Transistor Bipolar e CI

Transistor Bipolar e CI

O Transistor BipolarO transistor é um componente que revolucionou o campo da eletrônica. Sua descoberta valeu o prêmio Nobel a três cientistas da Bell Telephone.

Sem dúvida, nem mesmo os descobridores deste minúsculo componente poderiam imaginar que se iniciava uma nova era no desenvolvimento da humanidade.

Esta unidade é, também para você um marco no estudo da eletrônica. Nele se inicia o estudo deste “pequeno-grande componente”.

O transistor bipolar é um componente eletrônico constituído por materiais semicondutores, capaz de atuar como controlador de corrente, o que possibilita o seu uso como “amplificador de sinais” ou como “interruptor eletrônico”.

O transistor se compõe basicamente de duas pastilhas de material semicondutor, de mesmo tipo, entre as quais é colocada uma terceira pastilha, bem mais fina, de material semicondutor com tipo diferente de dopagem, formando uma configuração semelhante a um “sanduíche”.

Composição do transistor

A configuração da estrutura, em forma de sanduíche, permite que se obtenham dois tipos distintos de transistores, um com pastilhas externas de material N e pastilha central de material P e o outro com pastilhas externas de material P e pastilha central de material N.

Os dois tipos de transistores podem cumprir as mesmas funções diferindo apenas na forma como as fontes de alimentação são ligadas ao circuito eletrônico. A esses dois tipos damos o nome de NPN e PNP.

A interligação da pastilha aos circuitos eletrônicos é feita através de três terminais denominados base, emissor e coletor , representados pelas letras B, E e C respectivamente, sendo que a pastilha central é referente ao terminal base.

Os terminais recebem uma designação que permite distinguir cada uma das pastilhas. A figura abaixo apresenta dois tipos de transistores, com a identificação dos terminais.

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SENAI/SPTexto Base 4 – Transistor Bipolar e CI

Terminais do transistor

A figura a seguir apresenta o símbolo dos transistores NPN e PNP, indicando a designação dos respectivos terminais.

Símbolo do transistor

A diferença entre os símbolos dos dois transistores é apenas o sentido da seta no terminal “emissor”.

Os transistores podem se apresentar nos mais diversos formatos que são diferenciados pelo seu encapsulamento. Esses formatos geralmente variam em função do fabricante, montagem e capacidade de dissipar calor.

A figura abaixo apresenta alguns tipos construtivos de transistores.

Tipos diferentes de encapsulamento de transistores

Por esta razão, a identificação dos terminais do transistor é muito facilitada quando se utiliza como auxílio um manual de transistores ou folheto técnico específico do fabricante do transistor.

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Polarização do TransistorAo unirem as três pastilhas semicondutoras, ocorre um processo de difusão dos portadores, da mesma forma que ocorre em um diodo. Esta difusão dá origem a uma barreira de potencial em cada junção.

Para que o transistor entre em modo de condução, possibilitando a passagem de corrente entre os terminais coletor e emissor, as junções BE e BC devem ser polarizadas de formas diferentes.

A junção base-emissor é polarizada diretamente, ou seja, + no material P e - no material N. Porém a junção base-coletor, é polarizada inversamente, + no material N e - no material P.

As duas junções devem ser polarizadas simultaneamente. O esquema que segue representa esta ligação, onde as baterias fornecem as tensões de polarização.

Exemplo de polarização do transistor

Conforme estudaremos oportunamente, em geral, não se usam duas baterias separadas para a alimentação do transistor mas uma única, da qual se tiram as tensões necessárias através de resistores divisores de tensão.

Na ligação anterior, a tensão V1 polariza a junção BE diretamente e a tensão V2 aplica uma tensão

positiva no coletor maior que a tensão positiva da base.

Se o coletor é mais positivo que a base, então a base é mais negativa que o coletor, desta forma a junção BC fica polarizada inversamente, satisfazendo as condições de polarização do transistor.

Tensões e Correntes no Transistor BipolarA alimentação simultânea das duas junções, através das baterias externas, dá origem a três tensões entre os terminais do transistor.

Essas tensões são: tensão de coletor a base, denominada de VCB, tensão de base a emissor denominada de VBE e tensão de coletor a emissor denominada de VCE.

Dispondo as três tensões em uma mesma figura se observa que as tensões VBE + VCB somadas são iguais a VCE. Observemos a seguir o esquema com essas três tensões:

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CEV = BEV + CBV

A corrente do terminal emissor é denominada de corrente de emissor representada pela notação IE, a do terminal base de corrente de base (IB) e a do terminal coletor de corrente de coletor (IC). Por convenção se estabeleceu que toda a corrente que entra no transistor é positiva e a corrente que sai é negativa.

A figura a seguir mostra as correntes em um transistor.

Correntes em um transistor NPN

O princípio básico de funcionamento, que explica a origem das correntes no transistor é o mesmo para os transistores NPN e PNP, portanto usa-se estudar o princípio de funcionamento apenas de um tipo.

Analisando as correntes nos transistores, pela primeira lei de Kirchhoff ( lei dos nós ) , temos :

IE = I

B + I

C

Controle IB sobre IC

O transistor possui como principal característica o controle da corrente IC através da corrente IB. ou seja, a corrente de base controla a corrente de coletor como se fosse um registro.

Este controle se deve ao fato de que a corrente de base influi na largura de barreira de potencial da junção base-emissor.

Quando a tensão VBE aumenta, a barreira de potencial na junção base-emissor torna-se mais estreita.

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Funcionamento do transistor

Por analogia pode-se afirmar:

BI aumenta CI aumenta

BI diminui CI diminui

Através de um transistor é possível utilizar uma pequena corrente (IB) para controlar a circulação de uma corrente de valor muito maior (IC), que a outra:

A corrente controlada (IC) e a corrente de controle (IB) podem ser relacionadas entre si para determinar quantas vezes uma é maior que a outra.

O resultado desta relação é denominado tecnicamente de ganho de corrente contínua entre base e coletor, representado pela letra grega β (beta) em corrente contínua ou hFE.

FEh ou DCβ = B

CII

Ganho de corrente contínua entre base e coletor

É importante salientar que o fato do transistor permitir um ganho de corrente entre base e coletor não significa que sejam geradas ou criadas correntes no seu interior.

Todas as correntes que circulam em um transistor são provenientes da fontes de alimentação, cabendo ao transistor apenas controlar a quantidade de corrente fornecida por estas fontes.

Os transistores não geram correntes, atuando apenas como controladores das quantidades de correntes fornecidas pelas fontes de alimentação.

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Regiões de operaçãoA reta de carga de um transistor é dividida em três regiões denominadas: corte, saturação e ativa.

Um transistor está na região de corte quando a junção base-emissor está polarizada inversamente. A polarização inversa na junção BE torna a corrente de base nula. Nessa região o transistor funciona praticamente como uma chave aberta entre os terminais coletor-emissor.

Transistor como uma chave aberta

Um transistor está na região de saturação quando a tensão VBE é maior que a tensãoVCE.

O que caracteriza a região de saturação é que, devido ao fato de VBE ser maior que VCE, a junção BC do transistor também fica diretamente polarizada. Nesta região o transistor assume uma característica de chave fechada, com uma pequena queda de tensão entre os terminais coletor-emissor.

Transistor como uma chave fechada

A região ativa corresponde a todo trecho entre as regiões de corte e saturação. É a região característica de funcionamento dos estágios amplificadores.

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Transistor como ChaveA utilização do transistor como chave se consegue operando na região de saturação e corte, ou seja, como um elemento de controle on-off conduzindo ou interrompendo a circulação de corrente.

O circuito de polarização utilizado é de corrente de base constante, sendo que a fonte de polarização da base é na realidade, o sinal de entrada que controla o transistor, cortando (chave aberta) ou saturando (chave fechada).

A seguir, uma analogia do transistor como uma chave.

Transistor como chave

Abaixo segue o gráfico de um transistor com o traçado da reta de carga, para a análise das regiões de corte e saturação.

Gráfico da reta de carga de um transistor relacionando Ic, Vce e Ib

Para que o transistor opere na região de corte, como uma chave aberta, é necessário que a corrente de base seja, IB CORTE= 0 mA. Para se ter este valor, a tensão de entrada VENT deve ser menor que a tensão VBE de condução do transistor (aproximadamente 0,7 V – Silício), nesta situação a tensão VCE será praticamente a tensão da fonte VCC

e não circulará corrente no

transistor, IC = 0 mA.

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Transistor na região de corte

Para que o transistor opere na região de saturação, como uma chave fechada, é necessário que a tensão de entrada (VENT) seja maior que VBE de condução. Nessa região a corrente de coletor IC SAT

é máxima, e a tensão de VCE SAT praticamente 0 V (0,1 a 0,3 V).

Circuitos integradosCom o aparecimento do transistor foi possível o desenvolvimento de circuitos complexos de tamanho reduzido, de baixo consumo, leves e, sobretudo, confiáveis. A técnica cada vez mais sofisticada de produção destes componentes possibilitou a construção de dispositivos tão pequenos que a utilização de fios para liga-los ao circuito tornou-se pura perda de espaço. Considerando que componentes passivos tais como resistores ou capacitores também podem ser construídos com a mesma tecnologia e portanto com dimensões também reduzidas, foram desenvolvidos circuitos contendo elementos passivos e ativos totalmente integrados uns aos outros. A estes circuitos damos a denominação de circuitos integrados (CIs).

Desenho da ampliação da parte interna de um CI

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A quantidade de componentes ativos e passivos do circuito integrado depende da finalidade principal para a qual ele é projetado.

Encapsulamento de circuitos integrados A função do encapsulamento do circuito integrado é de proteger a pastilha contra choques mecânicos, contra a ação do meio ambiente, dissipar o calor gerado no interior da pastilha e fixar os terminais de ligação externa.

Existe uma variedade muito grande de tipos de invólucros de circuitos integrados, o exemplo de alguns tipos de encapsulamento é observado na figura a seguir:

Alguns tipos de encapsulamentos de CIs

Segundo a posição dos terminais, o CI pode ser denominado de:

• Em linha simples (“Single In Line Pin - SIP), que possui os terminais em linha simples ou seja, que tem os terminais de interligação dispostos em apenas um dos lados.

Encapsulamento SIP

• Duplo em linha (“Dual In Line” – DIL), quando os terminais estão alinhados de modo a formar duas filas.

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Encapsulamento DIL

• Quadruplo em linha (“Quadruple In Line ou Quad In Line) que tem os terminais alinhados de modo a formar quatro filas.

Encapsulamento Quad In Line

A construção e os processos de desenvolvimento de circuitos integrados serão tratados posteriormente no curso.

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