EL13M Aula 4 Eltrônica Analógica

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Eletrônica Analógica PARTE 04 • Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Prof. Douglas Buytendorp Bizarro [email protected] Campo Grande - MS 21/05/2017

Apresentação CONTEÚDO • TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO (TBJ) ▪ Transistor Bipolar de Junção ▪ Transistor Bipolar de Junção – Função

• CONSTRUÇÃO DO TBJ ▪ Construção do TBJ

• OPERAÇÃO DO TBJ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪

Operação do TBJ Polarização Coletor Base Polarização Base Emissor Polarização Completa Tensões e Correntes no TBJ

• GANHO DE CORRENTE DO TBJ ▪ Ganho de Corrente do TBJ

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• CONFIGURAÇÕES BÁSICAS ▪ Configurações Básicas

• REGIÕES DE OPERAÇÃO ▪ Região de Corte ▪ Região de Saturação ▪ Região Ativa

• LIMITES DE OPERAÇÃO ▪ Limites de Operação

• TESTE DE TRANSISTORES ▪ Medidores Digitais ▪ Função de Teste do Diodo ▪ Ohmímetro

• MATERIAL PARA ESTUDO ▪ Material Indicado para Estudo ▪ Bibliografia

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TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO (TBJ)

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Transistor Bipolar de Junção

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Transistor Bipolar de Junção

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Transistor Bipolar de Junção - Função • O transistor é uma dispositivo eletrônico de três terminais. Ele pode ser visto, a grosso modo, como uma válvula para a passagem de corrente elétrica.

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Transistor Bipolar de Junção - Função • Sendo uma “válvula”, é possível controlar a corrente elétrica que o transistor permite que circule por seus terminais. • O transistor pode ser visto como um resistor variável (entre os terminais C e E) cuja resistência é ELETRICAMENTE controlada pelo terceiro terminal (B).

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Transistor Bipolar de Junção - Função • O transistor apresenta três “regiões” de funcionamento: ▪ Região de Corte: • Nesta região, o transistor funciona como uma CHAVE ABERTA (como um diodo reversamente polarizado).

▪ Região de Saturação: • Nesta região, o transistor funciona como uma CHAVE FECHADA (como um diodo diretamente polarizado).

▪ Região Linear (ou Ativa): • Nesta região é possível controlar o valor da corrente que o transistor permite que passe por seus terminais (como uma torneira semiaberta). • Esta condição de operação é explorada na ELETRÔNICA ANALÓGICA. 21/05/2017

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CONSTRUÇÃO DO TBJ

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Construção do TBJ • A construção de um TBJ é similar à construção de dois diodos em “antisérie”, formando um dispositivo com DUAS JUNÇÕES PN, com uma camada tipo n entre duas camadas tipo p (transistor NPN) ou uma camada tipo n entre duas camadas tipo p (transistor PNP). • É importante destacar que, caso dois diodos sejam ligados em “antissérie”, eles não funcionarão como um transistor, pois este funcionamento depende do formato das regiões p e n e do nível de dopagem de cada região. 21/05/2017

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Construção do TBJ • Os três terminais do transistor são nomeados como “Coletor”, “Base” e “Emissor”, de acordo com a região à qual estão conectados.

• Independentemente do tipo do transistor, SEMPRE é o terminal de BASE o responsável por regular a corrente que passa do COLETOR para o EMISSOR (NPN) ou do EMISSOR para o COLETOR (PNP). • A corrente de coletor (IC) é proporcional à corrente de base (IB). 21/05/2017

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Construção do TBJ • Na prática, o formato das regiões n e p e os níveis de dopagem de cada região são o que determinam o funcionamento do transistor, por isso, as regiões não são retangulares e simétricas como nas ilustrações didáticas.

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Construção do TBJ • Os principais aspectos construtivos para o funcionamento do transistor são: ▪ A faixa da “Base” deve ser muito mais estreita que as demais; ▪ O nível de dopagem da “Base” deve ser menor; ▪ A parte do “Coletor” próxima à “Base” também deve ter nível de dopagem menor.

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OPERAÇÃO DO TBJ

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Operação do TBJ • Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4

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Operação do TBJ Transistor PNP X Transistor NPN: • A análise do funcionamento de um transistor PNP e de um transistor NPN é essencialmente a mesma. Para trocar a explicação de um transistor pela explicação do outro, basta trocar a utilização dos termos “lacunas” e “elétrons” e dos termos “coletor” e “emissor”. • Os slides a seguir explicam o funcionamento do transistor na região linear.

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Polarização Coletor Base • A junção Coletor Base deve ser reversamente polarizada. ▪ Surge uma PEQUENA corrente de portadores minoritários (de B para C no PNP e de C para B no NPN) – não há fluxo de portadores majoritários. ▪ A região de depleção fica mais larga. 21/05/2017

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Polarização Coletor Base

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Polarização Base Emissor • A junção Base Emissor deve ser diretamente polarizada. ▪ Surge uma “GRANDE” corrente de portadores majoritários (de E para B no PNP e de B para E no NPN) – a corrente de portadores minoritários continua a mesma (desprezível). ▪ A região de depleção fica mais estreita. 21/05/2017

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Polarização Base Emissor

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Polarização Completa • Quando a junção Base Emissor é diretamente polarizada, o Emissor INJETA (ou EMITE) portadores minoritários na Base. ▪ Elétrons são inseridos na base (p) no transistor NPN e lacunas são inseridas na base (n) no transistor PNP;

• Quando a junção Coletor Base é reversamente polarizada, a região de depleção aumenta, havendo nela um grande campo elétrico que cria o fluxo de portadores minoritários. ▪ Elétrons da base (p) para o coletor (n) no transistor NPN e lacunas da base (n) para o coletor (p) no transistor PNP. 21/05/2017

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Polarização Completa • A Base tem elevada resistência (estreita e pouco dopada), por isso não consegue conduzir (até o terminal metálico B) todos os portadores minoritários que o Emissor pode injetar. Por teste motivo, muitos destes portadores minoritários acabam atravessando a junção Coletor Base (reversamente polarizada), onde há um grande campo elétrico gerando o fluxo de portadores minoritários. 21/05/2017

*Ou seja: COLETOR COLETA os portadores minoritários que o EMISSOR EMITE.

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Tensões e Correntes no TBJ

NPN

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PNP

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GANHO DE CORRENTE DO TBJ

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Ganho de Corrente do TBJ • A principal característica do TBJ é seu GANHO DE CORRENTE. ▪ A resistência entre o coletor e o emissor varia com a corrente aplicada na base. Portanto, controlando a corrente da base é possível controlar a corrente entre o coletor e o emissor (quando do transistor está na região LINEAR, ou ATIVA).

IC β = hFE = IB

IC= β ∙ IB

 Amplificação de Corrente

Obs.: o ganho de corrente é o que permite que uma grandeza elétrica (IC) seja controlada por um meio elétrico (IB). 21/05/2017

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CONFIGURAÇÕES BÁSICAS

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Configurações Básicas Base Comum

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Emissor Comum

Coletor Comum

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Configurações Básicas É importante destacar que:

Em todas as configurações, as características elétricas do transistor são EXATAMENTE AS MESMAS. A única diferença é a forma de analisar as tensões e correntes entre os terminais do transistor.

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Configurações Básicas • Para se analisar o funcionamento de um transistor, é importante saber que: ▪ As características elétricas da junção Base Emissor variam conforme a tensão VCB. ▪ As características elétricas da junção Coletor Base variam conforme corrente IB.

• Para cada configuração, devem ser conhecidas as características de entrada e saída: ▪ Característica de Entrada: mostra a relação entre corrente e tensão de entrada para vários valores constantes de tensão ou corrente de saída. ▪ Característica de Saída: mostra a relação entre corrente e tensão de saída para vários valores constantes de tensão ou corrente de entrada. 21/05/2017

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Configurações Básicas Característica de Entrada

A junção Base emissor tem a mesma curva característica de um diodo, contudo, esta curva é levemente alterada conforme a tensão aplicada entre coletor e emissor. 21/05/2017

Característica de Saída

A resistência elétrica entre o coletor e o emissor varia conforme a corrente de base.

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REGIÕES DE OPERAÇÃO

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Região de Corte • Junção Base-Emissor: reversamente polarizada. • Junção Coletor-Base: reversamente polarizada.

• Com a junção Base-Emissor reversamente polarizada, não há corrente de base. Assim, não há corrente entre coletor e emissor – a resistência entre coletor e emissor é MUITO grande. *Obs.: na prática existem correntes muito pequenas, que são desprezadas. • O transistor comporta-se como uma chave aberta (entre coletor e emissor). 21/05/2017

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Região de Corte

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Região de Saturação • Junção Base-Emissor: diretamente polarizada. • Junção Coletor-Base: “diretamente” polarizada.

• Quando a junção Base-Emissor está diretamente polarizada, é possível o fluxo de corrente entre coletor e emissor mesmo que a tensão entre estes terminais seja muito pequena (menor que a tensão VBE). Isto quer dizer que a tensão entre coletor e base é negativa. • O transistor comporta-se como uma chave fechada (entre coletor e emissor).

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Região de Saturação

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Região Ativa • Junção Base-Emissor: diretamente polarizada. • Junção Coletor-Base: reversamente polarizada.

• Com a junção Base-Emissor diretamente polarizada, é possível que haja corrente atravessando a junção coletor-base mesmo que esta esteja reversamente polarizada. *Obs.: é nesta região que o GANHO DE CORRENTE (β, hFE) é válido. • Nesta região, a resistência equivalente entre coletor e emissor é variável. 21/05/2017

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Região Ativa

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LIMITES DE OPERAÇÃO

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Limites de Operação • Os principais limites de operação são: ▪ Corrente de coletor máxima (ICmax); ▪ Tensão coletoremissor máxima (VCEmax); ▪ Potência máxima (Pmax).

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TESTE DE TRANSISTORES

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Medidores Digitais • Muitos multímetros possuem uma função específica para a verificação do ganho de corrente do transistor (β ou hFE). ▪ É preciso saber: Tipo do transistor (NPN ou PNP) e identificação dos terminais.

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Função de Teste do Diodo • Quando não se sabe o tipo do transistor e/ou a identificação de seus terminais, pode-se utilizar a função de teste de diodo para a identificação do transistor (não é possível medir o hFE). • A imagem ao lado mostra os valores aproximados das leituras quando um transistor está funcionando corretamente. ▪ Atenção para a polaridade da medição e tipo de transistor. ▪ Normalmente, a tensão direta entre Base-Emissor é um pouco maior que entre Base-Coletor. 21/05/2017

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Função de Teste do Diodo • Medições típicas da função de teste de diodo para um transistor NPN:

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Ohmímetro • Utilizando-se um ohmímetro, pode-se fazer as mesmas constatações feitas com a função de teste do diodo. Lembrando que: ▪ uma leitura de resistência alta (ou fora de escala) indica junção reversamente polarizada ou medição entre coletor e emissor; ▪ uma leitura de resistência baixa indica junção diretamente polarizada;

• É importante destacar que não é possível fazer esta identificação utilizando a função “ohmímetro” de muitos multímetros digitais, pois nesta configuração, eles não aplicam tensão suficiente para polarizar diretamente uma junção (normalmente aplicam cerca de 0,5V). 21/05/2017

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MATERIAL PARA ESTUDO

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Material Indicado para Estudo • BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. Rio de Janeiro: Prentice Hall do Brasil, 2009. (Capítulo 3 – Tópicos 3.1 a 3.3, 3.8 a 3.10); • MARQUES, A. E. B; CRUZ, E. C. A.; CHOUERI JR, S. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. 12. ed. São Paulo: Érica, 1996. (Capítulo 6 – Tópicos 6.1 a 6.3 e6.5) • FREITAS, M. A. A.; MENDONÇA, R. G. Eletrônica Básica. Curitiba: Editora do Livro Técnico, 2010. (Capítulos 8 e 9);

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Bibliografia • Bibliografia Básica: • MARQUES, A. E. B; CRUZ, E. C. A.; CHOUERI JR, S. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. 12. ed. São Paulo: Érica, 1996. • MARKUS, O. Sistemas Analógicos Circuitos com Diodos e Transistores. 8. ed. São Paulo: Érica, 1998. • ALBUQUERQUE, R. O.; SEABRA, A. C. Utilizando Eletrônica com AO, SCR, TRIAC, UJT, PUT, CI 555, LDR, LED, FET e IGBT. São Paulo: Érica, 2009. • CRUZ, E. C. A.; CHOUERI JÚNIOR, S. Eletrônica Aplicada. São Paulo: Érica, 2007. • BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. Rio de Janeiro: Prentice Hall do Brasil, 2009.

• Bibliografia Complementar: • • • •

MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. 7. ed. São Paulo: Mcgraw-Hill Interamericana, 2008. 1 v. MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. 7. ed. São Paulo: Mcgraw-Hill Interamericana, 2008. 2 v. SEDRA, A. S.; SMITH K. C. Microeletrônica. 5. ed. São Paulo: Prentice Hall do Brasil, 2007. FREITAS, M. A. A.; MENDONÇA, R. G. Eletrônica Básica. Curitiba: Editora do Livro Técnico, 2010.

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