O primeiro transistor de junção bipolar foi inventado nos Laboratórios Bell em 1947. "Bipolar" refere-se a bipolar, daí o nome transistor de junção bipolar (BJT). Um BJT é um dispositivo de três terminais com um coletor (C), base (B) e emissor (E).
Atualmente, existem dois tipos de cristais de junção bipolar, nomeadamente transistores NPN e PNP. Neste artigo, apresentaremos a estrutura, o princípio de funcionamento e a aplicação do transistor PNP.
O que é um transistor PNP?
O transistor PNP é um tipo de transistor bipolar de junção (BJT) que consiste em três camadas de semicondutores dopados. Em um transistor PNP, os portadores de carga majoritários são buracos, que fluem do emissor para a base e, em seguida, para o coletor. O transistor PNP é amplamente utilizado em circuitos eletrônicos como um interruptor ou amplificador.
Estrutura do transistor PNP
Para ilustrar a estrutura de um transistor PNP, considere o seguinte diagrama:
Um transistor PNP consiste em três camadas alternadas de materiais semicondutores do tipo P e do tipo N. As três camadas são chamadas de emissor (E), base (B) e coletor (C). As camadas são dispostas em uma estrutura semelhante a um sanduíche, com duas camadas do tipo p envolvendo uma camada do tipo n, daí o nome PNP.
Neste diagrama, o emissor está à esquerda, o coletor está à direita e a base está no meio. A base é muito fina e levemente dopada, enquanto o emissor e o coletor são fortemente dopados. A dopagem das camadas cria junções entre elas, que são responsáveis pelo funcionamento do transistor.
Quando uma tensão é aplicada à base do transistor PNP, uma pequena corrente flui do emissor para a base. Essa corrente faz com que uma corrente muito maior flua do coletor para o emissor, o que pode ser usado para controlar um circuito externo.
Como funciona o transistor PNP?
Como mencionado acima, um transistor é um dispositivo de controle de corrente que possui duas camadas de esgotamento com um potencial de barreira específico necessário para difundir as camadas de esgotamento. O potencial de barreira de um transistor de silício é de 0,7 V a 25 °C, enquanto o de um transistor de germânio é de 0,3 V a 25 °C. O tipo de transistor mais comumente usado é o de silício, pois é o elemento mais abundante na Terra depois do oxigênio.
Funcionamento interno:
A estrutura de um transistor PNP é tal que as regiões do coletor e do emissor são dopadas com material do tipo p, e a região da base é dopada com uma pequena camada de material do tipo n. A região do emissor é fortemente dopada em comparação com a região do coletor. Essas três regiões formam duas junções, que são a junção coletor-base (CB) e a junção base-emissor.
Quando um potencial negativo VBE caindo de 0 V é aplicado na junção base-emissor, elétrons e buracos começam a se acumular na região de esgotamento. Quando o potencial é reduzido ainda mais abaixo de 0,7 V, a tensão de barreira é atingida e ocorre a difusão. Portanto, os elétrons fluem em direção ao polo positivo e a corrente da base (IB) é oposta ao fluxo de elétrons. Além disso, se uma tensão VCE for aplicada no terminal coletor, uma corrente começa a fluir do emissor para o coletor. Portanto, os transistores PNP podem atuar como interruptores e amplificadores.
Área operacional e modo operacional:
- Área ativa: IC = βxIB – operação do amplificador
- Região de saturação: IC = corrente de saturação – operação de comutação (totalmente ligado)
- Área de corte: IC=0 — operação de comutação (completamente fechado)
Exemplos de aplicação de transistores PNP
1. Transistor PNP como interruptor
Os transistores PNP são frequentemente utilizados como interruptores em circuitos. Neste exemplo, utilizamos o modelo PSPICE e o transistor PN2907A. Primeiro, lembre-se de utilizar um resistor limitador de corrente na base. Uma corrente de base mais alta pode danificar o BJT. De acordo com a ficha técnica abaixo, a corrente máxima contínua do coletor é de 600 mA e o ganho correspondente (hFE ou β) é fornecido na ficha técnica como uma condição de teste. A tensão de saturação e a corrente de base correspondentes também estão disponíveis.
Passos para selecionar componentes:
1. Encontre a corrente do coletor, que é a corrente consumida pela carga. Neste caso, seria 200 mA (em paralelo com o LED ou carga) e resistência = 60 ohms.
2. Para levar o transistor a um estado saturado, deve ser consumida corrente de base suficiente para que o transistor fique totalmente ligado. Calcule a corrente de base e o resistor correspondente a ser usado. A seguir, está a fórmula de cálculo da corrente de base e da resistência de base no transistor PNP:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5mA
RB=VBE/IB=-5/-2,5 mA=2000 Ohm≈2,2k Ohm
Para saturação total, a corrente de base é de cerca de 2,5 mA (nem muito alta nem muito baixa). Portanto, abaixo está o circuito para 12 V na base, igual ao do emissor ao terra, durante o qual o interruptor está desligado.
Teoricamente, o interruptor está totalmente aberto, mas, na prática, é possível observar uma corrente de fuga. Essa corrente é insignificante, pois suas unidades são pA ou nA. Para entender melhor o controle de corrente, um transistor pode ser considerado como um resistor variável entre o coletor (C) e o emissor (E), cuja resistência muda de acordo com a corrente que passa pela base (B).
Inicialmente, quando nenhuma corrente flui pela base, a resistência entre CE é tão alta que nenhuma corrente flui por ela. Quando uma diferença de potencial de 0,7 V ou mais aparece no terminal da base, a junção BE se difunde e faz com que a junção CB se difunda. Agora, a corrente que flui do emissor para o coletor é proporcional à corrente que flui do emissor para a base, que é o ganho.
Agora vamos ver como controlar a corrente de saída controlando a corrente da base. IC fixo = 100 mA, embora a carga seja 200 mA, o ganho correspondente na ficha técnica está entre 100 e 300 e, seguindo a mesma fórmula acima, obtemos:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0,4 mA=12500 Ohm≈13k Ohm
A diferença entre os valores reais e calculados deve-se à queda de tensão no transístor e à carga resistiva utilizada. Além disso, foi utilizado um resistor padrão de 13k0hm na base, em vez de 12,5kohm.
2. Transistor PNP como amplificador
A amplificação é a conversão de um sinal fraco numa forma utilizável. O processo de amplificação é um passo importante em muitas aplicações, tais como a transmissão sem fios de sinais, a receção sem fios de sinais, leitores de MP3, telemóveis, etc. Os transístores podem amplificar a potência, a tensão e a corrente em diferentes configurações.
Algumas configurações utilizadas em circuitos amplificadores de transístores são:
- amplificador de emissor comum
- amplificador coletor comum
- amplificador de base comum
Entre os tipos acima, o tipo emissor comum é a configuração mais comumente usada. Essa operação ocorre na região ativa, sendo um exemplo um circuito amplificador emissor comum de estágio único. Um ponto de polarização CC estável e um ganho CA estável são importantes para o projeto do amplificador. O nome amplificador de estágio único é usado quando apenas um transistor é usado.
Acima está um amplificador de estágio único, onde um sinal fraco aplicado no terminal base é convertido em beta vezes o sinal real no terminal coletor.
Configurações do circuito amplificador dos transistores PNP
Os circuitos amplificadores apresentam três configurações: emissor comum (CE), base comum (CB) e coletor comum (CC). Essas configurações utilizam diferentes elementos capacitivos e resistivos para amplificação e estabilização do sinal.
Emitidor comum (CE)
A configuração CE (emissor comum) inclui um capacitor de acoplamento (CIN) e um capacitor de acoplamento de saída (COUT). O CIN acopla o sinal de entrada à base do transistor, permitindo a passagem de sinais CA enquanto isola os sinais CC. O COUT acopla o sinal de saída do transistor ao circuito de carga e permite apenas a passagem do sinal CA. A configuração CE também usa um capacitor de derivação como um caminho de baixa resistência para o sinal amplificado.
Na configuração CE, R2 e RE são usados para proporcionar estabilidade ao amplificador, enquanto R1 e R2 atuam juntos como um divisor de tensão para garantir a estabilidade no ponto de polarização CC.
Base comum (CB)
Em um amplificador CB, a entrada é aplicada ao terminal emissor e a saída é obtida do terminal coletor. O terminal emissor é polarizado para a frente, enquanto o terminal coletor é polarizado para trás. As condições de polarização de um amplificador CB fornecem uma baixa impedância de entrada e uma alta impedância de saída.
O circuito amplificador de base comum pode ser representado pela seguinte equação: Av = -gmRc, onde Av é o ganho de tensão, gm é o parâmetro de transcondutância e Rc é o resistor de carga. O ganho de tensão de um amplificador de base comum é inferior a um, mas tem um ganho de corrente elevado e uma largura de banda ampla.
Coletor comum (CC)
O amplificador CC também é conhecido como seguidor do emissor, pois a tensão de saída segue de perto a tensão de entrada. Em um circuito amplificador CC, o terminal do emissor é sempre polarizado a uma tensão ligeiramente inferior à tensão da base, normalmente em torno de 0,6 V para um transistor de silício. Isso garante que o transistor esteja na região ativa e possa amplificar o sinal de entrada.
O amplificador CC tem uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída, o que o torna adequado para aplicações de correspondência de impedância e amplificação de tensão. Ele também oferece alto ganho de corrente e alta largura de banda de ganho unitário, o que o torna ideal para armazenar sinais entre os estágios de um amplificador.
