Transistor bipolar

O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor que pode ser usado para comutação ou amplificação.

Se juntarmos dois diodos de sinal individuais consecutivos, isso nos dará duas junções PN conectadas em série que compartilham um terminal P ou N comum . A fusão desses dois diodos produz um dispositivo de três camadas, duas junções e três terminais, formando a base de um transistor de junção bipolar , ou BJT, para abreviar.

Os transistores são três dispositivos ativos terminais feitos de diferentes materiais semicondutores que podem atuar como isolador ou condutor pela aplicação de uma pequena tensão de sinal. A capacidade do transistor de mudar entre esses dois estados permite que ele tenha duas funções básicas: "comutação" (eletrônica digital) ou "amplificação" (eletrônica analógica). Os transistores bipolares têm a capacidade de operar em três regiões diferentes:

1. Região ativa    - o transistor opera como um amplificador e Ic = β * Ib
2. Saturação    - o transistor está "totalmente ligado" operando como um interruptor e Ic = I (saturação)
3. Corte    - o transistor está "totalmente desligado" operando como um interruptor e Ic = 0

  

Um transistor bipolar típico

A palavra do transistor é uma combinação de duas palavras Trans fer Var istor que descreve o seu  modo de caminho de volta operação em seus  primeiros dias de desenvolvimento da eletrônica. Existem dois tipos básicos de construção de transistor bipolar, PNP e NPN , que basicamente descrevem o arranjo físico dos materiais semicondutores do tipo P e do tipo N a partir dos quais são feitos.

A construção básica do transistor bipolar consiste  em duas junções PN que produzem três terminais de conexão, sendo que cada terminal recebe um nome para identificá-lo dos outros dois. Esses três terminais são conhecidos e rotulados como Emissor ( E ), Base ( B ) e Coletor ( C ), respectivamente.

Transistores bipolares são dispositivos de regulação de corrente que controlam a quantidade de corrente que flui através deles dos terminais emissor e coletor, proporcionalmente à quantidade de tensão de polarização aplicada ao terminal base, agindo como um interruptor controlado por corrente. Como uma pequena corrente que flui para o terminal base controla uma corrente de coletor muito maior, formando a base da ação do transistor.

O princípio de operação dos dois tipos de transistor PNP e NPN é exatamente o mesmo, a única diferença é a polarização e a polaridade da fonte de alimentação para cada tipo.

Construção do transistor bipolar

Os símbolos de construção e circuito dos transistores bipolares PNP e NPN são dados acima com a seta no símbolo do circuito sempre mostrando a direção do “fluxo de corrente convencional” entre o terminal base e o terminal emissor. A direção da seta sempre aponta da região positiva do tipo P para a região negativa do tipo N para os dois tipos de transistor, exatamente a mesma do símbolo do diodo padrão.

Configurações do transistor bipolar

Como o transistor bipolar é um dispositivo de três terminais, existem basicamente três maneiras possíveis de conectá-lo dentro de um circuito eletrônico, sendo um terminal comum à entrada e à saída. Cada método de conexão responde diferentemente ao seu sinal de entrada dentro de um circuito, pois as características estáticas do transistor variam com cada arranjo do circuito.

1. Configuração básica comum    - possui ganho de tensão, mas não ganho de corrente.
2. Configuração comum do emissor    - possui ganho de corrente e tensão.
3. Configuração comum do coletor    - possui ganho de corrente, mas não ganho de tensão.

A configuração da base comum (CB)

Como o próprio nome sugere, na configuração Common Base ou Grounded Base, a conexão BASE é comum ao sinal de entrada E ao sinal de saída. O sinal de entrada é aplicado entre a base dos transistores e os terminais do emissor, enquanto o sinal de saída correspondente é obtido entre a base e os terminais do coletor, conforme mostrado. O terminal base está aterrado ou pode ser conectado a algum ponto de tensão de referência fixo.

A corrente de entrada que flui para o emissor é bastante grande, pois é a soma da corrente base e da corrente do coletor, respectivamente; portanto, a saída da corrente do coletor é menor que a entrada da corrente do emissor, resultando em um ganho de corrente para este tipo de circuito de "1" (unidade) ou menos, em outras palavras, a configuração da base comum "atenua" o sinal de entrada.

O circuito base comum do transistor

Esse tipo de configuração do amplificador é um circuito amplificador de tensão não inversora, em que as tensões de sinal Vin e Vout são "em fase". Esse tipo de arranjo de transistor não é muito comum devido às suas características de ganho de tensão excepcionalmente altas. Suas características de entrada representam a de um diodo polarizado para frente, enquanto as características de saída representam a de um foto-diodo iluminado.

Além disso, esse tipo de configuração de transistor bipolar possui uma alta taxa de saída para resistência de entrada ou, mais importante, resistência de "carga" (  RL  ) para resistência de "entrada" (  Rin  ), fornecendo um valor de "Ganho de resistência". Portanto, o ganho de tensão (  Av  ) para uma configuração básica comum é dado como:

Ganho de tensão da base comum

Onde: Ic / Ie é o ganho atual, alfa (  α  ) e RL / Rin é o ganho de resistência.

O circuito base comum é geralmente usado apenas em circuitos de amplificador de estágio único, como pré-amplificadores de microfone ou amplificadores de radiofrequência (  Rƒ  ) devido à sua muito boa resposta de alta frequência.

A configuração do emissor comum (CE)

Na configuração Emissor comum ou emissor aterrado, o sinal de entrada é aplicado entre a base e o emissor, enquanto a saída é obtida entre o coletor e o emissor, conforme mostrado. Esse tipo de configuração é o circuito mais comumente usado para amplificadores baseados em transistor e que representa o método "normal" de conexão de transistor bipolar.

A configuração comum do amplificador emissor produz o maior ganho de corrente e potência de todas as três configurações de transistor bipolar. Isso ocorre principalmente porque a impedância de entrada é BAIXA, pois é conectada a uma junção PN com polarização direta, enquanto a impedância de saída é ALTA, pois é obtida de uma junção PN com polarização reversa.

Circuito Amplificador Emissor Comum

Nesse tipo de configuração, a corrente que sai do transistor deve ser igual às correntes que entram no transistor, pois a corrente do emissor é dada como Ie = Ic + Ib .

À medida que a resistência de carga (  R L  ) está ligado em série com o colector, o ganho de corrente do transistor de configuração de emissor comum é bastante grande, uma vez que é a razão entre Ic / Ib . Um ganho de corrente dos transistores recebe o símbolo grego de Beta , (  β  ).

Como a corrente do emissor para uma configuração comum de emissor é definida como Ie = Ic + Ib , a razão de Ic / Ie é chamada Alpha , dado o símbolo grego de α . Nota: que o valor de Alpha sempre será menor que a unidade.

Como a relação elétrica entre essas três correntes, Ib , Ic e Ie é determinada pela construção física do próprio transistor, qualquer pequena alteração na corrente base (  Ib  ) resultará em uma alteração muito maior na corrente do coletor (  Ic  ) .

Então, pequenas mudanças na corrente que flui na base controlarão a corrente no circuito coletor-emissor. Normalmente, o Beta tem um valor entre 20 e 200 para a maioria dos transistores de uso geral. Portanto, se um transistor tiver um valor Beta de digamos 100, um elétron fluirá do terminal base para cada 100 elétrons que fluem entre o terminal emissor-coletor.

Combinando as expressões para Alpha , α e Beta , β , a relação matemática entre esses parâmetros e, portanto, o ganho atual do transistor pode ser dada como:

Onde: “ Ic ” é a corrente que flui para o terminal coletor, “ Ib ” é a corrente que flui para o terminal base e “ Ie ” é a corrente que flui para fora do terminal emissor.

Então, para resumir um pouco. Esse tipo de configuração de transistor bipolar possui uma impedância de entrada, ganho de corrente e potência maior do que a configuração de base comum, mas seu ganho de tensão é muito menor. A configuração comum do emissor é um circuito amplificador inversor. Isso significa que o sinal de saída resultante possui uma mudança de fase de 180 o em relação ao sinal de tensão de entrada.

A configuração do Common Collector (CC)

Na configuração do coletor comum ou coletor aterrado, o coletor agora é comum por meio do suprimento. O sinal de entrada é conectado diretamente à base, enquanto a saída é obtida da carga do emissor, como mostrado. Esse tipo de configuração é comumente conhecido como circuito seguidor de tensão ou seguidor de emissor .

A configuração comum de coletor ou seguidor de emissor é muito útil para aplicações de correspondência de impedâncias devido à impedância de entrada muito alta, na região de centenas de milhares de Ohms, embora com uma impedância de saída relativamente baixa.

O circuito comum de transistor de coletor

A configuração comum do emissor possui um ganho de corrente aproximadamente igual ao valor β do próprio transistor. Na configuração comum do coletor, a resistência de carga está situada em série com o emissor, de modo que sua corrente é igual à da corrente do emissor.

Como a corrente do emissor é a combinação do coletor E a corrente da base combinadas, a resistência de carga neste tipo de configuração do transistor também possui a corrente do coletor e a corrente de entrada da base que flui através dele. Então o ganho atual do circuito é dado como:

O ganho atual do coletor comum

Esse tipo de configuração de transistor bipolar é um circuito não inversor, em que as tensões de sinal de Vin e Vout são "em fase" . Possui um ganho de tensão sempre menor que "1" (unidade). A resistência de carga do transistor coletor comum recebe as correntes base e coletor, proporcionando um grande ganho de corrente (como na configuração comum do emissor), portanto, proporcionando boa amplificação de corrente com pouquíssimo ganho de tensão.

Agora podemos resumir as várias relações entre as correntes CC individuais dos transistores que fluem através de cada trecho e seus ganhos de corrente DC dados acima na tabela a seguir.

Relação entre correntes DC e ganhos

Resumo do transistor bipolar

Em seguida, para resumir, o comportamento do transistor bipolar em cada uma das configurações de circuito acima é muito diferente e produz características de circuito diferentes em relação à impedância de entrada, impedância de saída e ganho, seja ganho de tensão, ganho de corrente ou ganho de potência, e é resumido na tabela abaixo.

Configurações de transistor bipolar

com as características generalizadas das diferentes configurações de transistor fornecidas na tabela a seguir:

Característica	Base Comum	Emissor comum	Coletor Comum
Impedância de entrada	Baixo	Médio	Alto
Impedância de saída	Muito alto	Alto	Baixo
Mudança de fase	0 o	180 o	0 o
Ganho de tensão	Alto	Médio	Baixo
Ganho atual	Baixo	Médio	Alto
Ganho de poder	Baixo	Muito alto	Médio

No próximo tutorial sobre transistores bipolares , veremos o transistor NPN em mais detalhes quando usado na configuração comum de emissor como um amplificador, pois esta é a configuração mais usada devido à sua flexibilidade e alto ganho. Também traçaremos as curvas das características de saída comumente associadas aos circuitos do amplificador em função da corrente do coletor na corrente de base.