Transístor Bipolar e suas Aplicações na Eletrônica

Transístor Transistor Bipolar O transístor bipolar é o transístor mais importante do ponto de vista histórico e o de utilização mais corrente No entanto convém referir os transístores de efeito de campo FET Field Effect Transistor nomeadamente os transístores FET de junção unipolar os transístores MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor e os CMOS complementary MOSFET os quais são muito usados na electrónica integrada de alta densidade O material semicondutor mais usado no fabrico de transístores é o silício Contudo o primeiro transístor foi fabricado em germânio O silício é preferível porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas 175 ºC quando comparado com os 75ºC dos transístores de germânio e também porque apresenta correntes de fuga menores O transístor bipolar é formado por duas junções pn em série podendo apresentar as configurações pnp e npn Os transístores npn são os mais comuns basicamente porque a mobilidade dos electrões é muito superior à das lacunas isto é os electrões movemse mais facilmente ao longo da estrutura cristalina o que traz vantagens significativas no processamento de sinais de alta frequência E são mais adequados à produção em massa No entanto devese referir que em várias situações é muito útil ter os dois tipos de transístores num circuito Símbolos Transistores O transístor de junção bipolar é um dos componentes mais importantes na Electrónica É um dispositivo com três terminais Num elemento com três terminais é possível usar a tensão entre dois dos terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal ie obter uma fonte controlável O transístor permite a amplificação e comutação de sinais tendo substituído as válvulas termoiónicas na maior parte das aplicações A figura seguinte mostra de forma esquemática um transístor bipolar pnp Este transístor é formado por duas junções pn que partilham a região do tipo n muito fina e não representada à escala Neste aspecto o dispositivo corresponde à sanduíche de um material do tipo n entre duas regiões do tipo p Existe também a estrutura complementar npn Dependendo da polarização de cada junções directa ou inversa o transístor pode operar no modo ativolinear estar em corte ou em saturação Verifique e simule a polarização e funcionamento de um transístor bipolar Um transístor bipolar com polaridade NPN ou PNP é constituído por duas junções PN junção baseemissor e junção base colector de material semicondutor silício ou germânio e por três terminais designados por Emissor E Base B e Colector C Símbolos Transístores Tensão e corrente em transistores bipolares NPN e PNP Tensão e corrente transístor PNP V EC V EB V BC Tensão e corrente NPN V CE V BE V CB A corrente de emissor I E é igual à soma da corrente de base I B com corrente de coletor I C I E I B I C Zonas Funcionamento Transístores Bipolares NPN PNP Zona Condições Modelo Condições Modelo Corte V BE 07V V BC 07V I C 0 I E 0 I B 0 V EB 07V V CB 07V I C 0 I E 0 I B 0 Ativa V BE 07V V BC 07V V BE 07V I C β I B I E I C I B ou I E β1I B V EB 07V V CB 07V V EB 07V I C β I B I E I C I B ou I E β1IB Saturação V BE 08V V BC 07V V BE 08V V CE 01V I E I C I B V EB 08V V CB 07V V EB 08V V EC 01V I E I C I B Em cada transístor bipolar existem duas junções que irão apresentar zonas de funcionamento diferentes consoante as junções baseemissor e base colector se encontram polarizadas directa ou inversamente Os transístores têm três zonas de funcionamento distintas Corte Ambas as junções estão polarizadas inversamente Saturação Ambas as junções estão polarizadas directamente Ativa Junção baseemissor polarizada directamente e junção base colector polarizada inversamente Transistor como Amplificador Um transístor funciona como amplificador quando a corrente de base oscila entre zero e um valor máximo Neste caso a corrente de coletor é um múltiplo da corrente de base Se aplicarmos na base do transistor um sinal vamos obter uma corrente mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado Ganho de um transístor O ganho de um transístor é uma característica do transístor é o factor de multiplicação da corrente de base I b ou Beta ß ou hfe do transístor A formula matemática que permite fazer o cálculo é I c I b x ß I c corrente de coletor I b corrente de base ß beta ganho Existem algumas especificações definidas pelo fabricante Ref ou Tipo é o nome do transistor V CE0 tensão entre coletor e emissor com a base aberta V CER tensão entre coletor e emissor com uma resistência no emissor Pol polarização NNPN e PPNP P TOT Potência máxima que o transistor pode dissipar F t Frequência máxima Encapsulamento Cápsula do transístor que define cada um dos terminais Existem valores máximos de funcionamento para I C I B V CE e V BE para além da potencia de funcionamento PI C V CE e temperatura Quando o transistor está dentro dos parâmetros de funcionamento I C h FE I B ßI B tipicamente ß100 Determinar Tensões e Correntes TJB Transístor Junção Bipolar Considerando o circuito da figura em que o transístor bipolar NPN é caracterizado por β100 ganho Determinar tensões e correntes do transístor Considerando que o transístor está na zona ativa consideramos o circuito seguinte Circulando pela malha da base V 1 R B I B V BE 0 ou I B V 1 V BE R B I B 1007220 I B 4227µA I C βI B ou I C 423mA para as tensões temos V E 0 V B 07 V C 10R C I C ou V C 57 onde V BE 07 e V BC 64 07 Podemos concluir que o transístor se encontra na zona ativa Fórmulas e simulação de funcionamento de transístor Configurações Transistor Bipolar ligação típica transístor Configuração Emissor comum Base comum Coletor comum Impedância entrada média baixa alta Impedância saída média alta baixa Ganho de tensão médio alto baixo Ganho de corrente médio baixo alto Ganho de potência alto baixo médio Desvio de fase 180 0 0 Coletor Comum Impedância de entrada alta Impedância de saída baixa Não existe inversão de fase Ganho de corrente elevado Ganho de tensão menor que 1 Ganho de potência intermédio Base Comum Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta Não existe inversão de fase Ganho de corrente menor que 1 Ganho de tensão elevado Ganho de potência intermédio Emissor Comum Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta Existe inversão de fase Ganho de corrente elevado Ganho de tensão elevado Ganho de potência elevado Transistor Emissor Comum A montagem de um transistor em emissor comum é um estágio baseado num transistor bipolar em série com um elemento de carga O termo emissor comum referese ao facto de que o terminal do emissor do transistor tem uma ligação comum tipicamente a referência de 0V ou Terra O terminal do cole tor é ligado à carga da saída e o terminal da base a tua como a entrada de sinal O circuito do emissor comum é constituído por uma resistência de carga RC e um transistor NPN os outros elementos do circuito são usados para a polarização do transistor e para o acoplamento do sinal Os circuitos emissor comum são utilizados para amplificar sinais de baixa voltagem como os sinais de rádios fracos captados por uma antena para amplificação de um sinal de áudio ou vídeo Características de um amplificador com transístor em emissor comum IMPEDÂNCIA DE ENTRADA Ze É igual ao quociente entre a tensão de entrada Ee tensão CA do sinal de entrada e a corrente de entrada Ie corrente CA do sinal de entrada A impedância de entrada está compreendida entre 10KΩ e 100KΩ Ze Ee Ie IMPEDÂNCIA DE SAÍDA Zs É igual ao quociente entre a tensão CA do sinal de saída Es quando a saída esta em vazio isto é Is 0 e a corrente CA do sinal de saída Is quando a saída está em curtocircuito Es 0A impedância de saída esta situada entre 10K e 100K Zs Es saída em vazio Is saída em curto AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE Ai é o quociente entre a corrente CA do sinal de saída e a corrente CA do sinal de entrada A amplificação de corrente está compreendida entre 10 e 100 vezes Ai Is Ie AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO Av é o quociente entre a tensão CA do sinal de saída e a tensão CA do sinal de entrada A ampificação de tensão está situada entre 100 e 1000 vezes Av Es Ee AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA Ap é igual ao produto entre a amplificação de corrente e a amplificação de tensão A amplificação de potência está compreendida entre 1000 e 100000 vezes Ap Ai x Av RELAÇÃO DE FASE Ocorre um defasamento de 180 entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada 180 180 graus Transístor Coletor Comum O circuito com um transístor com cole tor comum possui um ganho de tensão muito próximo da unidade significando que os sinais em CA que são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser controlada pelo transistor O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hFE do transistor Uma pequena mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança muito maior na corrente de saída enviada à carga Deste modo um terminal de entrada com uma fraca alimentação pode ser utilizado para alimentar uma resistência menor no terminal de saída Esta configuração é comumente utilizada nos estágios de saída dos amplificadores Classe B e Classe AB o circuito base é modificado para operar o transístor no modo classe B ou AB No modo classe A muitas vezes uma fonte de corrente ativa é utilizada em vez do RE para melhorar a linearidade ou eficiência Características de um amplificador com transístor em colector comum IMPEDÂNCIA DE ENTRADA de 100K a 1M IMPEDÂNCIA DE SAÍDA de 50 a 5000 AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE de 10 a 100 vezes AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO é menor do que 1 Neste tipo de amplificador não há amplificação de tensão AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA de 10 a 100 vezes RELAÇÃO DE FASE não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada Transístor Base Comum A ligação de um transístor em base comum é uma configuração de um transístor na qual sua base é ligada ao ponto comum do circuito Esta montagem é utilizada de forma menos frequente do que as outras configurações em circuitos de baixa de baixa frequência é utilizada para amplificadores que necessitam de uma impedância de entrada baixa Como exemplo temos o préamplificador de microfones É utilizado para amplificadores VHF e UHF onde a baixa capacitância da saída à entrada é de importância crítica Os parâmetros α Alfa e β Beta de um transístor bipolar Quando um transístor bipolar é ligado em base comum o quociente entre a corrente de colector Ic e a corrente de emissor Ie recebe o nome de GANHO DE CORRENTE ESTÁTICO DA MONTAGEM BASE COMUM e é indicado pela letra grega α ALFA α Ic Ie