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Configurações do transistor

         Existem três possibilidades de configurar um transistor em um circuito. O nome dado a cada configuração é definido com base no terminal do transistor que é comum às duas malhas do circuito. Dessa forma, três configurações são possíveis:

   Configuração emissor comum: o terminal do emissor é comum às duas malhas do circuito, como mostrado na Fig.1a.

   Configuração base comum: o terminal da base do transistor é comum às duas malhas do circuito, como ilustrado na Fig.1b.

   Configuração coletor comum: o terminal do coletor é comum às duas malhas do circuito, como na Fig.1c.

 Curvas características

         O comportamento de um componente eletrônico pode ser obtido aplicando-se uma tensão entre seus terminais, e medindo-se a corrente através do componente. Dessa forma geram-se pares de valores de corrente e de tensão que podem ser representados graficamente através da curva característica do dispositivo.

         No diodo semicondutor, por exemplo, a corrente depende do valor e da polaridade da tensão aplicada aos seus terminais, conforme mostrado na Fig.2 

O comportamento do transistor também é expresso através de curvas características. Estas são obtidas através de medidas elétricas sob condições controladas de tensão e de corrente.

O emprego das curvas características do transistor é de grande importância no projeto de circuitos, pois permite obter o comportamento do componente em uma ampla faixa de condições de operação.

PARÂMETROS DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS

Nos componentes semicondutores com apenas dois terminais, a tensão entre terminais e a corrente através do componente são utilizados na representação gráfica da curva característica.

Como o transistor é um componente de três terminais, cada par de terminais está associado a uma corrente e uma tensão. Dessa forma, podem-se em princípio utilizar os seis parâmetros definidos a seguir para representar as propriedades do transistor:

·        IB      =   corrente de base.

·        IC      =   corrente de coletor.

·        IE      =   corrente de emissor.

·        VCB   =   tensão coletor-base.

·        VCE   =   tensão coletor-emissor.

·        VBE   =   tensão base-emissor.

Os seis parâmetros representativos do transistor estão mostrados na Fig.3. Alguns desses parâmetros juntamente com outros não elétricos, tais como  temperatura, podem ser utilizados em uma série de curvas características que expressam o comportamento do transistor nas mais diversas condições de operação.

 

CURVAS CARACTERÍSTICAS NA CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM

O tipo de ligação mais utilizado em circuitos transistorizados é a configuração emissor comum, mostrada na Fig.4. As curvas características dos transistores, fornecidas pelos fabricantes, geralmente se referem a esse tipo de configuração.

Analisando a Fig.4, verifica-se que, na configuração emissor comum, apenas quatro parâmetros são suficientes para descrever o comportamento do transistor. Uma escolha possível corresponde aos parâmetros, VBE, IB, VCE e I_C.  Uma vez conhecidos esses quatro parâmetros os dois restantes podem ser obtidos utilizando as leis de Kirchhoff.

Com essa escolha, os parâmetros VBE e IB são denominados de parâmetros de entrada com VCE e IC representando os parâmetros de saída.

Portanto, para representar graficamente o comportamento do transistor na configuração emissor comum são necessários dois conjuntos de curvas características:

·        Uma curva que expressa a relação entre os parâmetros de entrada, denominada de curva característica de entrada.

·        Um conjunto de curvas que expressam as relações entre os parâmetros de saída, denominadas de curvas características de saída.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA

A influência da corrente de base na corrente de emissor torna maior a importância das curvas características de saída na representação das propriedades elétricas do transistor. Essas curvas características são também denominadas de curvas características do coletor.

Sabendo que para cada valor do parâmetro V_CE a corrente I_C é dependente do valor da corrente I_B, cada curva característica de saída é construída de forma a representar graficamente a relação entre I_C e V_CE para um determinado valor de I_B. A Fig.5 mostra as curvas  características de saída típicas de um transistor npn.

Cada curva representada na Fig.5 mostra a dependência da corrente de coletor IC com a tensão coletor-emissor V_CE, para um determinado valor fixo da corrente de base. Em folhetos de especificações técnicas, o topo do gráfico indica que  I_C é uma função de V_CE para cada valor fixo de  I_B, através da representação:

IC=f(VCE) , IB = parâmetro

Deve-se observar que, de acordo com a convenção adotada para representação das correntes e tensões em um transistor, nos transistores pnp os parâmetros I_B, I_C e V_CE são negativos pois em condições normais de operação, o coletor é polarizado negativamente em relação ao emissor e as correntes de coletor e de base fluem dos terminais do transistor para as malhas do circuito, conforme mostrado na Fig.6.

Dessa forma, as curvas características de saída para transistores pnp são representações gráficas de (-I_C) ´ (-V_CE) para cada valor de (-I_B), como mostrado na Fig.7.

Outro aspecto de importância no que se refere às curvas características fornecidas pelos fabricantes é que essas curvas representam o comportamento médio de um grande número de transistores de mesma especificação. Isso significa que, na prática, as propriedades elétricas do componente podem  apresentar pequenos desvios em relação ao comportamento previsto pelas curvas características.

 As curvas características fornecidas pelo fabricante representam o comportamento médio de um grupo de componentes de mesma especificação.

UTILIZAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA

Com o uso das curvas características é possível determinar as condições de operação de um transistor em um circuito.  Isso é feito utilizando-se o conceito de reta de carga, examinado a seguir.

 

Reta de carga

Para o caso de um transistor npn conectado ao circuito mostrado na Fig.8, aplicando-se a 2 ^a. Lei de Kirchhoff à malha de coletor tem-se que

ou alternativamente

Para valores fixos dos parâmetros V_CC e R_C, a Eq.(2) representa uma relação linear entre a tensão coletor-emissor V_CE e a corrente de coletor I_C.

Fig.8 Circuito com transistor npn na configuração emissor comum.

A relação entre V_CE e I_C expressa pela Eq.(2) é representada graficamente por um segmento de reta em um diagrama I_C´V_CE. Esse segmento de reta, denominado de reta de carga, pode ser traçado conhecendo-se apenas dois de seus pontos. Estes são obtidos diretamente da Eq.(2), observando-se que:

·        Interseção com o eixo horizontal Þ I_C = 0 Þ V_CE = V_CC .

·        Interseção com o eixo vertical Þ  V_CE = 0 Þ

         A Fig.9 mostra a representação gráfica da reta de carga prevista pela Eq.(2), e que corresponde à linha traçada entre os pontos de interseção com os dois eixos do gráfico.

Fig.9 Reta de carga representada no diagrama I_C ´ V_CE.

         Para o circuito da Fig.8, duas condições de operação definem os pontos de interseção da reta de carga com os eixos na Fig.9:

·        Condição de corte.

·        Condição de saturação.

Condição de corte

A condição de corte ocorre quando a corrente de base no transistor é nula.  A partir da relação entre correntes já derivada anteriormente,

Desprezando-se a corrente de fuga no coletor, a condição I_B=0 fornece I_C=0 que define o ponto de corte mostrado na Fig.9.

Condição de saturação

A condição de saturação ocorre quando a corrente de base é suficientemente alta de forma a anular a tensão coletor-emissor. Dessa forma, impondo V_CE = 0 na Eq.(2) resulta  que corresponde ao ponto de saturação mostrado na Fig.9.  Essa situação equivale à existência de um curto entre os terminais do coletor e do emissor no circuito da Fig.8, de forma que toda a tensão da fonte de alimentação se transfere diretamente para o resistor de coletor.

 

 

Ponto de operação

Uma vez traçada a reta de carga pode-se determinar graficamente os valores de VCE e de I_C, para um dado valor da corrente de base I_B na configuração emissor comum.

O procedimento gráfico pode ser descrito com base no circuito mostrado na Fig.10a, onde admite-se que a corrente de base esteja estabelecida em um valor I_B = I_BQ. A Fig.10b mostra as curvas características de saída que incluem aquela referente ao valor I_B = I_BQ.

(a)

(b)

Fig.10 Circuito e curvas características de saída de um circuito transistorizado na configuração emissor comum.

         Como se pode verificar na Fig.10b, qualquer ponto sobre a curva característica pode ser utilizado para representar os valores da corrente de coletor e da tensão coletor-emissor no circuito da Fig.10a. A questão portanto a se considerar é a seguinte:

Conhecidos os valores de V_CC e R_C no circuito da Fig.10a, quais são os valores resultantes da corrente de coletor e da tensão coletor-emissor?

A resposta a essa questão só pode ser obtida se for utilizada mais uma informação. Esta informação adicional é fornecida pela reta de carga do circuito, incorporada ao gráfico das características de saída, conforme ilustrado na Fig.11.

Ou seja, da mesma forma que os valores de corrente e tensão para o circuito definem algum ponto na curva característica, a solução deve também estar em algum ponto da reta de carga. Só existe portanto um ponto que pode existir simultaneamente na reta de carga e na curva característica correspondente a uma corrente de base I_BQ. Esse ponto, mostrado na Fig.11, é o ponto de operação ou ponto quiescente Q.

Fig.11 Determinação gráfica do ponto quiescente de um circuito transistorizado.

Determinado o ponto quiescente do circuito, obtêm-se diretamente do gráfico os valores quiescentes da corrente de coletor e da tensão coletor-emissor, representados pelos parâmetros I_CQ e V_CEQ, respectivamente.  A queda de tensão sobre o resistor de coletor no ponto quiescente fica assim determinada pela expressão

O exemplo seguinte ilustra o cálculo numérico do ponto quiescente de um circuito transistorizado.

Exemplo1: O circuito mostrado na Fig.12 utiliza um transistor BC146. Para uma corrente de base de 100mA determinar os parâmetros I_C, V_CE e V_Rc.

         As curvas características do transistor BC146 estão representadas no gráfico da Fig.12(b), juntamente com a reta de carga do circuito.  A interseção da reta de carga com a curva correspondente a uma corrente de base de 100 mA ocorre no ponto quiescente Q. Como pode ser aí observado, os valores de corrente e tensão são,

         A tensão no resistor de coletor é obtida da Eq.(4), resultando em

(a)

(b)

Fig.12 (a) Circuito transistorizado referente ao Exemplo 1. (b) Curvas características do transistor BC146 e reta de carga do circuito.

CURVA DE DISSIPAÇÃO MÁXIMA

Utilizando o valor da potência de dissipação máxima do transistor, pode-se definir, no diagrama das curvas características de saída, as faixas de valores de corrente de coletor e de tensão coletor-emissor que assegurem a operação do transistor dentro de seus limites de dissipação de potência.

Como já discutido no fascículo anterior, a potência de dissipação máxima do transistor é dada aproximadamente pela expressão

         A relação dada pela Eq.(5) pode também ser escrita na forma

A Eq.(6) estabelece a dependência da corrente de coletor com a tensão coletor-emissor para um dado valor da potência de dissipação máxima. Dessa forma, conhecido o valor de P_C,máx, fornecido pelo fabricante, e atribuindo-se valores ao parâmetro V_CE, os valores correspondentes de I_C podem ser calculados da Eq.(6).

Por exemplo, considerando o caso do transistor BC547 com a especificação P_C,máx = 500mW a 25ºC, tem-se

Utilizando o conjunto de valores de V_CE listados na 2^a. coluna da Tabela 1, obtêm-se os valores de I_C da 3^a. coluna daquela tabela.

Tabela 1 Alguns valores de V_CE e I_C correspondentes à dissipação máxima de 500 mW no transistor BC547.

Ponto	VCE	IC
1	5 V	0,1A = 100 mA
2	10 V	0,05 A = 50 mA
3	20 V	0,025 A = 25 mA
4	40 V	0,0125 A = 12,5 mA

Representando-se os quatro pontos no diagrama I_C ´ V_CE, obtém-se o gráfico mostrado na Fig.13. A curva que passa pelos quatro pontos é a representação gráfica da relação entre os parâmetros I_C e V_CE, definida pela Eq.(7).  

A curva de dissipação máxima do transistor define o limite entre duas regiões, indicadas na Fig.14. A região localizada acima da curva de dissipação máxima representa a região de dissipação excessiva do transistor, pois os valores de V_CE e I_C naquela região fornecem uma potência de dissipação superior à potência de dissipação máxima do componente.

A região abaixo da curva representa a região de funcionamento normal do componente, pois valores de V_CE e I_C no interior dessa região correspondem a uma potência de dissipação inferior à potência de dissipação máxima do transistor.

Para operação do componente a temperaturas diferentes de 25 °C, deve-se utilizar a potência de dissipação máxima na temperatura de trabalho para então calcular a curva de dissipação máxima a partir da Eq.(6).

LIMITAÇÃO DA DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA SOBRE A RETA DE CARGA

A reta de carga expressa todas as possibilidades de funcionamento de um transistor para um determinado valor do resistor de coletor e da tensão de alimentação. Como a curva de dissipação máxima estabelece o limite da região de funcionamento normal do transistor, faz-se necessário que a reta de carga esteja sempre situada abaixo daquela curva.

A Fig.15a representa o trecho de um circuito alimentando um transistor npn BC547 na configuração emissor comum. Na Fig.15b está traçada a curva de dissipação máxima de 500 mW referente a uma temperatura de 25ºC. No mesmo gráfico estão representadas as retas de carga obtidas atribuindo-se para V_CC os valores de 40 V e 30 V, respectivamente, com  R_C fixado em 500 W em ambos os casos.

(a)

(b)

Fig.15 (a)Transistor na configuração emissor comum. (b)Curva de dissipação máxima e retas de carga: A(V_CC=40 V, R_C=500 W), B (V_CC=30 V,  R_C=500 W).

Observa-se na Fig.15b que a reta de carga B está situada totalmente abaixo da curva de dissipação máxima do transistor. Dessa forma, qualquer valor de corrente de base pode ser utilizado no circuito da Fig.15a sem que a potência de dissipação máxima do componente seja superada.

Por outro lado, examinando-se a reta de carga A da Fig.15b, observa-se que sobre o trecho entre os pontos P₁ e P₂ a potência dissipada supera o valor máximo definido pela curva de dissipação máxima do componente.  Dessa forma, os parâmetros de circuito referentes à curva A não possibilitariam a operação segura do componente para um valor arbitrário da corrente de base.