Transistor Bipolar

Transistor Bipolar

O transistor bipolar é basicamente formado por três camadas de materiais semicondutores, formando duas junções: NPN e PNP.

1º caso: as duas junções inversamente polarizadas.

Neste caso não circula corrente, pois, as duas junções estão inversamente polarizadas, portanto, temos o transistor atuando na região de corte.

2º caso: as duas junções diretamente polarizadas.

Neste caso circula corrente pelas duas junções, portanto, temos o transistor trabalhando na região de saturação.

3º caso: a primeira junção diretamente polarizada e a segunda inversamente polarizada.

Neste caso circula corrente pelas duas junções, apesar da polarização inversa da segunda junção, pois ocorre o efeito transistor.

EFEITO TRANSISTOR

B.P. = Barreira de Potencial (Região de Depleção / Depletion Region)

 Como a primeira junção está diretamente polarizada, os elétrons da região N atravessam-na e penetram na região P onde há algumas lacunas, ocorrendo o processo de recombinação, entretanto a região P é bastante reduzida e muitos elétrons conseguem atingir a segunda junção, atravessam-na e são coletados pelo terminal positivo de V2.  Dessa forma temos circulando pela segunda junção uma corrente que é quase igual à que circula pela primeira junção.

Os terminais do transistor recebem a denominação:

Emissor: pois emite portadores de carga;

Base: é a região central;

Coletor: pois coleta os emissores de carga.

Abaixo: Representação de Transistores NPN e PNP mostrando suas regiões integrantes, incluindo as junções.

Podemos pensar que um transistor bipolar equivale a dois diodos em oposição, como mostra a figura a seguir:

Lembrar disso ajudará muito no teste de transistor, utilizando um multímetro.

SIMBOLOGIA

Configuração do TRANSISTOR

a) Configuração “Base Comum”

Ganho de corrente (α) na configuração base comum:

Ganho de tensão:

Ganho de potência:

b) Configuração “Coletor Comum”

Ganho de corrente na configuração coletor comum:

Ganho de tensão:

Ganho de potência:

c) Configuração “Emissor Comum”

Ganho de corrente na configuração emissor comum:

β = ganho de corrente na configuração de emissor comum.

Ganho de tensão:

Ganho de potência:

Parâmetros α e β de um transistor de junção bipolar

Normalmente os Parâmetros α (alfa) e β (beta) do transistor bipolar são definidos para medir a corrente contínua, mas, às vezes utilizados por alguns autores, para medir indistintamente corrente alternada e corrente contínua.

 Em corrente contínua (CC), os valores de IC e IE estão relacionados por um parâmetro denominado α dado por:

Também, em corrente contínua (CC), os valores de IC e IB estão relacionados por um parâmetro denominado β (h_FE) dado por:

Da equação das malhas de corrente temos:

E tem-se que:

Portanto,

Logo,

Por conseqüência, temos:

Exercício-01

Valor da corrente de base de um transistor é 0,01 (mA) e a corrente de coletor é 1 (mA).  Qual o valor de alfa?

Solução:

Exercício-02

Um transistor possui alfa = 0,957, quais os valores de IB e IC quando a corrente de emissor for 3,5 (mA)?

Solução:

Cálculo de IC:

Cálculo de IB:

Exercício-03

Suponha que o beta de um transistor varia de 20 a 100.  Quais os limites da variação do ganho alfa?

Solução:

Exercício-04

No circuito da figura abaixo, o transistor apresenta α = 0,99 e VBE = 0,7V.  Determine o IC, IB e VCB.

Solução:

CURVAS CARACTERÍSTICAS NA CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM

a) Curvas características de entrada

b) Curvas característica de saída

Valores limites do transistor

(VCE)máx = Tensão máxima entre coletor e emissor.

(IC)máx = corrente máxima de coletor

(Pc)máx = máxima potência de coletor

(Pc)máx = (VCE)máx _* (IC)máx

Polarização do transistor

Define-se polarização a fixação das correntes de base, de coletor e da tensão Vce. Em outras palavras: fixação do circuito em um ponto de operação em corrente contínua.

Polarização emissor comum.

Malha de entrada

Malha de saída

Exercício-05

Para o circuito abaixo, determine R_B e R_C.

Dados: V_CC = 10;  V_CE = 5 V;  V_BE = 0,7 V;  I_C = 10 mA;  β = 100

Malha de entrada:

Malha de saída:

Exercício-06

Calcule os valores quiescentes (I_B, I_C, e V_CE) para o circuito da figura:

Dados: V_CC = 12 V;   α = 0,99;    V_BE = 0,7 V

Solução:

Malha de entrada:

Malha de saída:

Polarização com corrente de emissor constante.

Foi acrescentado R_E para estabilizar o circuito em relação à variação de temperatura.

Em outras palavras: O resistor R_E tem como função estabilizar o ponto de trabalho do transistor em relação às variações de temperatura.

Exercício-07

Para o circuito abaixo, determine os valores de R_B, R_C e R_E.

Solução:

Calculo do R_E:

Cálculo do R_B:

Cálculo do R_C:

Exercício-08

No circuito abaixo, determine:

a)     o valor de β

b)     o valor de R_B

c)      o valor de R_C

Cálculo do β:

Cálculo do R_B:

Cálculo do R_C:

Exercício-09

Dimensione R_B, R_C e R_E no circuito da figura abaixo.

 Solução:

Polarização (=determinar um ponto de trabalho) com divisor de tensão na base ou independente de β.

Configuração mais eficiente e mais usada.

Exercício-10

Para circuito abaixo, determine R_B1, R_B2, R_C e R_E.

Solução:

Cálculo do R_B2:

Cálculo do R_B1:

Cálculo do R_C:

Cálculo do R_E:

Exercício-11

No circuito abaixo, determine β.

Calculando I_C:

Calculando I_B2:

Calculando I_B1:

Calculando I_B :

Finalmente, calculando o valor de β:

AMPLIFICADOR DE PEQUENOS SINAIS

O circuito a seguir é um amplificador na configuração emissor comum cujo circuito de polarização é o de corrente de emissor constante com divisor de tensão na base.

Os componentes C1 e C2 são os capacitores de acoplamento. O primeiro impede que o nível CC da polarização interfira no sinal CA da entrada (VE). Da mesma forma, C2 bloqueia o nível CC na saída, permitindo que apenas o sinal CA amplificado chegue à saída (VS). CE é o capacitor de desacoplamento cuja função é desacoplar (curto-circuitar) o resistor de emissor do circuito para os sinais alternados, com o objetivo de proporcionar um ganho de tensão maior.

Análise do circuito amplificador

A análise de qualquer amplificador é feita em duas etapas:

1. Análise CC ou análise de polarização;
2. Análise CA ou análise das variações.

Análise CC de amplificadores

A análise CC consiste em determinarmos o ponto quiescente (Q) do circuito. Para isto, todos os capacitores são retirados do circuito, pois para CC a reatância capacitiva é elevadíssima. Determinar o ponto Q do circuito significa calcular os valores de I_B, I_C e V_CE do transistor.

Deste modo, o circuito equivalente para CC do amplificador apresentado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.

Análise CA de amplificadores

A análise CA consiste em determinarmos as impedâncias e os ganhos do amplificador. Para isto todos os capacitores e fontes de alimentação CC são curto-circuitados pois, para CA, a reatância capacitiva e a impedância da fonte CC são baixíssimas.

Redesenhando o circuito, o modelo equivalente para CA do amplificador mostrado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.

Na análise CA, devemos calcular os valores dos ganhos, de tensão (A_V ou G_V), de corrente (A_I ou G_I) e de potência (A_P ou G_P) e das impedâncias de entrada (Z_E) e de saída (Z_S).

Retas de Carga

O ponto quiescente (Q) em CC - [circuito de polarização]:

O mesmo Circuito em CA:

Utilizando um transistor devidamente polarizado, podemos construir um amplificador. Esse circuito deve apresentar na saída um sinal com as mesmas características do sinal aplicado à sua entrada, porém, amplificado.

O sinal de entrada V_E é aplicado na base do transistor por meio do capacitor C₁, que irá filtrar o sinal contínuo, mas, não irá alterar a polarização do transistor.  O sinal VE fará com que haja uma variação na corrente de base, em torno do ponto de operação. A corrente de coletor irá variar da mesma forma, pois I_C = β.I_B e essa variação irá provocar uma variação na tensão entre o coletor e emissor.

O sinal de saída está defasado de 180º em relação ao sinal de entrada, pois a variação positiva do sinal de entrada representa um decréscimo da tensão de saída.

O componente C_E é o capacitor de desacoplamento cuja função é desacoplar (curto-circuitar) o resistor de emissor do circuito para os sinais alternados, com o objetivo de proporcionar um ganho de tensão maior.