Transistores

Transistores

Referência:

Transistores são dispositivos semicondutores utilizados como amplificadores ou como interruptores de sinais elétricos.

Existem duas categorias de transistores, os transistores de junção bipolar (BJT) e os transistores de efeito de campo (FET). Neste material analisaremos os transistores de junção bipolar, que são formados por junções pn de materiais semicondutores e podem ser fabricados em duas categorias de junções, tipo PNP ou NPN.

Quando configurado, através de um circuito de polarização, para operar na chamada região linear ou região ativa, o transistor opera como um amplificador de sinal.

Quando configurado para operar nas chamadas região de corte e região de saturação, o transistor opera como uma chave ou interruptor.

Princípios do funcionamento de um transistor NPN

Um transistor possui três terminais: Coletor (C), Base (B) e Emissor (E).

Um transistor NPN recebe tensão positiva no terminal do coletor. Essa tensão positiva para o coletor permite que a corrente flua do coletor para o emissor, desde que haja uma corrente de base suficiente para ativar o transistor.

Alguns parâmetros importantes para a análise de circuitos com transistor:

• Vb: Tensão no resistor da base;
• Ib: Corrente na base;
• Vbe: Tensão base-emissor;
• Vce: Tensão coletor-emissor;
• Ic: Corrente sobre o resistor do coletor;
• Vc: Tensão para carga;
• Vcc: Tensão de alimentação do circuito.

Funcionamento

• Uma pequena corrente injetada na base do transistor, Ib, proporcionalmente controla uma corrente muito maior fluindo através do coletor, Ic. A proporcionalidade constante é definida como ganho β, tal que Ic = β Ib.
• Pela Lei de Kirchhoff dos Nós a corrente no emissor, Ie = Ib + Ic, ou Ie = (1/β)Ic + Ic. Fatorando obtém-se Ie = Ic(1 + 1/β). Como o ganho β geralmente é 100 ou mais, (1 + 1/β) é aproximadamente 1. Portanto, pode-se considerar Ie ≈ Ic.
• Quando operando na região ativa, a tensão Vbe ≈ 0,7 V. Esta tensão corresponde a junção pn entre a base e o emissor polarizada diretamente (similar a tensão na junção de um diodo polarizado diretamente).

Transistor como chave (ou interruptor)

Nesta configuração o transistor opera na região do corte (chave aberta) ou na região de saturação (chave fechada).

Corte

Comportamento de chave aberta.

Vb < 0,5V
Ib = 0 ; Ic = 0 ; Vc = Vce = Vcc

Saturação

Comportamento de chave fechada.

Vb >> 0,7V
Vc = Vce = 0 ; Ic = Vcc/Rc

Saturação forçada

Garante o comportamento de chave fechada.

Icsat = (Vcc - Vcesat)/Rc ; Vcesat ≈ 0 -> Icsat = Vcc/Rc
Ibsat = Icsat/β

Forçar:

Ib = 2 a 10 . Ibsat

Exemplo

Vb = 5V ; Vcc = 10V ; Rc = 1kΩ ; β = 50-150 ; Rb ?

Saturação forçada:

Icsat = Vcc/Rc = 10/1k = 10mA
Ibsat = Icsat/βmin = 10m/50 = 0,2mA
Ib = 10 . 0,2m = 2mA
Ib = (Vb - Vbe)/Rb = (Vb - 0,7)/Rb = 0,2mA
Rb = (5 - 0,7)/0,2m = 2,15kΩ -> Rb = 2,2kΩ (Valor Comercial)

Exemplo de uso

Acionamento de vários leds com uma única saída do Arduíno no projeto de Automação de Semáforo com Arduíno.

Transistor como Amplificador

Região Ativa

Comportamento de amplificador.

Vb > 0,7V
Ib = (Vb - Vbe)/Rb ; Vbe = 0,7V
Ib = (Vb - 0,7)/Rb
Ic = β.Ib
Vc = Vcc - Rc.Ic

Amplificador a Transistor Emissor-Comum

O amplificador emissor comum utiliza o terminal do emissor como ponto comum, geralmente aterrado, entre a entrada e a saída do amplificador. O terminal da base atua como entrada do sinal CA (corrente alternada) a ser amplificado e o terminal do coletor como a saída do amplificador, onde pode ser conectada uma carga.

A estrutura apresentada utiliza quatro resistores (Rb1, Rb2, Rc e Re) e uma fonte CC (corrente contínua) para polarizar o transistor, de forma a estabelecer seu ponto de operação e o ganho desejado para o amplificador.

São também utilizados capacitores de acoplamento (Cin e Cout) para acoplar o sinal CA e a carga ao amplificador sem alterar a polarização CC. Também é comum encontrar capacitores de derivação (como Cd) que acoplam um ponto não aterrado a um ponto aterrado, criando um terra para o sinal CA. Lembre que o capacitor se comporta como um curto-circuito para sinais CA e um circuito-aberto para sinais CC.

O funcionamento do amplificador está baseado no ganho de corrente fornecido pelo transistor. Um pequeno aumento da tensão na base (Vb) do transistor, provocada pelo sinal CA (Vin), provoca um aumento amplificado na corrente de coletor (Ic), que por sua vez provoca uma queda de tensão sobre o resistor Rc, variando inversamente a tensão de saída (Vout) do amplificador. Desta forma, o sinal CA de entrada (Vin) é amplificado na saída (Vout) e defasado de 180 graus em relação ao sinal de entrada.

Para a análise do circuito do amplificador pode-se utilizar o teorema da superposição e separar a análise CC da análise CA. Trataremos neste material somente a análise CC do circuito de polarização.

Análise CC do amplificador emissor comum

Para a análise em corrente contínua do circuito de polarização do transistor os capacitores são considerados um circuito aberto, portanto, podem serem retirados do circuito, juntamente com a o sinal CA e a carga (nesta análise não foi utilizado o capacitor de derivação Cd, portanto, o resistor Re deve ser considerado na análise CC).

Esta estrutura de amplificador utiliza um divisor de tensão para estabelecer a tensão na base do transistor, que é um parâmetro importante para definição do ponto de operação do transistor.

Cálculo de Vb

A tensão Vb pode ser calculada pelo divisor de tensão entre Rb1 e Rb2:

Vb = Rb2 / (Rb1 + Rb2) Vcc 

Cálculo de Ib

A corrente Ie ≈ ΒIb. A tensão sobre Re é igual a Vb - Vbe, ou Vb - 0,7:, logo:

Ie = (Vb - 0,7) / Re

e

Ib = (Vb - 0,7) / βRe

Cálculo de Ic

O cálculo de Ic é função do ganho β do transistor:

Ic = βIb

Cálculo de Vce

Pode ser calculada analisando as tensões na malha sobre Rc e Re, e considerando Ie ≈ Ic:

Vcc = Rc Ic + Vce + Re Ic

Vce = Vcc - (Rc + Re) Ic

Diretivas para o projeto de um amplificador emissor comum

Para o projeto de um amplificador emissor comum deve-se escolher um ponto de operação (Ic e Vce) dentro da região linear do transistor. Este ponto de operação é chamado ponto quiescente. Para tal, deve-se examinar o manual do transistor (Datasheet), escolher valores de Ic e Vce dentro da região linear e verificar o valor do ganho Β. O valor do ganho geralmente depende dos valores de Ic e Vce e pode ser obtido no manual através de gráficos.

Também deve-se procurar manter a tensão Vce em torno de 50% do valor de Vcc, a fim de obter o máximo possível de excursão positiva e negativa do sinal CA a ser amplificado em torno de Vce. Já a tensão sobre o resistor do emissor Re deve ser mínima, entre 5% a 10% de Vcc.

Ver exemplo de projeto em Laboratorio: Amplificador a Transistor Emissor Comum.

Referências

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--Evandro.cantu (discussão) 10h28min de 12 de junho de 2014 (BRT)

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