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Eletrônica Básica
Aula09: Transistor Construção Básica  e Princípios de Funcionamento 
Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino

      
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John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e desenvolveram o primeiro dispositivo em Dezembro de 1947 nos laboratórios da Bell em Murray Hill, NJ. Eles ganharam o premio Nobel de física em 1956. A foto a seguir mostra os três.

Transistor Bipolar  Construção Básica  e Princípios de Funcionamento

Existem dois tipos básicos de transistores de  acordo com  o tipo de dopagem de cada terminal (base, coletor e emissor), NPN e PNP. A figura a seguir mostra de forma simplificada a estrutura na forma de sanduíche e a simbologia. Observar a assimetria existente.

Figura 1: Tipos de transistor e simbologia 

Cada uma das regiões  do transistor tem uma característica.

1. A base é a mais estreita e menos dopada das três (é extremamente fina !!).

2. O emissor que emitirá os portadores de carga (elétrons no caso de transistor NPN  ou lacunas  no caso de transistor PNP) é a mais dopada das três (maior concentração de impureza).

3. O coletor é a mais extensa, pois ai é que será dissipado potência.

De uma forma bem simplificada expliquemos como um transistor funciona:

  Consideremos um transistor NPN (para o outro basta inverter o sentido das tensões e correntes). Em polarização normal (como amplificador) a junção base emissor é polarizada diretamente e a junção base coletor  é polarizada reversamente.

 Na Figura 2  os elétrons são emitidos no emissor já que a junção  base emissor está polarizada diretamente. Os elétrons atingem a base, como ela é muito fina e pouco dopada, a maior parte consegue atingir o coletor onde são acelerados pelo campo elétrico ai existente, apenas alguns poucos elétrons (1% ou menos) conseguem se recombinar com as lacunas da base, formando a corrente de base,os outros  atingem o coletor, dai que a corrente de coletor é aproximadamente igual à corrente de emissor.

Na Figura 2 o sentido das correntes externas é o convencional. A configuração da Fig2 é chamada de base comum.

Veja esses  vídeos sobre Transistor (em inglês): http://www.allaboutcircuits.com/videos/60.html

                                                                                            http://www.allaboutcircuits.com/videos/61.html

 

Ligação Base Comum

Figura 2:  Configuração Base Comum      

Valem as seguintes relações em um transistor:

 IE = IC + IB            

sendo que   

 

  a (alfa) é  o ganho de corrente na configuração  base comum.

Outra forma de representar um  transistor ligado ao mundo exterior é a conexão   emissor comum, Figura 3.

Ligação  Emissor Comum

Corrente  convencional     

Corrente de elétrons           

Figura 3 :  configuração emissor comum

Observe que a junção base emissor continua polarizada diretamente e a junção base coletor reversamente. Os elétrons são emitidos  no emissor atingem a base que por se pouco dopada e estreita permite que a maioria atinja o coletor.

Para essa configuração chamada emissor comum define-se o ganho de corrente, beta (β),  como sendo:    

Os desenhos das  Fig2  e Fig3  são representados pelos  seus esquemas elétricos correspondentes indicados na Fig4 e Fig5 respectivamente.

Figura 4: Representação através de esquema elétrico do circuito da Figura 2

Figura 5: Representação através de esquema elétrico do circuito da Fig3

Curvas Características de Coletor (configuração emissor comum)

  São  gráficos que relacionam  corrente de coletor com tensão  entre coletor e emissor tendo como parâmetro a corrente de base.

Na Fig5 equacionando o  circuito de coletor resulta:

VCC = RC.IC + VCE                                           (equação 3)

que é a equação de uma reta, a qual é chamada de “ Reta de Carga “, sendo representada no plano ICxVCE  que  é um conjunto de curvas chamadas de  curvas características de coletor.

Para desenhar essa reta só precisamos de dois pontos:

1º Ponto: Fazendo  IC =0 na equação acima ,  obtemos    VCE=VCC que fisicamente representa o corte.

No corte  as duas junções  estão polarizadas reversamente e portanto todas as três correntes são muito pequenas (nA), nestas  condições  o transistor pode ser considerado uma chave aberta, Fig6b.

Obs: Para  cortar um transistor  de Si basta fazer VBE < 0V, porém se de Ge, VBE < -0,4V

                                  ( a )                                                                              ( b ) 

Figura 6: Transistor no corte - ( a ) Circuito e ( b ) modelo simplificado,24

2º Ponto : Fazendo VCE = 0 obtemos  IC =VCC/RC  que fisicamente representa a saturação.

Na saturação as duas junções estão polarizadas diretamente, neste caso para garantir que o transistor sature  deve-se impor algumas condições. A  condição para considerar o transistor saturado é  IC<bmin.IB, como o b  de um transistor varia  entre um mínimo e um máximo para garantir a saturação usamos o  mínimo, então
 
IC < bmin.IB
A Fig7b mostra o modelo simplificado para
  um transistor na saturação (chave fechada).

                                   ( a )                                                                             ( b )

Figura 7: Transistor na saturação  -  ( a ) Circuito e ( b ) modelo simplificado

Unindo os dois pontos obteremos uma reta,  Reta de Carga.

Figura 8: Curvas característica de coletor - montagem emissor comum mostrando a reta de carga.

Na Figura 8 o ponto de operação ou ponto quiescente (ponto Q) estará sempre em cima da reta de carga. Os limites da reta de carga são o corte, quando IB =0 e a saturação quando VCE =0 . Entre esses dois pontos  o transistor operará como amplificador, isto é , a relação entre IC e IB será dada por  IC=β.IB.

Veja esse  vídeo sobre Transistor (em inglês): http://www.allaboutcircuits.com/videos/62.html

Experiência11 – Transistor na Região Ativa

1) Abra o arquivo(open the file)  EXP11.CIR    e identifique o circuito da Figura 9. Inicie a simulação Ative-o,  ajustando o circuito para que a tensão VCE seja aproximadamente 6V (região ativa). Anote  o valor de IB e IC calculando em seguida  a relação   IC/IB = b. Anote o resultado na tabela I. Repita para os outros valores de VCE . Entre  no modelo (duplo clique no símbolo), vá  em Editar Modelo (Edit Model) e confira o valor especificado  (Coeficiente de ganho de corrente direto) para o b.

 

Figura 9: circuito para experiência 11

Tabela I:  Medindo o beta

VCE(V)

IB(mA)

IC(mA)

    b

6

 

 

 

8

 

 

 

4

 

 

 

2) Conclusões:

Experiência12 – Transistor no Corte e Saturação

1) Abra o arquivo (open file)  EXP12 . Estime os valores das correntes de base e de coletor com a chave C na posição A e B. Coloque os valores na tabela II. 

2) Execute uma analise Dynamic DC  e com a chave na posição  A. Meça as correntes IB e IC. Anote na tabela III. Com a chave em B meça as correntes IB e IC. Anote os valores na tabela II. 

 Figura 10: circuito para experiência 12

Tabela II: Transistor: Corte - Saturação - Valores Calculados 

Valores Calculados 

Chave em A

Chave em B

IB (mA)

IC (mA)

VCE (V)

IB (mA)

IC (mA)

VCE(V)

 

 

 

 

 

 

Tabela III: Transistor: Corte - Saturação - Valores Medidos

Valores Medidos

Chave em A

Chave em B

IB (mA)

IC (mA)

VCE (V)

IB (mA)

IC (mA)

VCE (V)

 

 

 

 

 

 

3. Conclusões

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