Aula 05 Transistor 26652r
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- Words: 1,692
- Pages: 41
Transistores Bipolares
Prof. Gustavo Fernandes de Lima
Programa da aula
Introdução/Evolução Transistor Bipolar
Características construtivas Funcionamento como amplificador Configurações básicas Curva característica Reta de carga Circuitos de polarização Transistor como regulador
Bibliografia
2
Introdução
Com o ar dos anos, a indústria dos dispositivos semicondutores foi crescendo e desenvolvendo componentes e circuitos cada vez mais complexos, a base de diodos. Em 1948, na Bell Telephone, um grupo de pesquisadores, liderados por Shockley, apresentou um dispositivo formado por três camadas de material semicondutor com tipos alternados, ou seja, um dispositivo com duas junções. O dispositivo recebeu o nome de TRANSISTOR. 3
Introdução
Figura 1 - O primeiro transistor de junção de germânio da Bell Laboratories, 1950
4
Evolução
Figura 2 – Evolução do Transistor 5
Evolução
Descrição da imagem anterior:
1941: Válvula termiônica usada em telecomunicações; 1948: Point- transistor, seis meses após sua invenção; 1955: Transistor que substituiu as válvulas ou tubos a vácuo em equipamentos de comunicação em rede; 1957: Amplificador de faixa larga de alta frequência; 1967: Microchip, usado para produzir os tones (sons) em aparelhos de telefone; 1997: Chip, que pode conter mais de 5 milhões de transistores, usados em modems e celulares. 6
Evolução
O impacto do transistor, na eletrônica, foi grande, já que a sua capacidade de amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo ele, muito menor e consumindo muito menos energia, substituísse as válvulas na maioria das aplicações eletrônicas. O transistor contribuiu para todas as invenções relacionadas, como os circuitos integrados, componentes opto-eletrônicos e microprocessadores. 7
Evolução
Praticamente todos os equipamentos eletrônicos projetados hoje em dia usam componentes semicondutores. As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas, tais como:
Menor tamanho, mais leve e mais resistente Não precisava de filamento Mais eficiente, pois dissipa menos potência Não necessita de tempo de aquecimento Menores tensões de alimentação 8
Transistor Bipolar
O transistor pode controlar a corrente; Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, formando duas camadas de um tipo (N) e no meio delas o outro cristal (P); Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transistor;
Figura 3 - Transistor da esquerda é chamado de NPN e o outro de PNP
9
Transistor Bipolar Características
construtivas
O
emissor tem a propriedade de emitir portadores de carga; A base é muito fina, não consegue absorver todos os portadores emitidos pelo emissor; O coletor é a maior das camadas, sendo o responsável pela coleta dos portadores vindos do emissor. 10
Transistor Bipolar Características
construtivas (cont.)
Da
mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas junções das camadas P e N.
Figura 4 – Barreiras de potencial nos transistores NPN e PNP
11
Transistor Bipolar Características
construtivas (cont.)
O
comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da agem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Para isto é necessário polarizar corretamente as junções do transistor.
12
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarizando diretamente a junção emissor-base
Figura 5 – Polarização direta da junção emissor-base 13
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarizando inversamente a junção base-coletor
Figura 6 – Polarização reversa da junção base-coletor 14
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarização completa, a corrente de coletor IC a a ser controlada pela corrente de base IB.
Figura 7 – Transistor controlando corrente 15
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de coletor IC. A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC. Isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente na base.
16
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. Este efeito amplificação, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base , isto é:
17
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
Figura 8 – Efeito Amplificação no Transistor NPN 18
Transistor Bipolar Tensões
e Correntes nos Transistores
IE = IC + IB
IE = IC + IB
VCE = VBE + VCB
VEC = VEB + VBC
Figura 9 - Tensões e Correntes
19
Transistor Bipolar
Configurações Básicas
Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.
Figura 10 - Configurações Básicas
20
Transistor Bipolar Configurações
Básicas (cont.)
Base Comum
Ganho de tensão elevado Ganho de corrente menor que 1 Ganho de potência intermediário Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta
Coletor Comum
Ganho de tensão menor que 1 Ganho de corrente elevado Ganho de potência intermediário Impedância de entrada alta Impedância de saída baixa
Emissor Comum
Ganho de tensão elevado Ganho de corrente elevado Ganho de potência elevado Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta
21
Transistor Bipolar Configurações
Básicas (cont.)
A
configuração Emissor-Comum é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência esta configuração.
22
Transistor Bipolar Curva
Característica - EC
Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Para cada valor constante de VCE, varia-se a tensão de entrada VBE, obtendo-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico conforme figura abaixo. Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão entre a base e o emissor. 23
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Figura 11 - Curva Característica de Entrada EC 24
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Para
cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.
25
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Figura 12 -Curva Característica de Saída EC 26
Transistor Bipolar
Funcionamento como chave
A utilização do transistor nos seus estados de SATURAÇÃO e CORTE, isto é, de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação como chave. No exemplo a seguir, ao se ligar a chave S1, fazendo circular uma corrente pela base do transistor, ele satura e acende a lâmpada. 27
Transistor Bipolar Funcionamento
como chave
O
resistor ligado a base é calculado, de forma que, a corrente multiplicada pelo ganho dê um valor maior do que o necessário o circuito do coletor, no caso, a lâmpada.
Figura 13 – Exemplo de utilização como chave 28
Transistor Bipolar Funcionamento
como chave
Figura 14 – Analogia de um transistor com uma chave 29
Transistor Bipolar Ponto
de Operação (Quiescente)
Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transistor deve estar polarizado corretamente. Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características. 30
Transistor Bipolar
Ponto de Operação (Quiescente) Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. Os pontos QA (região ativa), QB (região de saturação) e QC (região de corte) da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas.
31
Transistor Bipolar Ponto
de Operação (Quiescente)
Figura 15 – Pontos Quiescentes de um Transistor 32
Transistor Bipolar
Reta de carga
É o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis para uma determinada polarização.
Figura 16 – Reta de Carga de um Transistor 33
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização em Emissor
Comum Nesta
configuração, a junção BE é polarizada diretamente e a junção BC reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e dois resistores para limitar as I R correntes e fixar o ponto de operação. C
C
RB B
VBB
IB
VCC
C
E IE
34
Transistor Bipolar Circuito
de
Polarização
Comum B
VBB
IB
Emissor
IC
RC RB
em VCC
C
E IE
VBB + VBE Malha de entrada: R .I VBE = VBB então, B B RB IB
Malha de saída: RC.IV C+V CE V=VCC então, RC
CC
CE
IC
35
Transistor Bipolar Circuito
de polarização corrente de base constante
EC
com
Para
eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode-se utilizar somente a fonte VCC.
Para
garantir as tensões corretas para o funcionamento do transistor RB deve ser maior que RC. IC
RC
RB
B
IB
VCC
C
E IE
36
Transistor Bipolar Circuito
de polarização corrente de base constante
B IB
VCC VBE RB IB
com
IC
RC RB
EC
VCC
C
E IE
VCC VCE RC IC 37
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização EC com corrente de emissor constante.
Neste circuito de polarização é inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte de alimentação IC
RC RB B
E
IB
VCC
C
RE
IE
A idéia é compensar possíveis variações de ganho devido a mudanças de temperatura. 38
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização EC corrente de emissor constante IC
RC RB
VCC
C
B
E
IB RE
RB
IE
Adota-se
com
VCC VBE R E .I E IB
VCC VCE R E .I E RC IC
VRE = VCC / 10 39
Bibliografia MARQUES,
Angelo Eduardo B.; CHOUERI JÚNIOR, Salomão; CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores. 11. ed. São Paulo: Érica, 2007.
40
Fim
OBRIGADO
41
Prof. Gustavo Fernandes de Lima
Programa da aula
Introdução/Evolução Transistor Bipolar
Características construtivas Funcionamento como amplificador Configurações básicas Curva característica Reta de carga Circuitos de polarização Transistor como regulador
Bibliografia
2
Introdução
Com o ar dos anos, a indústria dos dispositivos semicondutores foi crescendo e desenvolvendo componentes e circuitos cada vez mais complexos, a base de diodos. Em 1948, na Bell Telephone, um grupo de pesquisadores, liderados por Shockley, apresentou um dispositivo formado por três camadas de material semicondutor com tipos alternados, ou seja, um dispositivo com duas junções. O dispositivo recebeu o nome de TRANSISTOR. 3
Introdução
Figura 1 - O primeiro transistor de junção de germânio da Bell Laboratories, 1950
4
Evolução
Figura 2 – Evolução do Transistor 5
Evolução
Descrição da imagem anterior:
1941: Válvula termiônica usada em telecomunicações; 1948: Point- transistor, seis meses após sua invenção; 1955: Transistor que substituiu as válvulas ou tubos a vácuo em equipamentos de comunicação em rede; 1957: Amplificador de faixa larga de alta frequência; 1967: Microchip, usado para produzir os tones (sons) em aparelhos de telefone; 1997: Chip, que pode conter mais de 5 milhões de transistores, usados em modems e celulares. 6
Evolução
O impacto do transistor, na eletrônica, foi grande, já que a sua capacidade de amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo ele, muito menor e consumindo muito menos energia, substituísse as válvulas na maioria das aplicações eletrônicas. O transistor contribuiu para todas as invenções relacionadas, como os circuitos integrados, componentes opto-eletrônicos e microprocessadores. 7
Evolução
Praticamente todos os equipamentos eletrônicos projetados hoje em dia usam componentes semicondutores. As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas, tais como:
Menor tamanho, mais leve e mais resistente Não precisava de filamento Mais eficiente, pois dissipa menos potência Não necessita de tempo de aquecimento Menores tensões de alimentação 8
Transistor Bipolar
O transistor pode controlar a corrente; Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, formando duas camadas de um tipo (N) e no meio delas o outro cristal (P); Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transistor;
Figura 3 - Transistor da esquerda é chamado de NPN e o outro de PNP
9
Transistor Bipolar Características
construtivas
O
emissor tem a propriedade de emitir portadores de carga; A base é muito fina, não consegue absorver todos os portadores emitidos pelo emissor; O coletor é a maior das camadas, sendo o responsável pela coleta dos portadores vindos do emissor. 10
Transistor Bipolar Características
construtivas (cont.)
Da
mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas junções das camadas P e N.
Figura 4 – Barreiras de potencial nos transistores NPN e PNP
11
Transistor Bipolar Características
construtivas (cont.)
O
comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da agem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Para isto é necessário polarizar corretamente as junções do transistor.
12
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarizando diretamente a junção emissor-base
Figura 5 – Polarização direta da junção emissor-base 13
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarizando inversamente a junção base-coletor
Figura 6 – Polarização reversa da junção base-coletor 14
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (NPN)
Polarização completa, a corrente de coletor IC a a ser controlada pela corrente de base IB.
Figura 7 – Transistor controlando corrente 15
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de coletor IC. A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC. Isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente na base.
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Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. Este efeito amplificação, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base , isto é:
17
Transistor Bipolar Funcionamento
como amplificador (cont.)
Figura 8 – Efeito Amplificação no Transistor NPN 18
Transistor Bipolar Tensões
e Correntes nos Transistores
IE = IC + IB
IE = IC + IB
VCE = VBE + VCB
VEC = VEB + VBC
Figura 9 - Tensões e Correntes
19
Transistor Bipolar
Configurações Básicas
Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.
Figura 10 - Configurações Básicas
20
Transistor Bipolar Configurações
Básicas (cont.)
Base Comum
Ganho de tensão elevado Ganho de corrente menor que 1 Ganho de potência intermediário Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta
Coletor Comum
Ganho de tensão menor que 1 Ganho de corrente elevado Ganho de potência intermediário Impedância de entrada alta Impedância de saída baixa
Emissor Comum
Ganho de tensão elevado Ganho de corrente elevado Ganho de potência elevado Impedância de entrada baixa Impedância de saída alta
21
Transistor Bipolar Configurações
Básicas (cont.)
A
configuração Emissor-Comum é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência esta configuração.
22
Transistor Bipolar Curva
Característica - EC
Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Para cada valor constante de VCE, varia-se a tensão de entrada VBE, obtendo-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico conforme figura abaixo. Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão entre a base e o emissor. 23
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Figura 11 - Curva Característica de Entrada EC 24
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Para
cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.
25
Transistor Bipolar Curva
Característica – EC
Figura 12 -Curva Característica de Saída EC 26
Transistor Bipolar
Funcionamento como chave
A utilização do transistor nos seus estados de SATURAÇÃO e CORTE, isto é, de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação como chave. No exemplo a seguir, ao se ligar a chave S1, fazendo circular uma corrente pela base do transistor, ele satura e acende a lâmpada. 27
Transistor Bipolar Funcionamento
como chave
O
resistor ligado a base é calculado, de forma que, a corrente multiplicada pelo ganho dê um valor maior do que o necessário o circuito do coletor, no caso, a lâmpada.
Figura 13 – Exemplo de utilização como chave 28
Transistor Bipolar Funcionamento
como chave
Figura 14 – Analogia de um transistor com uma chave 29
Transistor Bipolar Ponto
de Operação (Quiescente)
Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transistor deve estar polarizado corretamente. Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características. 30
Transistor Bipolar
Ponto de Operação (Quiescente) Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. Os pontos QA (região ativa), QB (região de saturação) e QC (região de corte) da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas.
31
Transistor Bipolar Ponto
de Operação (Quiescente)
Figura 15 – Pontos Quiescentes de um Transistor 32
Transistor Bipolar
Reta de carga
É o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis para uma determinada polarização.
Figura 16 – Reta de Carga de um Transistor 33
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização em Emissor
Comum Nesta
configuração, a junção BE é polarizada diretamente e a junção BC reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e dois resistores para limitar as I R correntes e fixar o ponto de operação. C
C
RB B
VBB
IB
VCC
C
E IE
34
Transistor Bipolar Circuito
de
Polarização
Comum B
VBB
IB
Emissor
IC
RC RB
em VCC
C
E IE
VBB + VBE Malha de entrada: R .I VBE = VBB então, B B RB IB
Malha de saída: RC.IV C+V CE V=VCC então, RC
CC
CE
IC
35
Transistor Bipolar Circuito
de polarização corrente de base constante
EC
com
Para
eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode-se utilizar somente a fonte VCC.
Para
garantir as tensões corretas para o funcionamento do transistor RB deve ser maior que RC. IC
RC
RB
B
IB
VCC
C
E IE
36
Transistor Bipolar Circuito
de polarização corrente de base constante
B IB
VCC VBE RB IB
com
IC
RC RB
EC
VCC
C
E IE
VCC VCE RC IC 37
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização EC com corrente de emissor constante.
Neste circuito de polarização é inserido um resistor RE entre o emissor e a fonte de alimentação IC
RC RB B
E
IB
VCC
C
RE
IE
A idéia é compensar possíveis variações de ganho devido a mudanças de temperatura. 38
Transistor Bipolar Circuito
de Polarização EC corrente de emissor constante IC
RC RB
VCC
C
B
E
IB RE
RB
IE
Adota-se
com
VCC VBE R E .I E IB
VCC VCE R E .I E RC IC
VRE = VCC / 10 39
Bibliografia MARQUES,
Angelo Eduardo B.; CHOUERI JÚNIOR, Salomão; CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores. 11. ed. São Paulo: Érica, 2007.
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OBRIGADO
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