52-Configuraçao Do Transistor e Curva Caracteristica

7/23/2019 52-Configuraçao Do Transistor e Curva Caracteristica

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Sumário

Introdução 5

Confgurações do transistor 6

Curvas características 7

Parâmetros das curvas características 8

Curvas características na confguração emissor comum 9Curvas características de saída 10ti!i"ação das curvas características de saída 1#

Curva de dissi$ação m%&ima 17

'imitação da dissi$ação de $ot(ncia so)re a reta de carga 19

*$(ndice #1

+uestion%rio #1

,i)!iografa ##



Espaço SENAI

Missão do Sistema SENAI

Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento pleno e sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho e a

cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação de informação e a adeuação, geração e difusão de tecnologia!



Série de Eletrônica

Introdução" comportamento de componentes eletr#nicos fabricados com materiais

semicondutores é geralmente e$presso por curvas características, ue sãofornecidas pelo fabricante! %ssas curvas características permitem obter a tensãoentre terminais, dada a corrente através do componente ou vice&versa! %sse é ocaso, por e$emplo, da curva característica VI de um diodo semicondutor, ue é

um componente de dois terminais!

'endo o transistor um componente de três terminais, e estando a eleassociadas três correntes e tens(es, a situação se torna um pouco mais comple$a

pois o número de curvas características aumenta, havendo portanto para cada par de terminais uma relação entre tensão e corrente ue depende dos par)metroselétricos impostos ao terceiro terminal!

" ob*etivo deste fascículo é apresentar ao leitor as curvas características

do transistor e mostrar como essas curvas devem ser utili+adas para obtençãodas condiç(es de operação de circuitos transistori+ados!

Para a boa compreensão do conteúdo e desenvolvimento das

atividades contidas neste fascículo, o leitor deverá estar

familiarizado com os conceitos relativos a:

• ransistor bipolar- princípio de operação!

• ransistor bipolar- relação entre par)metros de circuito!

5



Transistor bipolar: ponto de operação

Confgurações dotransistor

%$istem três possibilidades de configurar um transistor em um circuito! "

nome dado a cada configuração é definido com base no terminal do transistor ue é comum .s duas malhas do circuito! /essa forma, três configuraç(es são

possíveis-

• Configração emissor comm: o terminal do emissor é comum .s duasmalhas do circuito, como mostrado na !ig"#a!

• Configração base comm: o terminal da base do transistor é comum .sduas malhas do circuito, como ilustrado na !ig"#b!

• Configração coletor comm: o terminal do coletor é comum .s duasmalhas do circuito, como na !ig"#c!

!ig"# Configuraç(es de um transistor em um circuito!

$




Curvas características

" comportamento de um componente eletr#nico pode ser obtidoaplicando&se uma tensão entre seus terminais, e medindo&se a corrente atravésdo componente! /essa forma geram&se pares de valores de corrente e de tensão

ue podem ser representados graficamente através da curva característica dodispositivo!

0o diodo semicondutor, por e$emplo, a corrente depende do valor e da polaridade da tensão aplicada aos seus terminais, conforme mostrado na !ig"%

&#''

&5'

'

5'

#''

#5'

&# &'"( &'"$ &'") &'"% ' '"% '") '"$ '"( #

d*+,

I d*mA,

I d*

A,

!ig"% Curva característica de um diodo semicondutor!

-




" comportamento do transistor também é e$presso através de curvascaracterísticas! %stas são obtidas através de medidas elétricas sob condiç(escontroladas de tensão e de corrente!

" emprego das curvas características do transistor é de grandeimport)ncia no pro*eto de circuitos, pois permite obter o comportamento docomponente em uma ampla fai$a de condiç(es de operação!

PARÂMETRS !AS C"R#ASCARACTER$STICAS

0os componentes semicondutores com apenas dois terminais, a tensãoentre terminais e a corrente através do componente são utili+ados na

representação gráfica da curva característica!

Como o transistor é um componente de três terminais, cada par determinais está associado a uma corrente e uma tensão! /essa forma, podem&seem princípio utili+ar os seis par)metros definidos a seguir para representar as

propriedades do transistor-

• I 1 2 corrente de base!• I C 2 corrente de coletor!

• I % 2 corrente de emissor!• V C1 2 tensão coletor&base!• V C% 2 tensão coletor&emissor!• V 1% 2 tensão base&emissor!

"s seis par)metros representativos do transistor estão mostrados na !ig".!3lguns desses par)metros *untamente com outros não elétricos, tais comotemperatura, podem ser utili+ados em uma série de curvas características ue

e$pressam o comportamento do transistor nas mais diversas condiç(es deoperação!

(




!ig". Par)metros elétricos representativos do transistor!

C"R#AS CARACTER$STICAS %AC%&I'"RA() EMISSR CM"M

" tipo de ligação mais utili+ado em circuitos transistori+ados é aconfiguração emissor comum, mostrada na !ig")! 3s curvas características dostransistores, fornecidas pelos fabricantes, geralmente se referem a esse tipo deconfiguração!

!ig") Configuração emissor comum!

3nalisando a !ig"), verifica&se ue, na configuração emissor comum,apenas uatro par)metros são suficientes para descrever o comportamento dotransistor! 4ma escolha possível corresponde aos par)metros, V 1%, I 1, V C% e I C!4ma ve+ conhecidos esses uatro par)metros os dois restantes podem ser obtidos utili+ando as leis de 5irchhoff!

Com essa escolha, os par)metros /E e I / são denominados de

par0metros de entrada com CE e I C representando os par0metros de sa1da!

Portanto, para representar graficamente o comportamento do transistor naconfiguração emissor comum são necessários dois con*untos de curvascaracterísticas-

• 4ma curva ue e$pressa a relação entre os par)metros de entrada,denominada de cr2a caracter1stica de entrada!

• 4m con*unto de curvas ue e$pressam as relaç(es entre os par)metros desaída, denominadas de cr2as caracter1sticas de sa1da!

3




C"R#AS CARACTER$STICAS !E SA$!A

3 influência da corrente de base na corrente de emissor torna maior aimport)ncia das curvas características de saída na representação das

propriedades elétricas do transistor! %ssas curvas características são tambémdenominadas de cr2as caracter1sticas do coletor!

'abendo ue para cada valor do par)metro V C% a corrente I C é dependentedo valor da corrente I 1, cada curva característica de saída é construída de formaa representar graficamente a relação entre I C e V C% para um determinado valor de I 1! 3 !ig"5 mostra as curvas características de saída típicas de um transistor npn!

Característica de saída

I C 2 f 6V C%7 , I 1 2 par)metro

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CE*+,

I C*mA,

I /*mA,4'"#

'"%

'".

'")'"5

'"$'"-'"(

/C5)-

!ig"5 Curvas características de saída de um transistor npn!

Cada curva representada na !ig"5 mostra a dependência da corrente decoletor I C com a tensão coletor&emissor V C%, para um determinado valor fi$o da

#'




corrente de base! %m folhetos de especificaç(es técnicas, o topo do gráficoindica ue I C é uma função de V C% para cada valor fi$o de I 1, através darepresentação-

I C2 f 6V C%7 , I 1 2 par)metro

/eve&se observar ue, de acordocom a convenção adotada pararepresentação das correntes e tens(es emum transistor, nos transistores pnp os

par)metros I 1, I C e V C% são negativos poisem condiç(es normais de operação, ocoletor é polari+ado negativamente em

relação ao emissor e as correntes decoletor e de base fluem dos terminais dotransistor para as malhas do circuito,conforme mostrado na !ig"$!

/essa forma, as curvascaracterísticas de saída paratransistores pnp são representaç(esgráficas de 6− I C7 × 6−V C%7 para cadavalor de 6− I 17, como mostrado na!ig"-!

"utro aspecto de import)nciano ue se refere .s curvascaracterísticas fornecidas pelosfabricantes é ue essas curvasrepresentam o comportamento

médio de um grande número detransistores de mesma especificação!8sso significa ue, na prática, as

propriedades elétricas docomponente podem apresentar

peuenos desvios em relação aocomportamento previsto pelascurvas características!

##

− I 1

− I C

− V C %

!ig"$ Polari+aç(es e sentidos reaisdas correntes em umtransistor pnp!

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5'

CE*+,

I C*mA,

I /*mA,4'"#

'"%

'".

'")'"5

'"$'"-'"(

Transistor pnp

!ig"- Curvas características de saída deum transistor pnp.




As curvas características fornecidas pelo fabricante

representam o comportamento m!dio de um "rupo de componentes

de mesma especifica#ão$

"TI*I+A() !AS C"R#AS CARACTER$STICAS !ESA$!A

Com o uso das curvas características é possível determinar as condiç(esde operação de um transistor em um circuito! 8sso é feito utili+ando&se oconceito de reta de carga, e$aminado a seguir!

Reta de cargaPara o caso de um transistor npn conectado ao circuito mostrado na !ig"(,

aplicando&se a 9 a! :ei de 5irchhoff . malha de coletor tem&se ue

( ); CCC%CC I RV V +=

ou alternativamente

( )9 CCCCC% I RV V −=

Para valores fi$os dos par)metros V CC e RC, a E"*%, representa umarelação linear entre a tensão coletor&emissor V C% e a corrente de coletor I C!

!ig"( Circuito com transistor npn na configuração emissor comum!

#%




3 relação entre V C% e I C e$pressa pela E"*%, é representada graficamente por um segmento de reta em um diagrama I C×V C%! %sse segmento de reta,denominado de reta de carga, pode ser traçado conhecendo&se apenas dois deseus pontos! %stes são obtidos diretamente da E"*%,, observando&se ue-

• Interseção com o ei6o 7ori8ontal ⇒ I C 2 < ⇒ V C% 2 V CC !

• Interseção com o ei6o 2ertical ⇒ V C% 2 < ⇒ I V

RC

CC

C

!=

3 !ig"3 mostra a representação gráfica da reta de carga prevista pela E"

*%,, e ue corresponde . linha traçada entre os pontos de interseção com os doisei$os do gráfico!

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CC

I C

CC

% C

CE

reta de car"a

'

onto de satura#ão

onto de

corte

!ig"3 =eta de carga representada no diagrama I C × V C%!

Para o circuito da !ig"(, duas condiç(es de operação definem os pontos deinterseção da reta de carga com os ei$os na !ig"3-

• Condição de corte!• Condição de satração!

Condição de corte

3 condição de corte ocorre uando a corrente de base no transistor é nula!3 partir da relação entre correntes *á derivada anteriormente,

( ) ( )> ; C1"1C I I I +β+β=

#.




/espre+ando&se a corrente de fuga no coletor, a condição I 12< fornece I C2< ue define o ponto de corte mostrado na !ig"3!

Condição de satração

3 condição de saturação ocorre uando a corrente de base ésuficientemente alta de forma a anular a tensão coletor&emissor! /essa forma,

impondo V C% 2 < na E"*%, resulta I V

RC

CC

C

,= ue corresponde ao ponto de

satração mostrado na !ig"3! %ssa situação euivale . e$istência de um curtoentre os terminais do coletor e do emissor no circuito da !ig"(, de forma uetoda a tensão da fonte de alimentação se transfere diretamente para o resistor decoletor!

Ponto de o,eração

4ma ve+ traçada a reta de carga pode&se determinar graficamente osvalores de V C% e de I C, para um dado valor da corrente de base I 1 naconfiguração emissor comum!

" procedimento gráfico pode ser descrito com base no circuito mostradona !ig"#'a, onde admite&se ue a corrente de base este*a estabelecida em um

valor I 1 2 I 1?! 3 !ig"#'b mostra as curvas características de saída ue incluemauela referente ao valor I 1 2 I 1?!

6a7 6b7

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CE

I C

I /4I /9

'

!ig"#' Circuito e curvas características de saída de um circuito transistori+ado

na configuração emissor comum!

#)




Como se pode verificar na !ig"#'b, ualuer ponto sobre a curvacaracterística pode ser utili+ado para representar os valores da corrente decoletor e da tensão coletor&emissor no circuito da !ig"#'a! 3 uestão portanto ase considerar é a seguinte-

Con7ecidos os 2alores de CC e %C no circito da !ig"#'a ais são os

2alores resltantes da corrente de coletor e da tensão coletor&emissor;

3 resposta a essa uestão só pode ser obtida se for utili+ada mais umainformação! %sta informação adicional é fornecida pela reta de carga do circuito,incorporada ao gráfico das características de saída, conforme ilustrado na!ig"##!

"u se*a, da mesma forma ue os valores de corrente e tensão para ocircuito definem algum ponto na curva característica, a solução deve tambémestar em algum ponto da reta de carga! 'ó e$iste portanto um ponto ue podee$istir simultaneamente na reta de carga e na curva característica correspondentea uma corrente de base I 1?! %sse ponto, mostrado na !ig"## é o ponto de

operação o ponto iescente &!

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CE

I C

I /9

' CE9

I C9

&

CC

% C

CC

!ig"## /eterminação gráfica do ponto uiescente de um circuito transistori+ado!

/eterminado o ponto uiescente do circuito, obtêm&se diretamente dográfico os valores uiescentes da corrente de coletor e da tensão coletor&emissor,

#5




representados pelos par)metros I C? e V C%?, respectivamente! 3 ueda de tensãosobre o resistor de coletor no ponto uiescente fica assim determinada pelae$pressão

( )@ C%?CC=c? V V V −=

" e$emplo seguinte ilustra o cálculo numérico do ponto uiescente de umcircuito transistori+ado!

E6emplo#: " circuito mostrado na !ig"#% utili+a um transistor 1C;@A! Parauma corrente de base de ;<<µ3 determinar os par)metros I C, V C% e V =c!

3s curvas características do transistor 1C;@A estão representadas nográfico da !ig"#%*b,, *untamente com a reta de carga do circuito! 3 interseçãoda reta de carga com a curva correspondente a uma corrente de base de ;<< µ3ocorre no ponto uiescente Q! Como pode ser aí observado, os valores decorrente e tensão são,

I V C? C%?m3 B= =99 > @, ,

3 tensão no resistor de coletor é obtida da E"*),, resultando em

BA9@>A=c? , ,V =−=

6a7 6b7

'

%'

)'

$'

' 5 #' CE*+,

I C*mA,

#''

#5'

5'

%5

/C#)$

I /*

A,4%''

.:) +

&%% mA

!ig"#% 6a, Circuito transistori+ado referente ao E6emplo #! *b, Curvascaracterísticas do transistor 1C;@A e reta de carga do circuito!

#$




C"R#A !E !ISSIPA() M-.IMA

4tili+ando o valor da potência de dissipação má$ima do transistor, pode&se definir, no diagrama das curvas características de saída, as fai$as de valores

de corrente de coletor e de tensão coletor&emissor ue assegurem a operação dotransistor dentro de seus limites de dissipação de potência!

Como *á discutido no fascículo anterior, a potência de dissipação má$imado transistor é dada apro$imadamente pela e$pressão

( ) CC%má$C, I V P =

3 relação dada pela E"*5, pode também ser escrita na forma

( )A 2C%

má$C,

CV

P I

3 E"*$, estabelece a dependência da corrente de coletor com a tensãocoletor&emissor para um dado valor da potência de dissipação má$ima! /essaforma, conhecido o valor de P C,má$, fornecido pelo fabricante, e atribuindo&sevalores ao par)metro V C%, os valores correspondentes de I C podem ser calculadosda E"*$,!

Por e$emplo, considerando o caso do transistor 1C@D com aespecificação P C,má$ 2 <<mE a 9FC, tem&se

( )D E<

2C%

CV

, I

4tili+ando o con*unto de valores de V C% listados na 9a! coluna da Tabela #,obtêm&se os valores de I C da >a! coluna dauela tabela!

Tabela # 3lguns valores de V C% e I C correspondentes . dissipação má$ima de<< mE no transistor 1C@D!<onto CE I C

; B <,;3 2 ;<< m39 ;< B <,< 3 2 < m3> 9< B <,<9 3 2 9 m3@ @< B <,<;9 3 2 ;9, m3

#-




=epresentando&se os uatro pontos no diagrama I C × V C%, obtém&seo gráfico mostrado na !ig"#.! 3 curvaue passa pelos uatro pontos é a

representação gráfica da relação entreos par)metros I C e V C%, definida pelaE"*-,!

3 curva de dissipação má$imado transistor define o limite entre duasregi(es, indicadas na !ig"#)! 3 regiãolocali+ada acima da curva dedissipação má$ima representa a região

de dissipação e6cessi2a do transistor, pois os valores de V C% e I C nauelaregião fornecem uma potência dedissipação superior . potência dedissipação má$ima do componente!

3 região abai$o da curvarepresenta a região de

fncionamento normal docomponente, pois valores de V C%

e I C no interior dessa regiãocorrespondem a uma potência dedissipação inferior . potência dedissipação má$ima do transistor!

Para operação docomponente a temperaturas

diferentes de 9 °C, deve&seutili+ar a potência de dissipaçãomá$ima na temperatura detrabalho para então calcular acurva de dissipação má$ima a

partir da E"*$,!

#(

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5'

CE*+,

I C*mA,

#

%

.

)

!ig"#. =epresentação gráfica da E"

*-, para o transistor 1C@D!

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CE*+,

I C*mA,

re"ião de dissipa#ão

e(cessiva

re"ião de

uncionamento

normal

curva de dissipa#ãomá(ima

/C5)-

!ig"#) =egi(es definindo o regime de

operação do transistor 1C@D!




*IMITA() !A !ISSIPA() !E PT/%CIAS0RE A RETA !E CAR'A

3 reta de carga e$pressa todas as possibilidades de funcionamento de umtransistor para um determinado valor do resistor de coletor e da tensão dealimentação! Como a curva de dissipação má$ima estabelece o limite da regiãode funcionamento normal do transistor, fa+&se necessário ue a reta de cargaeste*a sempre situada abai$o dauela curva!

3 !ig"#5a representa o trecho de um circuito alimentando um transistor npn 1C@D na configuração emissor comum! 0a !ig"#5b está traçada a curva dedissipação má$ima de << mE referente a uma temperatura de 9FC! 0o mesmo

gráfico estão representadas as retas de carga obtidas atribuindo&se para V CC osvalores de @< B e >< B, respectivamente, com RC fi$ado em << Ω em ambos oscasos!

6a7 6b7

'

%'

)'

$'

('

#''

' #' %' .' )' 5' CE*+,

C*mA, /C5)-

)

curva de dissipa#ão

má(ima P #

P %

!ig"#5 *a,ransistor na configuração emissor comum! *b,Curva de dissipaçãomá$ima e retas de carga- A6V CC2@< B, RC2<< Ω7, B 6V CC2>< B, RC2<<Ω7!

"bserva&se na !ig"#5b ue a reta de carga B está situada totalmenteabai$o da curva de dissipação má$ima do transistor! /essa forma, ualuer

#3




valor de corrente de base pode ser utili+ado no circuito da !ig"#5a sem ue a potência de dissipação má$ima do componente se*a superada!

Por outro lado, e$aminando&se a reta de carga A da !ig"#5b, observa&se

ue sobre o trecho entre os pontos P ; e P 9 a potência dissipada supera o valor má$imo definido pela curva de dissipação má$ima do componente! /essaforma, os par)metros de circuito referentes . curva A não possibilitariam aoperação segura do componente para um valor arbitrário da corrente de base!

Para evitar a possibilidade de dissipa#ão e(cessiva de um

transistor, os par*metros de circuito devem ser escol+idos de forma

ue a reta de car"a correspondente este-a situada totalmente abai(o

da curva de dissipa#ão má(ima do componente$

%'




A,1ndice

2"ESTI%-RI

;! Cite as configuraç(es de um transistor em um circuito, caracteri+ando&as!

9! Para um transistor na configuração emissor comum, uais são os par)metrosde entrada e saídaG

>! Para um transistor na configuração emissor comum, como são representadasas curvas características de saídaG

@! " ue é a reta de carga de um circuito transistori+ado na configuraçãoemissor comumG

! ?ual a denominação dos pontos de interseção da reta de carga com os ei$osvertical e hori+ontal do diagrama I C × V C%G

A! Para as condiç(es estabelecidas no E6emplo #, utili+e o gráfico da !ig"#%b

para determinar-

6a7 I C no ponto de saturação!

6b7 V C% no ponto de corte!

D! Para operação segura de um transistor, ual deve ser a disposição da reta decarga com respeito . curva de dissipação má$ima do transistorG

%#




0I0*I'RA&IA

C8P%::8, 3nt#nio Harco Bicari I '30/=808, Ealdir João! eoria edesenvolvimento de pro*etor de circuitos eletr#nicos! Ded! 'ão Paulo, %rica,

;KL>! L<p!

%:%=M08C3 H"/4:3= P30%C! " transistorN princípios básicos! s!n!t!6curso básico, @7!

'%038O/0! ransistores, por 3nt#nio 3bel Correia Bilela! =io de JaneiroN/ivisão de =ecursos umanos, ;KDD! L;p! 6Publicaç(es écnicas, D7!

H8::H30, Jacob e 3:583', Christos C!, 8ntegrated electronics- analog and

digital circuits and sQstems, 'ão Paulo, HcRraS&ill, ;KD9!

%%

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