Eletrônica parte 2, Notas de estudo de Eletrônica

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Eletrônica Básica II

Federação das Indústrias do Estado de Pernambuco Jorge Wicks Côrte Real

Departamento Regional do SENAI de Pernambuco Diretor Regional Antônio Carlos Maranhão de Aguiar

Diretor Técnico Uaci Edvaldo Matias

Diretor Administrativo e Financeiro Heinz Dieter Loges

Ficha Catalográfica

621 SENAI.DR.PE. Eletrônica Básica II. S474e Recife, SENAI.PE/DITEC/DET, 2005

1. ENGENHARIA ELÉTRICA
2. ELETRÔNICA
3. Série Eletrônica - SENAI I. Título

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INTRODUÇÃO

Tendo em vista o avanço tecnológico na área industrial, a cada dia surgem novos instrumentos e aparelhos no processo de produção, sendo, dessa maneira, importante conhecer os conceitos relativos a transistor bipolar, amplificadores, multivibradores, entre outros.

Os últimos anos têm caracterizado uma penetração cada vez maior da eletrônica nos diversos ramos da atividade humana. Essa influência tem sido mais significativa na indústria e no lazer.

Os assuntos, aqui abordados, contribuirão para o aprendizado de eletrônica básica II, possibilitando ao leitor desenvolver novos conhecimentos nessa área.

Es t r ut u r a b á s i c a

O transistor bipolar é um componente eletrônico constituído de cristais semicondutores, capaz de atuar como controlador de corrente, o que possibilita o seu uso como amplificador de sinais ou como chave eletrônica.

Em qualquer uma das duas funções o transistor encontra uma ampla gama de aplicações, como por exemplo:

Amplificador de sinais: Equipamentos de som e imagem e controle industrial.

Chave eletrônica: Controle industrial, calculadoras e computadores eletrônicos.

O transistor bipolar proporcionou um grande desenvolvimento da eletrônica, devido a sua versatilidade de aplicação, constituindo-se em elemento chave em grande parte dos equipamentos eletrônicos.

A estrutura básica do transistor se compõe de duas camadas de material semicondutor, de mesmo tipo de dopagem, entre as quais é inserida uma terceira camada bem mais fina, de material semicondutor com um tipo de dopagem distinto dos outros dois, formando uma configuração semelhante à de um “sanduíche”, conforme ilustrado na Fig..

Fig.1 Estrutura básica de um transistor. Como mostrado na Fig.2 , a configuração da estrutura, em forma de sanduíche, permite que se obtenham dois tipos distintos de transistor:

 Um com as camadas externas de material tipo p e com a camada central formada de um material tipo n. Esse tipo de transistor é denominado de transistor bipolar pnp.

 A outra camada externa é denominada de emissor , sendo representada pela letra E.

A Fig.4 mostra os dois tipos de transistor, com a identificação dos terminais.

Fig.4 Transistores pnp e npn com a identificação dos terminais.

O transistor possui três terminais: coletor, base e emissor.

Embora as camadas referentes ao coletor e ao emissor de um transistor tenham o mesmo tipo de dopagem, elas diferem em dimensão geométrica e no grau de dopagem, realizando portanto funções distintas quando o componente é conectado a um circuito eletrônico.

S I M B O LOG I A

A Fig.5 apresenta os símbolos utilizados na representação de circuito dos transistores npn e pnp. Como pode ser aí observado, os dois símbolos diferem apenas no sentido da seta entre os terminais da base e do emissor.

Alguns transistores são dotados de blindagem. Essa blindagem consiste de um encapsulamento metálico envolvendo a estrutura semicondutora, com o fim de evitar que o funcionamento do componente seja afetado por campos eletromagnéticos no ambiente. Esses transistores apresentam um quarto terminal, ligado à blindagem para que esta possa ser conectada ao terra do circuito eletrônico. A representação de circuito desses transistores está ilustrada na Fig..

Fig.5 Representação de circuito dos transistores npn e pnp.

Fig.6 Representação de circuito de um transistor blindado.

A SPE CTO RE A L DO S T R AN S I S TO RES

Os transistores podem se apresentar em diversos encapsulamentos, que variam em função do fabricante, do tipo de aplicação e da capacidade de dissipar calor. A Fig.7 ilustra os aspectos de alguns encapsulamentos.

Te s t e d e t r a ns is t o r e s

Existem instrumentos sofisticados destinados especificamente ao teste das condições de operação de um transistor. No entanto, o uso de um multímetro também permite detectar possíveis defeitos no componente.

Como no teste de diodos com o uso de um multímetro, o teste de transistores pode não fornecer um resultado definitivo, e o uso do multímetro serve apenas para detectar os defeitos mais comuns nos transistores e diodos.

No caso do diodo, são os seguintes os defeitos de detecção imediata com o uso de um multímetro:

 Junção pn em curto.

 Junção pn em aberto.

Como descrito em fascículos anteriores, o teste de qualquer junção pn com o uso de um multímetro é feito em duas etapas:

Etapa 1: Realiza-se inicialmente a identificação da polaridade real das pontas de prova do multímetro.

Etapa 2: Após a identificação de polaridade, realiza-se o teste do diodo, que consiste em detectar a existência de baixa e alta resistências ao se intercambiarem os dois contatos entre as pontas de prova e os terminais da junção pn.

Conforme ilustrado na Fig.8 , a estrutura de um transistor consiste em uma junção pn entre a base e o coletor e de uma segunda junção pn entre a base e o emissor.

Fig.8 Junções pn do transistor npn em (a) e do transistor pnp em (b).

Portanto, para a detecção de defeitos, o transistor pode ser considerado como composto de dois diodos conectados nas formas ilustradas na Fig..

Fig.9 Representação de transistores npn e pnp por diodos equivalentes.

A detecção de defeitos no transistor consiste em verificar a existência de curto ou de circuito aberto entre os pares de terminais BC , BE e CE.

houver uma junção em curto o instrumento indicará uma baixa resistência naquela junção.

Fig.11 Teste para detecção de curtos nas junções BC e BE de um transistor npn.

DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE COLETOR E EMISSOR

Para completar os testes deve-se ainda verificar a condição elétrica entre os terminais do coletor e do emissor.

Com o terminal da base em aberto, o circuito equivalente entre os terminais B e C corresponde a dois diodos em série conectados inversamente. Dessa forma o multímetro deverá fornecer uma indicação de altíssima resistência para as duas possibilidades de conexão das pontas de prova mostradas na Fig..

Fig.12 Teste para detecção de curto-circuito entre os terminais C e E de um transistor npn. Para o caso de um transistor pnp os testes podem ser conduzidos seguindo o procedimento descrito anteriormente, exceto que as pontas de prova devem ser invertidas com relação às configurações ilustradas nas Figs.10 a 12.

Todos os testes devem ser realizados com o seletor do

multímetro posicionado na escala R  10 ou R  100 e com o transistor

desconectado de qualquer circuito externo.

Os testes realizados com multímetro não permitem detectar

alterações nas características do transistor. Mesmo que o multímetro

não detecte defeitos, existe ainda a possibilidade de que existam

alterações nas características do transistor que o tornem impróprio

para uso em circuitos.

P r inc í p io d e o p e r a ç ã o

Para que os portadores se movimentem no interior da estrutura de um transistor é necessário aplicar tensões entre os seus terminais. O movimento dos elétrons livres e lacunas está intimamente relacionado à polaridade da tensão aplicada a cada par de terminais do transistor, como descrito a seguir.

O PER A Ç Ã O DO T R AN S I S TO R NA RE G I Ã O A T I V A

A estrutura física do transistor propicia a formação de duas junções pn , conforme ilustrado na Fig.1 :

 Uma junção pn entre o cristal da base e o cristal do emissor, chamada de junção base-emissor.

 Uma junção pn entre o cristal da base e o cristal do coletor, chamada de junção base-coletor.

Fig.1 Junções base-coletor e base-emissor em um transistor. A formação das duas junções no transistor faz que ocorra um processo de difusão dos portadores. Como no caso do diodo, esse processo de difusão dá origem a uma barreira de potencial em cada junção.

No transistor, portanto, existem duas barreiras de potencial, mostradas na Fig.2, que se formam a partir da junção dos cristais semicondutores:

 A barreira de potencial na junção base-emissor.  A barreira de potencial na junção base-coletor.

Fig.2 Barreiras de potencial formadas nas duas junções de um transistor.

As características normais de polarização dos terminais do transistor são sumarizadas a seguir.

JUNÇÃO BASE-EMISSOR

Na condição normal de funcionamento, denominada de funcionamento na região ativa , a junção base-emissor fica polarizada diretamente, conforme ilustrado na Fig..

Para operação na região ativa, a junção base-coletor fica polarizada inversamente, ou seja, com o material tipo p polarizado negativamente em relação ao material tipo n , conforme mostrado na Fig..

Na região ativa a junção base-coletor de um transistor fica

inversamente polarizada.

Fig.4 Polarização da junção base-coletor de transistores pnp e npn para operação na região ativa.

POLARIZAÇÃO SIMULTÂNEA DAS DUAS JUNÇÕES

Para que o transistor funcione adequadamente, as duas junções devem ser polarizadas simultaneamente. Isso é feito aplicando-se tensões externas nas duas junções do componente. A Fig.5 mostra a forma de polarização de um transistor para operação na região ativa.

Fig.5 Polarizações dos transistores npn e pnp para operação na região ativa.