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

Conceitos objetivos sobre transistor, para consulta rápida e aplicação geral.

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.

Então, ainda tem muito abaixo, com várias dicas práticas que podem ser aplicadas em projetos. Lembra daquele colega que não sabe as funções de modelos ou equações de transistores? Então, indique esse conteúdo para ajudá-lo ou compartilhe pelos links abaixo:

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.