Relatório BJT's

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UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA
ICET – Instituto de Ciências exatas e tecnológicas
ELETRÔNICA APLICADA
TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR 
Nome: 					 	Turma:		RA:
Tiago Timoteo R. dos Santos 			EA7P12		C43EED-9
Wagner Xavier de Jesus 				EA7P12		C4978F-9
Wallacy Anderson P. da Silva 			EA7P12		C54AFJ-0
Tiago Timoteo R. dos Santos C43EED-9 EA7P12
Wagner Xavier de Jesus C4978F-9 EA7P12
Wallacy Anderson P. da Silva C54AFJ-0 EA7P12
ELETRÔNICA APLICADA
Trabalho decorrente da matéria de
eletrônica aplicada para obtenção do 
título de graduação em engenharia de controle 
e automação, apresentado à Universidade Paulista – UNIP
Orientador: Prof.º Dr. Luís Lamas
 
1. INTRODUÇÃO 
Em 1947, John Bardeen e Walter Brattain, sob a supervisão de William Shockley no AT&T Bell Labs, demonstraram que uma corrente fluindo no sentido de polaridade direta sobre uma junção semicondutora PN poderia controlar a corrente de polaridade reversa sobre um terceiro eletrodo montado muito próximo ao primeiro contato. Este dispositivo de controle de corrente recebeu o nome de transistor como uma forma contraída das palavras “resistor de transferência” (do inglês, TRANSfer reSISTOR) e como ele opera com elétrons e lacunas como portadores de carga recebeu o nome de transistor bipolar. Um outro dispositivo semicondutor de controle é o transistor de efeito de campo FET (Field Effect Transistor), cujo controle da corrente é realizado por meio de um campo elétrico induzido na região condutora; como ele opera majoritariamente com apenas um tipo de portador, também é denominado de transistor unipolar.
O transistor bipolar NPN (designado pela sigla BJT – bipolar junction transistor), é caracterizado por duas junções P e N, sendo que o semicondutor tipo P, comum às duas junções é denominado “base”. O semicondutor tipo N de uma das junções, com alto nível de dopagem, é denominado “emissor”, enquanto que o outro semicondutor tipo N com baixo nível de dopagem é chamado “coletor”.
O emissor é a região rica em portadores de carga; sua tarefa é enviar os portadores para a base e dali para o coletor. O coletor como o nome diz, coleta os portadores que atravessam a base. A base atua como região de controle do fluxo de portadores de carga do emissor para o coletor. As regiões tipo N contém elétrons livres como portadores majoritários, enquanto que a região tipo P contém lacunas como portadores majoritários. O nome transistor bipolar vem do fato que ambos os portadores (elétrons livres e lacunas) tomam parte do fluxo de corrente que atravessa o dispositivo.
O transistor bipolar PNP opera de maneira análoga ao transístor NPN, porém com fluxo de portadores majoritários de cargas sendo as lacunas. O coletor, levemente dopado, está "negativo" e atrai as lacunas vindas do emissor. A base está pobre de elétrons e o emissor, altamente dopado, está "rico" de lacunas Corrente de lacunas P. O transistor bipolar necessita de uma corrente de polarização da base para colocar o dispositivo na região de operação. Por outro lado, a corrente de base modula a corrente que flui entre o coletor e o emissor.
O transistor pode ser empregado de muitas maneiras, mas basicamente ele desempenha duas funções: amplificação e chaveamento. No caso da amplificação, podemos fazer uma analogia com uma torneira: girando a torneira, podemos controlar o fluxo de água, tornando-o mais forte ou mais fraco. No caso do chaveamento, podemos imaginar o transistor como um interruptor de luz: ligando o interruptor, a luz se acende; desligando o interruptor, a luz se apaga. Da mesma forma que a torneira controla o fluxo de água, o transistor controla o fluxo de corrente elétrica. E da mesma forma que o interruptor “chaveia” (liga ou desliga) a luz, o transistor pode chavear corrente elétrica. 
A grande diferença, contudo, da torneira e do interruptor para o transistor é que nos dois primeiros o controle é feito pelas nossas mãos. Já no transistor, o controle da amplificação e do chaveamento é feito por corrente elétrica, ou seja, no transistor bipolar temos corrente elétrica controlando corrente elétrica. Isso é importante por diversos motivos: em primeiro lugar, com o controle sendo feito por corrente elétrica, consegue-se num transistor uma velocidade de operação milhares de vezes mais rápida do que nossas mãos. Em segundo lugar, o transistor pode ser acoplado a outras fontes de sinal elétrico, como uma antena, um microfone, ou mesmo um outro transistor. Por fim, sendo controlado por corrente, o transistor pode funcionar como uma “chave eletrônica”, sem partes móveis, muito mais rápida e eficiente do que os antigos relés (chaves eletromecânicas). O transistor como amplificador Amplificação de sinal é um dos propósitos básicos da eletrônica. Idealmente, na entrada de um circuito amplificador temos um sinal de baixa intensidade, cuja amplitude é aumentada sem haver distorção na forma de onda. BJT (bipolar junction transistor): São os primeiros transistores a serem usados em larga escala. Devido à sua velocidade limitada e perdas relativamente altas para os requisitos atuais, os BJT atualmente são utilizados em aplicações simples e para baixo custo, onde performance e rendimento não são requisitos.
2. OBJETIVO
Para facilidade de compressão dos transistores bjts que podem operar basicamente como chaves, abordando aqui os transistores na operação de portas lógicas no seu estado de liga ou desliga. Analisando o comportamento de um transistor como se fosse um fio quando em condução, ou seja, uma chave e como um “pedaço de borracha” quando em bloqueio. 
Os experimentos de laboratório têm por objetivo familiarizar-se com o estudo das características básicas dos transistores bipolares BJTs e iniciar a exploração de algumas de suas aplicações fundamentais (amplificadores, portas lógicas). No desenvolvimento da montagem dos componentes na protoboard e analisando o comportamento de cada circuito e comparando com as tabelas verdades. Entender o funcionamento dos diferentes tipos de portas lógicas com a aplicação dos transistores bipolares. Conhecer a simbologia, o circuito equivalente e a tabela verdade de cada uma das portas lógicas estudadas. Identificando os pinos: base, emissor e coletor do transistor bipolar. Mostrando as características de operação como fonte de corrente e os diferentes circuitos de polarização dos transistores BJTs.
Analisando a quantidade de corrente que flui através dos terminais do transistor BJTs, identificando os tipos de configurações para polarização do transistor como chave, estudando a comutação dos transistores em diferentes estados lógicos. 
Obter fundamentos básicos sobre os dispositivos semicondutores, quanto a sua condução, corte de correntes e aplicações de tensões, e principalmente entender o circuito eletrônico dentro de cada porta logica, esses circuitos são compostos por componentes da eletrônica analógica formando uma lógica de funcionamento designando a eletrônica digital. O entendimento desses circuitos internos é te extrema importância para analisar a lógica de funcionamento e fixar o conceito da eletrônica digital.
3. MÉTODO ADOTADO 
Começamos a fazer o experimento com transistores bipolares de junção fazendo a montagem no simulador de programação que e alimentado por uma fonte de tensão de 127volts, que é repassado para o protoboard de 5 a 10 volts dependo dos componentes que for utilizar, sendo para esse experimento usamos a alavanca acionada para alimentar 5 volts para evitar a queima ou danificação parcial dos componentes usados.
Após isso começamos a fazer a montagem do primeiro circuito utilizando 2 resistores sendo o primeiro com o valor de 1kΩ e o segundo com 330 kΩ e um transistor NPN BC547B. Depois fomos fazendo as ligações com um conjunto de fios nos polos dos resistores e do transistor no protoboard e fazendo o aterramento do circuito (GND) e a alimentação do circuito (VCC), pois o experimento em si e para nos mostrar o que acontecefisicamente dentro de um CI em funcionamento. Sendo assim após a montagem correta verificamos que o primeiro circuito utiliza a porta logica “NOT” que altera o valor da porta a deixando negada, sendo confirmada após fazermos a tabela verdade e ver que alterando a entrada a saída irá mudar também.
Agora no segundo circuito proposto foi utilizado para montagem no protoboard dois resistores com valor de 1kΩ e um terceiro com valor de 330 kΩ e dois transistores NPN BC547B estando no esquema do circuito trabalhando em serie e após a montagem e simulação seguindo o mesmo procedimento do primeiro circuito podemos verificar que a porta logica utilizada e a porta “AND” negada sendo verificada também através da tabela verdade para nossa confirmação.
No terceiro circuito proposto foi utilizado para a montagem do circuito no protoboard dois resistores com valor de 1kΩ e terceiro com valor de 330kΩ e dois transistores NPN BC547B trabalhando em paralelo e seguindo o mesmo procedimento de montagem e simulação dos anteriores vimos que utiliza a porta logica “NOR” sendo confirmada após fazermos a tabela verdade.
4. MATERIAIS UTILIZADOS
4.1. Módulo 2000
	O modulo 2000 é um aparelho composto por vários componentes eletrônicos entre eles protoboard, detectores de níveis lógicos, leds, chaves de simulações e outros. O modulo 2000 é um aparelho criado pela empresa Datapool cuja sua finalidade é didática apenas. Esses aparelhos são criados para uso em laboratórios tendo inúmeras finalidades, uma delas é simular circuitos lógicos como utilizada nesse experimento. A figura 1 nos traz uma relação completa dos componentes e dispositivos que o modulo 2000 oferece, isso apenas por efeito de curiosidade.
A empresa Datapool é pioneira no Brasil na criação de módulos didáticos para difusão do conhecimento em diversas áreas, seus produtos são criados por professores e mestres envolvidos na are de ensino. É importante lembrar que esse modelo de equipamento tem um display de sete segmentos que converte números binários em hexadecimal, assim é possível visualizar os números hexadecimais em ordem crescente no display, ficando mais claro entendimento. Na figura 1 temos o modulo 2000 utilizado em laboratório para execução do experimento.
FIGURA 1 – Modulo 2000
FONTE: www.eletronica.datapool.com.br, 2018
4.2. Resistor 
O resistor é um semicondutor que trabalha para não facilitar a passagem de corrente elétrica, através de uma resistência elétrica que varia de acordo com a característica do resistor. A resistência elétrica de um resistor é medida em Ohms (Ω ou R). A resistência interna de um resistor é caracterizada pelas cores apresentadas ao seu redor, assim as resistências internas seguem um padrão.
Os resistores são usados nos circuitos eletrônicos para fazer resistência contra a corrente elétrica com consequência de reduzir ou dividir as tensões. Os resistores são componentes que compõem a maioria dos circuitos eletrônicos, sempre terá alguns resistores em um circuito eletrônico. 
Para realizar o experimento em laboratório usou-se três resistores cuja as resistências internas são R1= 330Ω, R2 e R3= 1000Ω, esses resistores são ligados na base e no coletor do transistor, cada um de acordo com o circuito proposto, assim eles atuam como limitador de corrente nos circuitos realizados em laboratório. Na figura 2 tem-se um resistor de 330Ω e seu símbolo que é padrão. 
FIGURA 2 – Resistor de 330 Ω e sua simbologia
FONTE: www.google.com.br/eletronica - 2018
4.3. Transistor bipolar 
		Os resistores apresentam duas funcionalidades essenciais, ele pode funciona como um interruptor ou como amplificador. O transistor é montado em uma estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal oposta, por exemplo o transistor NPN, ele é formado por duas camadas cristais tipo N intercalada por uma camada de cristal tipo P, mas afinal o que são essas camadas tipo N e P? 
Cristal tipo N
O tipo de cristal é designado através da dopagem do silício ou do germânio com arsênio (As), antimônio (Sb) e o fosforo (P) que são chamados de “impurezas”, e esses elementos formam uma ligação pentavalente, onde se tem cinco átomos na camada de valência. Por serem pentavalentes, um dos elétrons da camada de valência fica livre, tornando-se “elétron livre”, como mostra a figura 3.
FIGURA 3 – Cristal de silício com impureza de arsênio
FONTE: www.geocities.ws/semicondutores, 2018
Como os elétrons são cargas negativas, e o número de elétrons livres é maior que o número de lacunas, estes semicondutores são chamados de cristais tipo “N”. 
Cristal tipo P
Já os semicondutores do tipo P são formados por ligação trivalente, ou seja, existem três elétrons na camada de valência. O alumínio (Al), o boro (B) e o gálio (Ga) são os elementos que são dopados no silício, e por terem três elétrons na camada de valência as ligações formam lacunas como mostra a figura 4.
FIGURA 4 – Cristal de silício com impureza de alumínio
FONTE: www.geocities.ws/semicondutores, 2018
	
Por serem trivalentes, as ligações formam lacunas quem são consideradas cargas positivas, assim esse semicondutor é chamado de tipo “P”. A junção dos dois cristais semicondutores (tipo N e P) formam o transistor, assim quando é polarizado diretamente os elétrons livres ganham força e rompem a barreira de potencial atravessando a junção. 
Polarização do transistor
Os transistores são formados pela junção desses cristais, onde ocorre a junção de três camadas de dois cristais diferentes intercaladas, por exemplo, uma camada de cristal tipo N, outra de cristal tipo P e a terceira de cristal tipo N, esse tipo de transistor é chamado de NPN. Existe também os transistores PNP que parte do mesmo princípio, porém, as ordens das camadas são invertidas. Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação a sua função na operação do transistor, as camadas da extremidade são chamadas de emissor e coletor, e a camada central é chamada de base como mostra a figura 5.
FIGURA 5 – Aspectos construtivos e símbolos dos transistores 
FONTE: Circuitos digitais pág. 98, 2009
	Na figura 5 é possível notar que o emissor é fortemente dopado, e tem como função emitir os portadores de carga para base. Lembrado que os cristais tipo N são portadores de elétrons livres e os cristais tipo P são portadores de lacunas. 
	A base tem uma dopagem media e muito fina, assim a maioria dos portadores lançados do emissor a base consegue atravessa-la, dirigindo-se ao coletor. O coletor é levemente dopado e recolhe os portadores que vem da base além de ser a maior camada do transistor pois é nele que se dissipa a maior parte da potência gerada.
	O comportamento principal do transistor é fazer controle a passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base, em outras palavras o transistor é como se fosse uma resistência variável onde é possível controlar a resistência entre coletor e emissor através da corrente que inserida na base. Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente do coletor IC, e uma diminuição na corrente de base também diminui a corrente do coletor, isso significa que a corrente inserida na base controla a corrente entre emissor e coletor. Diante desse fenômeno uma pequena variação na corrente de base provoca uma grande variação na corrente do coletor, ou seja, a variação na corrente do coletor é reflexo amplificado da variação de corrente na base. Essa aplicação é conhecida como aplicação na região ativa onde é utilizada principalmente na amplificação de sinais, como mostra a figura 6.
FIGURA 6 – Analogia do efeito de amplificação do transistor NPN
FONTE: Circuitos digitais pág. 103, 2009
Esse efeito de amplificação é denominado de ganho de corrente (β) e pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação da corrente de coletor e a variação da corrente de base. Este efeito de amplificação também funciona no transistor PNP porem as correntesfluem no sentido contrário. 
Os efeitos de amplificação dos transistores são muito utilizados em amplificadores para filtrar sinais e diminuir ruídos, principalmente quando se trata de ondas de baixa frequência, assim o efeito de amplificação se torna a sua principal e mais utilizada característica.
Além desse comportamento o transistor também apresenta um comportamento bastante utilizado, sendo conhecido como chave eletrônica. Esse comportamento faz com que o transistor funcione como uma chave onde ao ser inserida uma pequena variação de corrente na base do transistor ele permite que a corrente flua do coletor para o emissor, nesta aplicação o transistor atua na região de saturação, funcionando como uma chave eletrônico fechada. 
Além da região de saturação que permite a passagem de corrente entre o terminal coletor e emissor, o transistor também apresenta a região de corte que seria uma chave eletrônica aberta, onde as junções são polarizadas reversamente, fazendo com que a corrente do coletor seja praticamente nula. Com tudo quando o transistor atua na região de saturação ele funciona como uma chave fechada, e quando ele atua na região de corte ele funciona como uma chave aberta no circuito, assim como mostrado na figura 7. 
FIGURA 7 – Analogia de um transistor como chave
FONTE: Circuitos digitais pág. 108, 2009
Como identificar um transistor 
	Os transistores assim como outros componentes eletrônicos, permitem uma pequena identificação de algumas de suas características através do número impresso em seu corpo, além disso ele apresenta um chanfro que é referência na hora de identificar os terminais, base, coletor e emissor, assim como mostra a figura 8.
FIGURA 8 – Leitura de um transistor
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	A primeira letra impressa no corpo do transistor significa o material no qual ele é fabricado, abaixo temos os mais comuns:
A - Germânio
B - Silício
C - Arsenieto de Gálio
R - Materiais compostos
	A segunda letra impressa indica a aplicação do transistor, logo depois tem uma sequancia de numeros que indica o numero de serie atraves dele é possivel obter a ficha tecnica e o datasheet. Abaixo esta apresnetado os significado da segunda letra.
C - Amplificador de frequência de áudio
D - Amplificador de potência de frequência de áudio
F - Amplificador de radiofrequência de baixa potência
P - Amplificador de radiofrequência de alta potência
5. RESULTADOS 
	 O experimento proposto trata d montar um circuito em laboratório e aplicar condições de entrada anotando as saídas, e depois comparar o circuito com alguma função logica. 
	O primeiro circuito é composto por um transistor BC547B do tipo NPN e por dois resistores R1=330 Ω e R2=1000Ω assim como mostra a figura 9.
FIGURA 9 – 1º circuito proposto
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	No primeiro circuito proposto é possível notar que ele representa uma função logica inversora, ou seja ele nega o valor que é aplicado na entrada. Essa função lógica é conhecida como porta logica NOT. O transistor neste circuito funciona como uma chave eletrônica atuado na região de saturação e corte de acordo com a entrada da corrente na base. 
	No segundo circuito é utilizado dois transistores BC547B e três resistores R1=330Ω e R2=R3=1000Ω, assim temos uma função logica com duas entradas e uma saída representando uma porta logica NAND, ou seja, a função logica AND com uma inversora na saída, assim como mostra a figura 10.
FIGURA 10 – 2º circuito proposto
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	A tabela verdade a direita da figura 10 foi obtida através das combinações de entrada e os resultados de saída, com isso a porta logica expressa pelo circuito é uma NAND. Já no terceiro e último circuito proposto usa os mesmos componentes do segundo porem a única diferença é a posição dos transistores estando um em paralelo com o outro, como mostra a figura 11. 
FIGURA 11 – 3º circuito proposto
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	É possível notar uma relação entre os circuitos e a álgebra por trás das funções logicas, nota-se que na figura 10 temos dois transistores ligados em serie e o circuito representa uma função AND negada, se comparar com a lógica um circuito com duas chaves em serie só teremos resultado 1 quando as duas chaves estiverem fechadas, ou seja é o caso do circuito dois, só temos 1 quando os dois transistores estiverem na região saturada, por ser uma porta com inversor a saída 1 é negada, então só temos 0 quando os dois transistores estão atuando na região saturada.
	No terceiro circuito essa relação se repete, porem agora com dois transistores em paralelo, ou seja, se temos um circuito com duas chaves em paralelo podemos obter resultado 1 quando qualquer uma das duas chaves for acionadas, no caso do circuito três por obter uma função inversora quando qualquer um dos transistores estiver trabalhando na região de saturação temos o resultado 0, só é possível obter o resultado 1 quando os dois transistores estiverem na regiam de corte. 
	Contudo o experimento traz uma didática extremamente essencial, onde nota-se e aplica as logicas impressas dentro das funções logicas, abrindo um leque na mente onde é possível compreender a base da eletrônica digital. 
6. CONCLUSÃO 
Através do experimento de portas logicas utilizando transistores bipolares de junção podemos verificar fisicamente qual e o processo que acontece dentro do CI na pratica, pois havíamos usado os mesmos para fazer outros experimentos, e assim podemos verificar como e a sua lógica de funcionamento e as suas funcionalidades e as possíveis falhas que podem ocorrer quando se trabalha em conjunto com outros componentes no circuito e verificando que sua montagem deve ser feita de maneira correta para se chegar num resultado conclusivo. O de empregar a um experimento os transistores em conjunto com resistores e ver a sua forma de funcionamento e de também ter um primeiro contato com o componente e de sanar possíveis duvidas referente aos mesmos.
Ao de se ter a supervisão do professor orientado na montagem e no esclarecimento de dúvidas pode empregar os conhecimentos teóricos a que nos foram passados através das disciplinas de Eletrônica Analógica e Digital e a de Microprocessadores e Microcontroladores visto que que a engenharia em que estamos cursando visa ao controle dos processos de maquinas e do dimensionamento delas através das programações que colocam elas em funcionamento sendo assim e de suma importância levarmos esse conhecimento para podermos aplicar na pratica pois na pratica vamos encontrar circuitos contendo esses componentes em grande quantidade e com bastante complexidade mas teremos uma base para resolver os possíveis problemas que poderão ocorrer.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARLOS, Antônio; CESAR, Eduardo. Circuitos digitais. 9 ed. São Paulo: Erica Ltda., 2009. 200-280 p.
EUARDO, Angelo; , Eduardo Cesar. Dispositivos semicondutores: Diodos e transistores. 7 ed. São Paulo: Érica, 2009. 90-120 p
BOYLESTAD, Robert. Introdução à análise de circuitos. 10ª ed. [SL]: Pearson, 2010. 55 p.
NOVA ELETRONICA. Eletrônica digital. Disponível em: <http://blog.novaeletronica.com.br/circuito-ttl/>. Acesso em: 15 mai. 2018.
DAENOTES. Transistor bipolar. Disponível em: <https://www.daenotes.com/electronics/digital-electronics>. Acesso em: 18 mai. 2018.
ELECTRONICS. It is works transistor. Disponível em: <http://www.electronicsfaq.com/2012/06/>. Acesso em: 19 mai. 2018.
ELECTRONICS HOBBY. Know the meaning of transistor and ic codes. Disponível em: <https://dmohankumar.wordpress.com/2012/04/24/know-the-meaning-of-transistor-and-ic-codes/>. Acesso em: 19 mai. 2018.
CAMPINAS - 2018