Transistores

FI577 - Instrumentação eletrônica para a física

Leituras recomendadas: Agarwal Caps. 6 e Horowitz & Hill Cap. 2

Controle?

  • Até aqui consideramos elementos passivos
  • Elementos recebem um dado sinal e passam adiante, conforme o sinal e suas propriedades internas apenas
  • Como podemos usar um sinal e controlar o comportamento de outro componente? Ex.: Mandar um pulso de tensão para ligar uma lâmpada.
    • Muito difícil com elementos de 2 terminais apenas… Apenas uma entrada e uma saída
    • Precisamos de um dispositivo que possua ao menos 3 terminais

O primeiro transistor

Prêmio Nobel de 1953: William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain

O transistor

  • “Válvula” que pode ser usada para controlar o fluxo de corrente num circuito
  • 3 terminais! “Entrada”, “saída” e “controle”
    • Emissor e coletor: Entrada e saída da maior parte da corrente no transistor
    • Base: Controle do fluxo de portadores
  • Inicialmente vamos analisar principalmente o transistor bipolar

Modelo simplificado

Vamos analisar inicialmente o comportamento de um transistor bipolar NPN por meio de um modelo simples. (inverter as polaridades para o caso PNP)

  • A corrente aplicada na base controla a quantidade de corrente entre o coletor e o emissor.
  1. Polaridade: O coletor deve estar mais positivo que os outros terminais
  2. Junções: O transistor possui duas junções PN. Em geral, a corrente
  3. Especificações máximas: Cada transistor possui valores máximos de tensão (\(V_{CE}\)) e corrente (\(I_C,I_B\)) que suporta. É importante consultar os datasheets
  • Se 1-3 são satisfeitos, então \[ I_C = h_{FE} I_B = \beta I_B \]
  • Ganho de corrente \(\beta\approx 30-100\).
  • \(I_E=I_C+I_B = (\beta+1)I_B\)

Experimento 1

  • Usando um transistor NPN \(BC548\), identifique os terminais e verifique que de fato pode-se compreender as correntes entre pares de terminais do transistor como diodos. Este comportamento está associado com as junções PN presentes no transistor. Datasheet no google ou aqui

Transistor man (H&H)

  • Transistor pode ser pensado inicialmente como uma resistência variável, cujo valor de \(R\) é ajustado conforme \(I_B\).
  • No entanto, é mais correto pensar em termos de uma fonte de corrente

Fonte de corrente

  • Até aqui trabalhamos apenas com fontes de tensão. Entretanto, fontes de corrente também são bastante úteis e interessantes. Usando o fato que \(I_C\propto I_B\), podemos usar um transistor bipolar para garantir uma dada corrente no coletor
  • Qual a relação entre \(V_B\) e \(V_E\)?
  • \(V_E\approx V_B-0.6\)
  • Uma vez que o resistor está entre \(V_E\) e o terra, \(V_E=R_E I_E\).
  • Se \(\beta\gg1\), então \[I_C\approx \frac{V_B-0.6}{R_E}\]
  • Podemos ter uma corrente “qualquer” em \(I_C\), dada uma tensão \(V_B\)
  • Como podemos ajustar o valor de \(V_B\) na prática?

Experimento 2

Construa o circuito de uma fonte de corrente conforme a figura. Utilize um potenciômetro de 10 K\(\Omega\) como resistência de carga \(R_L\) variável.

  • Acompanhe a corrente que passa pelo potenciômetro (corrente de carga). Caso isto não seja possível, determine meça a tensão entre os terminais de \(R_E\) e de \(R_L\) para mensurar a corrente entre os terminais dos resistores.
  • O que acontece com a corrente?
  • Existe algum valor de \(R_L\) para o qual a corrente deixa de ser constante? Como é possível explicar este comportamento?
  • Qual é a maior diferença de potencial que esta fonte de corrente pode aplicar a um resistor? A faixa de operação da fonte de corrente é chamada de compliance.
  • Mesmo dentro da faixa de compliance, a corrente fornecida varia quando a carga varia. Por que?

Impedância de entrada e saída

  • Uma das características mais importantes do transistor é que ele pode ser usado para isolar segmentos de circuitos e produzir ganhos de potência.
  • Situação ideal
  • Qual a impedância interna de uma fonte de tensão IDEAL?
  • \(Z_{out}=0\)
  • Supor agora que vamos adicionar à saída de uma fonte de REAL de tensão. Que tipo de impedância de carga \(Z_L\) é a ideal para não perturbar a tensão de saída da fonte?
  • \(Z_{in}=\infty\)
  • O transistor pode ser usado para aproximar nosso circuito destas características “desejáveis”

\(Z\) no seguidor de emissor

  • Ganho de tensão \(G\approx 1\)
  • O que acontece com as tensões e correntes no emissor quando se adiciona alguma carga em \(R_E\)?
  • \(V_B = V_E + 0.6 \rightarrow \Delta V_B = \Delta V_E\)
  • Mas \(\Delta V_E = R \Delta I_E\), ou seja \(\Delta I_E = \frac{\Delta V_B}{R}\)
  • \(\Delta I_E = (\beta+1)\Delta I_B\)… logo \(\Delta V_B = R(\beta+1)\Delta I_B\)
  • A resistência “percebida” pela fonte de tensão em \(V_B\) é maior
  • \(Z_{in} = (\beta+1)Z_{carga}\)
  • Um cálculo similar mostra que um elemento de carga percebe a fonte com uma impedância menor, \[Z_out = \frac{Z_{fonte}}{\beta+1}\]

Experimento 3 - Seguidor de emissor (I): Vamos utilizar uma fonte de tensão regulada para investigar o comportamento de um transistor NPN BC548 na configuração de seguidor de emissor, conforme a figura a seguir. Utilize os seguintes valores: \(R_{in}=270\,\Omega\), \(R_E=3,3\,\Omega\), \(V_{CC}=10\,\text{V}\).

  • Conecte em \(V_{in}\) um sinal senoidal, de amplitude \(1\,\)V e \(f=1\,\)kHz. Certifique-se de que a tensão de offset no gerador de função é nula. Conecte o osciloscópio em \(V_{out}\).
  1. Utilize \(V_{CC}=10\,\text{V}\) . O sinal observado na saída contem apenas a parte positiva do sinal de entrada? É o que você esperava para o transistor?
  2. Por que o sinal na saída possui uma amplitude aproximadamente 0,6 V menor?
  3. Quando a tensão na entrada torna-se negativa, a junção B-E fica polarizada reversamente. Perceba que aparece um sinal negativo para uma amplitude suficientemente negativa. No caso do BC548, esta tensão de breakdown \(V_{BE0}=5,0\,V\).
  4. Utilize agora que \(V_{CC}=5\,\text{V}\). O que acontece com a amplitude do sinal de saída quando a amplitude de \(V_{in}\) é suficientemente grande?