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Transistores I00 - Alguns parâmetros e circuitos básicos


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Pode-se dizer que os transistores são os mais importantes entre os componentes de semicondutores. Algumas informações teóricas sobre o funcionamento destes últimos são dadas em Semicondutores I. Nesta página são apresentados circuitos e parâmetros básicos da operação de transistores.

Configurações básicas (resumo)

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Os transistores foram desenvolvidos originalmente para uso em amplificadores de sinais. Assim, seus parâmetros, isto é, características que definem um tipo, são muitas vezes dados em conformidade com essa aplicação (amplificadores).

Configurações básicas de transistores
Fig 01
É evidente que os diagramas da Figura 01 são apenas indicativos. Componentes outros, para polarização, acoplamentos, etc são necessários para os amplificadores reais.

A tabela seguinte dá um comparativo aproximado das três configurações. O tipo emissor comum é, de longe, o mais usado, pelo melhor compromisso entre os parâmetros.

Tipo de configuração Emissor comum Base comum Coletor comum
Ganho de tensão médio alto baixo
Ganho de corrente médio baixo alto
Ganho de potência alto baixo médio
Impedância entrada média baixa alta
Impedância saída média alta baixa
Desvio de fase 180°
As demais configurações são em geral empregadas em circuitos de combinação de impedâncias ou de chaveamento.

Também é evidente que as comparações da tabela não são absolutas. As características podem variar bastante de acordo com o tipo de transistor e condições de operação.


Circuito emissor comum

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Conforme já dito, os circuitos da Figura 01 do tópico anterior são apenas ilustrativos. Na operação prática, é preciso aplicar tensões para polarizar inversamente a junção do coletor e diretamente a de emissor. A Figura 01 deste tópico dá um exemplo para um transistor NPN.

Circuito básico de emissor comum
Fig 01
Desde que a resistência direta da junção base-emissor é pequena e aproximadamente constante, pode-se dizer que a corrente de base deste circuito também é aproximadamente constante.

Esse comportamento, entretanto, implica um inconveniente decorrente do aumento da corrente de coletor com o aumento de temperatura.

Assim, com a polarização de base fixa, o circuito pode ser levado a um ponto de operação indesejável, o que limita bastante sua aplicação prática.

Para contornar o problema anterior, pode ser usado o circuito da Figura 02 A: a tensão na base é mantida pelo divisor de tensão formado por Rb1 e Rb2. A queda de tensão em Re se contrapõe a essa polarização. Portanto, um aumento da corrente de coletor provoca um aumento da queda de tensão, reduzindo a corrente de base e estabilizando o circuito.

A análise do circuito é facilitada pelo equivalente conforme Figura 02 B. Nada muda na parte de coletor e emissor, apenas se considera Vcc a bateria indicada. Na parte de polarização de base, a simplificação é feita com auxílio do Teorema de Thevenin, cujo enunciado é:

"Qualquer combinação de baterias e resistências, com dois terminais de saída, é equivalente a uma única fonte de tensão em série com um resistor. A tensão da fonte é igual à tensão do circuito sem carga (terminais abertos) e o valor do resistor é igual a essa tensão dividida pela corrente com os terminais em curto-circuito".

Consideram-se então, como combinação, Vcc, Rb1 e Rb2 e, como terminais, a base do transistor e a massa. Assim,

Vb = Rb2 Vcc / (Rb1 + Rb2) #A.1#, ou seja, tensão com a base desconectada.

A corrente com base e massa em curto-circuito é Icc = Vcc / Rb1. E a resistência equivalente Rb é dada por:

Rb = Vb / Icc = Rb1 Rb2 / (Rb1 + Rb2) #B.1#.

Polarização com divisor de tensão e circuito equivalente
Fig 02
Aplicando agora a Lei de Kirchhoff (∑ V = 0) para a malha formada por Vcc, Rc, coletor-emissor e Re,

Vcc = Rc Ic + Vce + Re Ie #C.1#.

Desde que a corrente de base Ib é pequena, pode-se supor Ie ≈ Ic. E a igualdade anterior pode ser reescrita:

Ic = (1/R') Vcc − (1/R') Vce onde R' = Rc + Re #D.1#.

Considerando Vcc e R' constantes, conclui-se que, segundo equação anterior, Ic varia linearmente em função de Vce. E a reta pode ser traçada num gráfico, conforme linha contínua da Figura 03, bastando definir dois pontos quaisquer (por exemplo: para Vce = 0, Ic = (1/R') Vcc e para Ic = 0, Vce = Vcc).

Usando a Lei de Kirchhoff para o laço de polarização (novamente lembrando que Ie ≈ Ic),

Vb = Rb Ib + Vbe + Re Ic ou Rb Ib = Vb − Vbe − Re Ic #E.1#.

Ponto de operação do amplificador
Fig 03
A relação entre a corrente de coletor e a de base é chamada ganho de corrente cc do transistor (simbolizada por hFE) e, em geral, é dada pelo fabricante.

Assim, Ic = hFE Ib #F.1#.

Substituindo esse valor de Ic na igualdade #E.1# e rearranjando, resulta em

Ib = (Vb − Vbe) / (Rb + hFE Re) #G.1#.

Isso significa que a corrente de base do transistor fica definida em função do hFE do mesmo e tensão de alimentação e resistências do circuito.

Lembrar que a tensão base-emissor (Vbe) pode ser considerada aproximadamente constante devido à polarização direta. Para os transistores de germânio (raros atualmente) é cerca de 0,2 V e para os de silício, na faixa de 0,6 a 0,7 V.

É evidente que essas são condições de repouso do circuito. Ainda não estão considerados os sinais a amplificar.

No gráfico da Figura 03, as linhas azuis representam correntes de base constantes para um transistor de baixa potência típico. Assim, em princípio, o ponto de operação deve ser a interseção da reta de carga definida pela igualdade #D.1# (reta vermelha) com a linha da respectiva corrente de base calculada por #G.1#.

Circuito de exemplo para emissor comum
Fig 04
Exemplo hipotético: circuito da Figura 04

Conforme #A.1#: Vb = (6 . 2) / (4 + 2) = 2 V.

Conforme #B.1#: Rb = (4 . 2) / (4 + 2) = 1,33 KΩ.

Conforme #G.1#: Ib = (2 − 0,7) / (1330 + 100 . 1000) = 12,8 10−6 A = 12,8 µA.

Conforme #F.1#: Ic = 100 . 12,8 10−6 = 1,28 mA.

A tensão coletor-emissor é dada pela igualdade #C.1#:

Vcc = Rc Ic + Vce + Re Ie. Assim, Vce = 6 − 2000 1,28 10−3 − 1000 1,28 10−3 = 2,16 V.

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