O transistor de junção bipolar - Clube da Eletrônica

CLUBE DA ELETRÔ NI CA
ELETRÔNICA GERAL
O TRANSISTOR DE JU NÇÃO BIPOLAR
Introdução
Entre 1904 (inversão da válvula) e 1947 (inversão do transistor), a
válvula era sem dúvida o dispositivo eletrônico de maior interesse da
indústria de eletrônica. Porém em 23 de dezembro de 1947, nos
Laboratórios da Beel Telephone, Jonh Bardeen e Walter H. Brattain,
apresentavam um dispositivo de estado sólido de três terminais o
transistor de junção. Suas vantagens sobre a válvula eram inegáveis.
Em setembro de 1951, a Bell anuncia a criação do transistor. A partir
daí começava uma indústria bilionária dos semicondutores.
O primeiro transistor
Estrutura física do transistor
O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor como o diodo, porém possui de três terminais,
sendo duas camadas de material tipo "N" e uma de tipo "P" ou de duas de material tipo "P" e uma de tipo
"N". Formando assim os transistores NPN e PNP.
Transistor NPN
Transistor PNP
Conceitos básicos
Emissor ⇒ é constituído por semicondutor densamente dopado; sua função é emitir elétrons, ou injetar
elétrons na base.
Base ⇒ é um semicondutor levemente dopado e muito fino; permite que a maioria dos elétrons injetados
pelo emissor passe para o coletor.
Coletor ⇒ Junta ou coleta os elétrons que vem da base, é a parte mais extensa das três portanto dissipa
mais calor.
O transistor e sua representação
Com a construção física já estamos familiarizados, agora devemos
conhecer e identificar de maneira esquemática e real cada um dos
terminais presentes no transistor seja ele NPN ou PNP.
Representação real
Vejamos a simbologia utilizada.
O transistor de junção bipolar – Autor: Clodoaldo Silva – Revisão: Nov2012.
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Polarização do transistor
Polarizando o transistor de forma adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que
o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações.
Polarização direta - direta
Estando as junções base-emissor e base coletor
diretamente polarizada a corrente que circula por
essas junções serão altas e o transistor funciona
na região de saturação.
Polarização reversa - reversa
Polarizando reversamente as junções PN,
haverá uma baixa circulação de corrente que
será considerada nula em fins práticos e o
transistor funciona na região de corte.
Polarização direta - reversa “O efeito transistor ”
Nesse tipo de polarização o inesperado
acontece, pois estamos esperando uma baixa
corrente na junção base-coletor por estar
reversamente polarizada, porém isso não ocorre
o fluxo de elétrons injetados pelo emissor
penetram na base que é muito fina e chegam ao
coletor.
Nota: A polarização direta reversa é a de maior interesse no estudo do transistor, portanto para garantir o
efeito transistor é necessário polarizar corretamente as suas junções, vejamos a ilustração:
Junção base emissor
deve ser polarizada diretamente
Junção base coletor
deve ser polarizada reversamente
Nota: Nas representações acima
utilizamos o fluxo convencional da
corrente elétrica.
Esse tipo de polarização deve ser utilizado para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele NPN ou PNP.
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Uma explicação simplificada
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Os elétrons injetados no emissor, após romper a
barreira de potencial ≈ 0,7 V conseguem chegar na
base.
Chegando há dois caminhos, cerca de 5% se
deslocam em direção a fonte VBB, e o restante,
95% chegam ao coletor.
Nota:
Na maioria dos transistores mais de 95% dos
elétrons que são injetados no emissor chegam a ao
coletor.
Analise de correntes e tensões no transistor
Quando um transistor é polarizado corretamente, haverá um fluxo de corrente, através das junções e que se
difundirá pelas camadas formadas pelos cristais P ou N. Para analise em transistores usaremos o sentido
convencional da corrente elétrica, ou seja, o contrário do fluxo de elétrons.
Transistor NPN
Transistor PNP
Aplicando-se a lei de Kirchhoff das correntes (LKC), obtemos:
IE = IC + IB
Para facilitar a analise representaremos as tensões através de setas onde, a ponta da seta aponta sempre
para o potencial mais positivo, ou seja, contrário da corrente.
Transistor NPN
Transistor PNP
Aplicando-se a lei de Kirchhoff das tensões (LKV), obtemos:
Vce = Vcb + Vbe
A junção base-emissor polarizada diretamente, representa uma região de baixa impedância. A tensão de
polarização base-emissor é aproximadamente 0,7 V para transistores de silício.
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Parâmetros α DC e β DC
A quantidade de corrente que chega no coletor proveniente do emissor depende do tipo de material e
dopagem do emissor. Essa quantidade de corrente varia de acordo com o tipo de transistor.
Alfa ⇒ é a quantidade de elétrons que saem do emissor e conseguem chegar ao coletor. Os valores
típicos de α variam de 0,9 a 0,99. Isto significa que parte da corrente do emissor não chega ao coletor.
Matematicamente, podemos dizer que α ( Alfa ) é a relação entre IC e IE, com a tensão coletor base
constante.
Vamos a um exemplo: Qual é a corrente de emissor de um transistor com α = 0.95, sabendo-se que a
corrente de coletor é 2mA?
Isso significa que 2,1 mA saem do emissor 0,1 mA fica na base e 2mA chega ao coletor.
Uma vez que a maioria dos elétrons que saem do emissor chegam ao coletor, ficando somente uma
minoria na base, aproximaremos, a fim de facilitar a análise teórica, o valor de alfa para 1 significando que
100% da corrente que sai do emissor chega ao coletor. Matematicamente teremos que :
IC = IE
Beta ⇒ Na maioria dos transistores menos de 5% dos elétrons produz a corrente de base IB; portanto βDC
será sempre maior que 20, ou seja, a corrente de coletor será 20 vezes maior que a corrente de base.
Matematicamente, Beta é a relação entre a corrente de coletor e a corrente de base, com VCE constante.
Vamos a um exemplo: Um transistor BC548 possui um beta mínimo especificado em 110. Qual é a mínima
corrente de coletor, sabendo-se que a corrente de base é 100µA?
IC = IB. β ⇒ IC = 100µA .110 = 11mA
Relacionando αDC e βDC
A figura ao lado ilustra o fluxo de corrente em um transistor NPN,
observando atentamente as correntes e sendo conhecedor das
Leis de kirchhoff ( LKC ), podemos escrever :
IE = IC + IB
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Dividimos ambos os lados por IC, então;
Simplificando:
Note que antes da igualdade temos o inverso de αDC e após temos βDC então, podemos reescrever a
equação:
Com um pouco de álgebra temos:
α em função de β
β em função de α
Exemplos:
a) Um transistor possui um fator α = 0,92. Qual é o fator β?
β = α / ( 1 - α )
β = 0,92 / ( 1 – 0,92 )
β = 0,92 / ( 0,08 )
β = 11,5
b) Um transistor possui um fator β = 100. Qual é o fator α?
α = 100 / ( 100 +1 )
α = 100 / ( 101 )
α = 0,99
Funcionamento básico do transistor
Para entendermos o funcionamento do transistor, devemos conhecer suas características elétricas, ou seja,
a relação entre as tensões e correntes presentes em seus terminais. Uma das formas de entender as
relações entre tensões e correntes envolvidas na polarização do transistor bipolar é através de um circuito
bastante simples. Vejamos:
O potenciômetro serve para controlar a tensão VBB e
consequentemente a intensidade da corrente de base.
Inicialmente faremos com que a corrente IB seja igual a
0 (zero), observe que o LED esta apagado.
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Região de corte ⇒ Aumentando gradativamente a tensão VBB, até o instante em que alcançarmos
aproximadamente 0,7 V o LED continua apagado. Essa é a nossa primeira região de operação do transistor
a região de corte.
Região Linear ⇒ Após rompermos a barreira dos 0,7 V o transistor começa a conduzir e o LED acende. A
medida que, aumentamos a corrente de base o brilho do LED vai ficando mais intenso, até o momento em
que o brilho estabiliza. A essa região compreendida entre a menor corrente necessária para acender o LED
e corrente necessária para atingir a estabilidade, damos o nome de região Linear.
Região de saturação ⇒ Após a corrente de coletor atingir a estabilidade não adianta mais aumentarmos a
corrente de base, pois o transistor esta operando na região de saturação.
Curvas características
Outra maneira de se obter as relações
O circuito Teste
entre tensões e correntes envolvidas na
polarização do transistor bipolar é
através de curvas características, que
nem sempre estão nos manuais, mas
podem ser obtidas através de um
traçador de curvas do transistor, ou
através do circuito teste ao lado, o qual
permite traçar curvas em gráficos (Ib x
Vbe) e (Ic x Vce).
A analise é semelhante a do exemplo anterior. O transistor só começa a conduzir após aproximadamente
0,7 V, isso nos permite traçar a curva da base em função de VBE.
Curvas da base IB = f (VBE)
A junção base emissor de um transistor, se
assemelha a um diodo, então a curva que
encontraremos será parecida com a curva do
diodo. Lembre-se é uma curva exponencial e
para fins de cálculo usamos 0,7 V, como o
ponto limiar de condução.
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Curvas do coletor IC = f (VCE)
Se fixarmos a corrente de base em 10µA,
teremos uma corrente de coletor de 2mA, se a
corrente de base for 20µA a corrente de coletor
será 4mA, ou seja, à medida que, IB aumenta IC
aumenta. A razão desse aumento é o βDC visto
anteriormente.
Curvas do ganho de corrente
O βDC do transistor também é chamado de
ganho de corrente, não é fixo, varia bastante
isso ocorre devido ao aquecimento que a
corrente de coletor gera em suas junções. Esse
aumento de temperatura altera os parâmetros
do transistor, portanto devemos polarizar o
transistor de maneira que fique imune as
variações de β.
Dissipação de potência
O transistor aquece então uma potência será dissipada e como o coletor é a maior parte do transistor a
potência dissipada sobre será a mais importante, e pode ser dada pelo produto entre IC e VCE.
PD = IC . Vce
A quantidade de potência dissipada também pode classificar e definir o tipo de encapsulamento dos
transistores. Vejamos:
Transistores de baixa potência: São pequenos e não suportam
muito calor.
Transistores de média potência: São maiores que o anterior e
muitos vêm com um furo onde pode ser parafusado um
dissipador de calor.
Transistores de alta potência: Tem o corpo grande, são
envoltos por uma carcaça que suporta grandes temperaturas.
Sempre são acompanhados de dissipadores de calor.
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O dissipador de calor é uma placa metálica que deve ser
afixada em transistores de média e alta potência, a fim de
aumentar a de dissipação de calor.
Para evitar que falhas de contato entre as superfícies e sujeira
prejudiquem a transferência de calor é aconselhável espalhar
entre o transistor e o dissipador uma pasta térmica.
O gráfico abaixo ilustra as principais regiões do transistor incluindo a curva da potência.
www.clubedaeletronica.com.br
Estamos todos num mesmo barco, em mar tempestuoso, e devemos uns aos outros uma
terrível lealdade.
G.K.Chesterton
Referências bibliográficas
Malvino, A.P. Eletrônica - volume I. São Paulo: McGraw Hill , 1987.
Boylestad, R. e Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Rio de Janeiro:
Prentice-Hall, 1994.
Marcus, O. Circuitos com diodos e Transistores. São Paulo: Érica, 2000
Lalond, D.E. e Ross, J.A. Princípios de dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo: Makron Books,
1999.
Site: http://paginas.terra.com.br/educacao/almeida
Site: http://personales.com/brasil/saopaulo/EzeWebsite
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