 5 kΩ);• Impedância de saída média (inferior à da base comum);• O sinal de saída está em oposição (desfasamento de180º) relativamente ao de entrada.

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Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transístores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuração emissor comum.

Polarização do transístor  A polarização do transístor é necessária para assegurar a polarização directa da junção base - emissor, e a polarização inversa da junção base - colector.

  

Os efeitos exteriores, como a temperatura e a luz podem afectar a polarização do circuito, devendo haver uma compensação a estas alterações. Como um amplificador transistorizado pode funcionar entre o corte e a saturação, a polarização deve assegurar que o transístor nunca atinja a saturação nem o corte quando o sinal de entrada é introduzido, para funcionar no modo activo. Se isso suceder, haverá uma distorção no sinal de saída. 

 Fig.6 – Amplificação de um sinal.

   

Polarização de base  

Fig.7 – Esquema de polarização da base 

A figura 7 mostra um circuito amplificador com polarização de base ou polarização fixa. O circuito é composto por quatro componentes. A resistência Rb polariza directamente a junção base - emissor, e a resistência Rc polariza inversamente a junção colector - base. O condensador Cc evita que a tensão DC existente no sinal de entrada, afecte a polarização estabelecida no circuito. Este tipo de polarização usa poucos componentes, mas tem alguns inconvenientes:Se a temperatura aumentar, o beta também aumenta fazendo aumentar a corrente de colector. Se a temperatura diminuir, o beta diminui fazendo

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diminuir a corrente de colector. Isto pode levar o transístor a atingir a saturação ou corte, distorcendo o sinal de saída. Este tipo de polarização é bastante usado em circuitos digitais, onde a distorção do sinal não tem qualquer significado, visto que o transístor funciona no corte e na saturação.

  

Polarização com realimentação de colector  

 Fig.8 – Polarização com realimentação

  

Na figura 8 encontra-se um exemplo de um amplificador polarizado com realimentação de colector. Este tipo de polarização tenta solucionar o problema existente na polarização de base.Se houver um aumento na corrente do colector devido a um aumento na temperatura, ou outra razão, será compensada pela auto - polarização.O aumento da corrente do colector, aumenta a condução do transístor.Qualquer aumento na condução, causa um aumento na queda de tensão em RL, e uma diminuição na tensão do colector.A diminuição da tensão do colector é transmitida à base pela resistência Rb.A diminuição da tensão na base, diminui a polarização directa da junção emissor - base, diminuindo a corrente de colector, e compensando o efeito provocado pelo aumento da temperatura. Uma diminuição na corrente do colector, causada por uma diminuição na temperatura, ou outra razão, é também compensada pela auto - polarização. A diminuição na corrente de colector, diminui a condução do transístor. Qualquer diminuição na condução, causa uma diminuição na queda de tensão de RL, e um aumento na tensão do colector. O aumento da tensão de colector é transmitido à resistência de base, Rb. O aumento da tensão na base, aumenta a polarização directa da junção emissor - base, aumentando a corrente de colector, e compensando o efeito provocado pelo decréscimo da temperatura. 

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A auto - polarização tem duas desvantagens. Primeiro, só pode ser usada onde existam alterações moderadas de temperatura. Segundo, ela reduz a amplificação. Isto ocorre devido aos sinais do colector e da base estarem 180 graus desfasados. O desfasamento do sinal de realimentação do colector, que é usado para a polarização, reduz parte do sinal de entrada da base. O processo de reenviar parte do sinal de saída para a entrada é conhecido por "realimentação negativa".

  

Polarização por divisor de tensão A polarização por divisor de tensão, é também conhecida por polarização mista, visto que são usadas em conjunto a polarização fixa e a auto - polarização. Assim se consegue aumentar a estabilidade, e ultrapassar algumas das desvantagens dos outros métodos de polarização anteriores. A figura 9 ilustra uma configuração típica de um amplificador polarizado por divisor de tensão. 

 

 Fig.9 – Polarização por divisor de tensão

  

A polarização fixa é fornecida pela malha R1, R2. A circulação da corrente através da malha, da terra para o Vcc, polariza a base positivamente em relação ao emissor. R3 é ligada em série com o emissor, para proporcionar uma auto - polarização. Se a corrente do emissor aumentar, a queda de tensão através de R3 aumenta, diminuindo a tensão do colector. Como R3 aplica uma auto - polarização, isto significa outra forma de realimentação, diminuindo a saída do amplificador. O condensador de acoplamento Cbp, é usado para compensar parcialmente a realimentação. 

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Isto é conseguido passando para a terra as variações AC do emissor, enquanto permite que a polarização do emissor se altere com as mudanças da condução do transístor. A combinação de R1 e R2, aplica uma polarização fixa à base, e R3 e Cbp, aplicam uma auto - polarização, melhora a estabilidade térmica, e mantém a polarização do transístor no ponto correcto. 

 Polarização do emissor

 

 Fig.10 – Circuito de Polarização de Emissor

  

A figura 10 mostra um circuito típico da polarização de emissor. A sua vantagem é que proporciona uma estabilização muito sólida. Qualquer variação de temperatura que afecte a condução, é compensada pelas resistências de emissor e de colector. Existe uma desvantagem importante com este circuito; são necessárias duas fontes de alimentação, uma positiva e outra negativa. Embora todos os circuitos apresentados, contenham transístores NPN, o funcionamento é o mesmo com transístores PNP. As únicas diferenças serão na polaridade das fontes de alimentação. Lembre-se de que o transístor PNP necessita de uma polaridade positiva enquanto que o PNP necessita de uma polarização negativa. 

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