Transistor NPN

Os transistores NPN são dispositivos de três terminais e três camadas que podem funcionar como amplificadores ou comutadores eletrônicos.

A configuração de transistor mais comumente usada é o transistor NPN . Também aprendemos que as junções do transistor bipolar podem ser influenciadas de três maneiras diferentes - Base Comum , Emissor Comum e Coletor Comum .

Neste tutorial sobre transistores bipolares, veremos mais de perto a configuração "Emissor comum" usando o transistor bipolar NPN, com um exemplo da construção de um transistor NPN junto com as características de fluxo de corrente dos transistores.

Uma configuração do transistor bipolar NPN

(Nota: A seta define o emissor e o fluxo de corrente convencional, "out" para um transistor bipolar NPN.)

As tensões de construção e terminais para um transistor NPN bipolar são mostradas acima. A tensão entre a base e o emissor ( V BE ) é positiva na base e negativa no emissor porque, para um transistor NPN, o terminal da base é sempre positivo em relação ao emissor. Além disso, a tensão de alimentação do coletor é positiva em relação ao emissor ( V CE ). Portanto, para um transistor NPN bipolar conduzir o coletor é sempre mais positivo em relação à base e ao emissor.

Conexão do transistor NPN

Em seguida, as fontes de tensão são conectadas a um transistor NPN, como mostrado. O coletor é conectado à tensão de alimentação V CC através do resistor de carga RL , que também atua para limitar a corrente máxima que flui através do dispositivo. A tensão de alimentação da base V B é conectada ao resistor da base R B , que novamente é usado para limitar a corrente máxima da base.

Assim, em um transistor NPN, é o movimento de portadores de corrente negativa (elétrons) através da região Base que constitui a ação do transistor, uma vez que esses elétrons móveis fornecem o link entre os circuitos coletor e emissor. Esse vínculo entre os circuitos de entrada e saída é a principal característica da ação do transistor, porque as propriedades de amplificação dos transistores provêm do conseqüente controle que a Base exerce sobre a corrente do coletor ao emissor.

Então podemos ver que o transistor é um dispositivo operado por corrente (modelo Beta) e que uma grande corrente ( Ic ) flui livremente através do dispositivo entre o coletor e os terminais do emissor quando o transistor é ligado "totalmente". No entanto, isso só acontece quando uma pequena corrente de polarização ( Ib ) está fluindo para o terminal base do transistor ao mesmo tempo, permitindo que a Base atue como uma espécie de entrada de controle de corrente.

A corrente em um transistor NPN bipolar é a razão entre essas duas correntes ( Ic / Ib ), chamada Ganho de Corrente CC do dispositivo e recebe o símbolo de hfe ou atualmente Beta , ( β ).

O valor de β pode ser grande até 200 para transistores padrão, e é essa grande proporção entre Ic e Ib que torna o transistor NPN bipolar um dispositivo de amplificação útil quando usado em sua região ativa, pois Ib fornece a entrada e Ic fornece a saída . Observe que o Beta não possui unidades, pois é uma proporção.

Além disso, o ganho de corrente do transistor do terminal do coletor para o terminal do emissor, Ic / Ie , é chamado de alfa , ( α ) e é uma função do próprio transistor (elétrons se difundindo na junção). Como a corrente do emissor Ie é a soma de uma corrente base muito pequena mais uma corrente do coletor muito grande, o valor de alfa ( α ) está muito próximo da unidade e, para um transistor de sinal de baixa potência típico, esse valor varia de cerca de 0,950 a 0,999

Relação α e β em um transistor NPN

Combinando os dois parâmetros α e β , podemos produzir duas expressões matemáticas que fornecem a relação entre as diferentes correntes que fluem no transistor.

Os valores de Beta variam de cerca de 20 para transistores de potência de alta corrente a mais de 1000 para transistores bipolares de alta frequência e baixa potência. O valor de Beta para a maioria dos transistores NPN padrão pode ser encontrado nas folhas de dados do fabricante, mas geralmente varia entre 50 e 200.

A equação acima para Beta também pode ser reorganizada para tornar Ic como o sujeito, e com uma corrente base zero ( Ib = 0 ), a corrente resultante do coletor Ic também será zero ( β * 0 ). Além disso, quando a corrente base for alta, a corrente do coletor correspondente também será alta, resultando no controle da corrente do coletor pela corrente base. Uma das propriedades mais importantes do transistor de junção bipolar é que uma pequena corrente de base pode controlar uma corrente de coletor muito maior. Considere o seguinte exemplo.

Exemplo de transistor NPN 1

Um transistor NPN bipolar possui um ganho de corrente CC ( Beta ) de 200. Calcule a corrente base Ib necessária para mudar uma carga resistiva de 4mA.

Portanto, β = 200, Ic = 4mA e Ib = 20µA .

Outro ponto a ser lembrado sobre os transistores bipolares NPN . A tensão do coletor ( Vc ) deve ser maior e positiva em relação à tensão do emissor ( Ve ) para permitir que a corrente flua através do transistor entre as junções coletor-emissor. Além disso, existe uma queda de tensão entre a Base e o terminal emissor de cerca de 0,7V (queda de volt de um diodo) para dispositivos de silício, pois as características de entrada de um transistor NPN são de diodo polarizado para a frente.

Então a tensão de base ( Vbe ) de um transistor NPN deve ser maior que 0,7V, caso contrário, o transistor não conduzirá com a corrente base fornecida como.

Onde:    Ib é a corrente de base, Vb é a tensão de polarização da base, Vbe é a queda de tensão do emissor de base (0,7v) e Rb é o resistor de entrada da base. Aumentando Ib , Vbe aumenta lentamente para 0,7V, mas Ic aumenta exponencialmente.

Exemplo de transistor NPN 2

Um transistor NPN possui uma tensão de polarização de base CC, Vb de 10v e um resistor de base de entrada, Rb de 100kΩ. Qual será o valor da corrente base no transistor?

Portanto, Ib = 93µA .

A configuração comum do emissor.

Além de serem usados ​​como um comutador semicondutor para ativar ou desativar as correntes de carga, controlando o sinal Base para o transistor em suas regiões de saturação ou de corte, os transistores bipolares NPN também podem ser usados ​​em sua região ativa para produza um circuito que amplifique qualquer pequeno sinal CA aplicado ao seu terminal Base com o emissor aterrado.

Se uma tensão DC de “polarização” adequada for aplicada primeiro ao terminal Base dos transistores, permitindo que ele sempre opere dentro de sua região ativa linear, é produzido um circuito amplificador inversor chamado amplificador emissor comum de estágio único.

Uma dessas configurações de amplificador de emissor comum de um transistor NPN é chamada de amplificador de classe A. Uma operação de “Amplificador Classe A” é aquela em que o terminal Base dos transistores é polarizado de forma a enviesar a junção emissor-base.

O resultado é que o transistor está sempre operando a meio caminho entre suas regiões de corte e saturação, permitindo assim que o amplificador de transistor reproduza com precisão as metades positiva e negativa de qualquer sinal de entrada CA sobreposto a essa tensão de polarização DC.

Sem essa “tensão de polarização”, apenas metade da forma de onda de entrada seria amplificada. Essa configuração comum de amplificador de emissor usando um transistor NPN tem muitas aplicações, mas é comumente usada em circuitos de áudio como estágios de pré-amplificador e amplificador de potência.

Com referência à configuração comum do emissor mostrada abaixo, uma família de curvas conhecida como Curvas de características de saída relaciona a corrente do coletor de saída (  Ic  ) à tensão do coletor (  Vce  ) quando diferentes valores da corrente base (  Ib  ). As curvas de características de saída são aplicadas ao transistor para transistores com o mesmo valor β .

Uma “linha de carga” CC também pode ser desenhada nas curvas das características de saída para mostrar todos os pontos operacionais possíveis quando diferentes valores de corrente base são aplicados. É necessário definir o valor inicial de Vce corretamente para permitir que a tensão de saída varie para cima e para baixo ao amplificar os sinais de entrada CA. Isso é chamado de configuração do ponto de operação ou ponto de repouso , ponto Q para abreviar e isso é mostrado abaixo.

Circuito de amplificador de emissor comum de estágio único

Curvas de características de saída de um transistor bipolar típico

O fator mais importante a ser observado é o efeito do Vce na corrente do coletor Ic quando o Vce é maior que cerca de 1,0 volts. Podemos ver que Ic não é afetado pelas mudanças no Vce acima desse valor e, em vez disso, é quase inteiramente controlado pela corrente base, Ib . Quando isso acontece, podemos dizer que o circuito de saída representa o de uma "fonte de corrente constante".

Também pode ser visto no circuito comum do emissor acima que a corrente do emissor Ie é a soma da corrente do coletor, Ic , e a corrente base, Ib , somadas para que também possamos dizer que Ie = Ic + Ib para o emissor comum ( Configuração).

Ao utilizar as curvas características de saída no nosso exemplo acima e também Ohm's Lei, a corrente que flui através da resistência de carga, (  R L  ), é igual à corrente de colector, Ic inserindo o transistor que por sua vez corresponde à tensão de alimentação, (  Vcc  ) menos a queda de tensão entre o coletor e os terminais do emissor (  Vce  ) e é dado como:

Além disso, uma linha reta representando a linha de carga dinâmica do transistor pode ser desenhada diretamente no gráfico de curvas acima do ponto de “Saturação” ( A ) quando Vce = 0 até o ponto de “Corte” ( B ) quando Ic = 0 , fornecendo o ponto “operacional” ou Q do transistor. Esses dois pontos são unidos por uma linha reta e qualquer posição ao longo dessa linha reta representa a "região ativa" do transistor. A posição real da linha de carga nas curvas de características pode ser calculada da seguinte forma:

Em seguida, as curvas das características do coletor ou da saída dos transistores NPN do emissor comum podem ser usadas para prever a corrente do coletor, Ic , quando determinado Vce e a corrente base, Ib . Também é possível construir uma linha de carga nas curvas para determinar um ponto operacional ou ponto Q adequado, que pode ser definido pelo ajuste da corrente base. A inclinação desta linha de carga é igual ao recíproco da resistência de carga, que é dada como: -1 / R L

Então, podemos definir um transistor NPN como normalmente "OFF", mas uma pequena corrente de entrada e uma pequena tensão positiva em sua Base (  B  ) em relação ao seu Emissor (  E  ) o ativará, permitindo uma corrente muito grande de coletor-emissor Fluir. Os transistores NPN conduzem quando Vc é muito maior que Ve .

No próximo tutorial sobre transistores bipolares , examinaremos a forma oposta ou complementar do transistor NPN chamado transistor PNP e mostraremos que o transistor PNP tem características muito semelhantes ao transistor bipolar NPN, exceto pelas polaridades (ou polarização) as direções de corrente e tensão são invertidas.