O transistor em visão objetiva, para consultas em aplicações e referência de estudo

Conceitos objetivos sobre transistor, para consulta rápida e aplicação geral. Frases diretas para referência geral em projetos e aplicações.

Considerações iniciais

O β do transistor varia em função da temperatura e varia ligeiramente com a corrente de coletor. Mesmo assim, o β é aproximadamente constante para um dado transistor.

Em um transistor NPN, as tensões de polarização VEE e VCC são contrárias às do transistor PNP. Isto é importante para polarizar diretamente a junção do emissor e inversamente a do coletor.

As relações entre os terminais de transistores não são lineares, mas sim exponenciais, como nos diodos. Como são três terminais, as características de resposta podem aparecer de vários modos.

A característica vxi (gráfico) do transistor pode ser usada para obter informações sobre o funcionamento do dispositivo.

Para um modelo linearizado do transistor, não se leva em consideração a natureza exponencial da resposta vxi da junção pn. Neste modelo, supõe-se que a junção atua como uma bateria de 0,7 V, que conduz ou não, dependendo da amplitude do sinal de entrada

Quando conectamos um diodo Schottky entre a base e o coletor de um transistor, temos a configuração conhecida como Transistor Schottky. Esta configuração serve:

  • Para acelerar a transição da polarização direta para o corte.
  • Para evitar que o transistor entre na saturação.

Regiões de polarização

Regiões de corte e saturação do transistor
Autor: AlexHe34 – File:Current-Voltage relationship of BJT.png

No gráfico acima:

  • Curva azul → Indica o limite da região de saturação (tensão pequena);
  • Curva vermelha (cut-off) → Indica o limite da região de corte (corrente Ic pequena);
  • Curva vinho (Pmax) → Variação da máxima potência no transistor.

Saturação

A região de saturação de um transistor é aquela em que a tensão entre coletor e emissor varia tipicamente de:

  • De 0,1 a 0,2 V para transistores de baixa potência (menos de 1 W);
  • De 1 a 2 V para transistores de alta potência.

Na saturação, um aumento na corrente de base não causa aumento proporcional na corrente de coletor. Por este motivo, a região de saturação é evitada em projetos de amplificadores lineares. Mas a saturação tem a vantagem abaixo:

O transistor dissipa pouca potência na saturação. Para aproveitar isso, quando usamos o transistor como chave, ele é geralmente chaveado entre o corte (sem corrente de emissor) e a saturação.

Ativa

A região ativa de um transistor é aquela entre as regiões de saturação e de ruptura. É na ativa que se obtém amplificação linear.

Na região ativa existem limites superior e inferior para a corrente de coletor:

  • O superior é a corrente de coletor máxima que não cause danos ao transistor. Esse limite superior é sempre especificado pelo fabricante.
  • O inferior é denominado corte. Abaixo dele praticamente não há corrente de emissor, que é usualmente admitida como zero.

A região de corte ocorre quando a corrente de coletor se anula. Para ler um pouco mais sobre as regiões, veja meu artigo sobre chaveamento.

Modelo de Ebers-Moll do transistor

O modelo Ebers-Moll do transistor utiliza diodos (característica exponencial), junto com fontes controladas que representam de forma adequada o comportamento do transistor.

Outro detalhe importante do modelo Ebers-Moll – omitido no modelo linear-, é considerar também o comportamento do dispositivo no sentido inverso, isto é, com a junção do coletor polarizada diretamente e a do emissor inversamente.

É quando o transistor está operando na região de saturação que as equações de Ebers-Moll são úteis na determinação das condições do circuito.

O modelo de Ebers-Moll dá relações matemáticas muito úteis que se aplicam aos transistores em várias condições de operação. Pelo lado negativo, as equações desse modelo são difíceis para projetos e análise de rotina.

Mas podem ser feitas aproximações para simplificar o modelo e tornar os cálculos menos complicados. Ao mesmo tempo, uma precisão suficiente é mantida em muitas aplicações.

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Algumas considerações práticas

Equações do amplificador emissor comum com transistor bipolar
Crédito: TedPavlic (File:Complete common emitter amplifier.png)

Em circuitos com transistores, pode-se usar três métodos de análise, sem excluir outros:

  • Técnica gráfica;
  • Aproximação seccionalmente linear;
  • Analise linear de pequenos sinais, usando parâmetros incrementais ou dinâmicos.

Características desejadas em muitos projetos de amplificadores:

  • Variação simétrica máxima na corrente de coletor;
  • Potência máxima dissipada pelo transistor;
  • Potência máxima dissipada na carga;
  • Potência fornecida pela fonte de alimentação.

Quando substituímos um transistor, por exemplo, de um amplificador, os resultados iniciais dos cálculos do projeto poderão mudar. Isto acontece porque o β poderá ser diferente, mesmo que o transistor seja do mesmo tipo.

A polarização por injeção de base ou de corrente constante é usada quando precisamos construir um amplificador simples. Nesta situação, não precisamos nos preocupar com mudanças no ponto de operação Q. Estas mudanças ocorrem em função de variações no β ao trocarmos o transistor.

Recomenda-se usar o método gráfico de análise junto com o desenvolvimento algébrico. O gráfico dá uma boa visualização, indicando as consequências de variarmos parâmetros. Em equações, estas consequências podem ficar escondidas.

2 exemplos de circuitos com transistor bipolar

Descrição: amplificador com um AMP-OP no 1° estágio e transistores Darlingtown no 2° estágio. Em azul o ramo de realimentação (feedback), que contribui para um sinal de saída limpo.

Amplificador de dois estágios com amp-op, transistor e realimentação
Crédito: FDominec (File:Two-stage amplifier with opamp.svg)

Descrição: blocos de circuito simplificado interno do amp-op 741. Vermelho: espelhos de corrente. Azul: amplificador diferencial. Magenta: estágio de ganho em classe A. Verde: deslocador de nível de tensão. Ciano: estágio de saída.

Blocos do amp-op 741 com transistor bipolar
Crédito: Daniel Braun (File:OpAmpTransistorLevel Colored Labeled.svg)

Sobre potência

Duas entre as várias razões da necessidade de cálculos de potência em amplificadores transistorizados são:

  • Amplificadores aceitam sinais com um certo nível de potência. Porém, esta potência é entregue a uma carga que pode ter uma demanda diferente de potência.
  • Componentes de amplificadores tem limitações na quantidade de potência que podem dissipar ou fornecer.

Transistores e resistores são especificados em função da máxima dissipação permitida no coletor. O dispositivo pode ser danificado caso estes valores sejam ultrapassados.

Tamanho e custo são proporcionais à potência nominal. Então, é bom tentar usar o menor valor nominal de potência adequada à potência real esperada no resistor.

E a fonte de alimentação cc (VCC do circuito) é capaz de fornecer apenas uma quantidade finita de potência, que não pode ser ultrapassada.

A potência média fornecida (ou dissipada) a um dispositivo é a soma da potência dos termos cc (médios) e ca (alternados).

A fonte de alimentação fornece apenas potência cc, mas a potência útil dissipada na carga é ca. Assim, a dissipação resulta de um sinal ca que está na carga (a potência é gerada no amplificador).

Eficiência (η) é a potência dissipada pelo resistor de carga dividida pela potência fornecida pela fonte.

Capacitor de desvio e de acoplamento

Amplificador a transistor
File:Bipolar transistor amplifier – emitor.svg – Autor: Vlastik

Em circuitos de amplificadores, quando incluímos um resistor de emissor Re para obter estabilidade da corrente quiescente de emissor, diminuímos a amplificação em frequências diferentes de zero.

Assim, o valor total de Re é bom em cc, mas seria melhor se ele fosse um curto-circuito em ca. Conseguimos isto ao conectar um capacitor (de desvio) em paralelo com ele. E como esse capacitor é um circuito aberto em cc, ele não vai afetar o cálculo do ponto quiescente (ponto de operação).

É comum conectar um capacitor (C2) entre o terminal coletor do transistor e a carga. Isto é chamado de acoplamento ca, que serve para bloquear correntes contínuas e permitir a passagem de correntes alternadas na frequência do sinal.


Transistor de efeito de campo

O transistor de efeito de campo (FET, do inglês) é diferente do transistor bipolar porque:

  • É um dispositivo sensível a tensão;
  • Possui impedância de entrada muito elevada e saída um tanto alta.

Podemos comparar os tipos de FET através de suas características de transferência, que são gráficos da saída versus a entrada. A saída é a corrente dreno-fonte. A entrada é a tensão porta-fonte.

Em um JFET, a variação da tensão no terminal Gate (porta) faz variar a corrente entre os terminais Dreno e Fonte. Assim, o FET é um dispositivo sensível a tensão, enquanto o Transistor bipolar é um dispositivo sensível a corrente.

Conforme o potencial de Gate do JFET diminui, a tensão de Pinch-off (estrangulamento) também diminui.

A tensão de ruptura também é função da tensão Gate-Source (ou porta-fonte). Importante: a tensão de ruptura que é medida entre Dreno e Porta é igual à tensão de ruptura que é medida quando a tensão porta-fonte é nula.

O FET opera na região linear quando a tensão entre Dreno e Source está entre 0V e a tensão de estrangulamento.

De forma parecida ao que ocorre com a dependência da tensão base-emissor do transistor, a tensão de estrangulamento também é função da temperatura.

É conhecida como tensão de estrangulamento por comprimir (estrangular) o canal de ligação entre dreno e fonte.

Abaixo um circuito de exemplo para aplicação com FET. É um deslocador de fase.

Transistor FET em circuito de deslocamento de fase
Domínio público: File:Circuit Diagram for RC-Phase Shift Oscillator using JFET.png

MOSFET

O FET de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) possui propriedades características que o tornam componentes diferenciados em certos projetos:

  • Em uma parte de sua faixa de operação atuam como elementos resistivos controlados por tensão.
  • Por ter uma resistência de entrada muito alta, a constante de tempo do circuito de entrada é grande o bastante para fazer com que a carga presente na pequena capacitância de entrada fique armazenada pelo tempo necessário para que o dispositivo possa ser utilizado como elemento de memória em circuitos digitais.
  • Capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes em poucos nano segundos, sendo muito mais rápido que o transistor bipolar (NPN e PNP). Esta característica faz com que o MOSFET possa ser usado como chave de alta velocidade e alta potência.

Quando os MOSFETs são utilizados na configuração complementar (CMOS), a dissipação de potência quiescente (no ponto de operação do circuito) é praticamente nula em baixas frequências.

O funcionamento do MOSFET é parecido com o do JFET, mas o MOSFET tem capacitâncias menores e impedâncias de entrada mais altas.

No MOSFET, a faixa de operação da tensão entre Gate e Source é sempre positiva. Para que exista corrente, esta tensão precisa ultrapassar um determinado valor (tensão de limiar Vtn).

Gate como capacitor

A porta (Gate) de um MOSFET é como a placa de um capacitor. Assim, uma carga eletrostática parasita pode gerar tensão alta o bastante neste capacitor. Isto pode produzir a ruptura do componente.

Como exemplo, imagine que uma pessoa caminhando em um laboratório pode gerar tensões estáticas de uns 10 kV em condições favoráveis.

Caso a pessoa toque no terminal de entrada do MOSFET, a energia armazenada na capacitância do corpo poderá transferir uma tensão suficiente ao componente para que a sua ruptura aconteça.

Por isso, ao projetar, é importante usar circuitos de proteção com diodos na entrada do MOSFET.

Temperatura

Considerando os efeitos da temperatura sobre o MOSFET, temos que a tensão de limiar varia com a temperatura da mesma forma que a queda de tensão no diodo. Assim:Efeitos da temperatura no transistor MOSFET


FETs e MOSFETs de potência

Produzidos para transmitir correntes elevadas e dissipar grande potência. Exemplos de características de alguns FETs (e MOS) de potência:

  • Tipicamente conduzir 2A ou mais de corrente;
  • Dissipar 50W e ter tensões de ruptura maiores que 200V;
  • Velocidades de chaveamento baixas, como 5ns.

Como a porta (Gate) dos FETs de potência drena uma corrente muito baixa, a potência necessária para excitar o circuito de chave feito com esses componentes é muito baixa. Isso quando comparamos com a potência necessária para excitar o transistor de junção.

Fabricantes podem proteger FETs de potência contra carga estática excessiva conectando um diodo Zener de 25V (exemplo) entre a porta e o substrato (terminal).

Sobre estrutura do componente, o substrato do transistor de potência pode ser conectado ao invólucro e aterrado. Isto faz com que o diodo Zener desvie transitórios de tensão fora da faixa de -0,7V a +25V.


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