Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Parte II

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1 AULA 08 Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Parte Prof. Rodrigo Reina Muñoz T1 2018

2 Conteúdo Aplicações do Transistor Polarização Ponto de Operação Análise por Reta de Carga Exercícios 2 2

3 Aplicações de Transistores Amplificadores de Pequenos Sinais Amplificadores Diferenciais (Ex.: nstrumentação) Amplificadores de Potência Chaveamento - acionamento de relês (ex.: motores e alarmes), lâmpadas, etc. - portas lógicas Osciladores Fontes de Alimentação 3 3

4 Polarização Circuitos Polarizadores o Transistor como chave funcionamento nas regiões de corte e saturação aplicações em circuitos digitais. o Transistor como amplificador funcionamento na região ativa. o Na amplificação de um sinal a única mudança deve ser na amplitude da tensão ou da corrente ou de ambos (amplificador de potência) ausência de distorções. o Para sinal periódico (ex.: ca) a frequência do sinal de entrada é mantida após amplificação. mportante: Antes de aplicar o sinal na entrada, é necessário determinar o ponto de operação do transistor, também conhecido como ponto quiescente (Q) do transistor. 4 4

5 Polarização Pontos de Operação A: ausência de polarização e, portanto não funcionamento do circuito. B: variação da tensão e da corrente distante das regiões de corte e de saturação. C: idem anterior, mas próxima das regiões de corte e de sarturação. D: região muito próxima da região de ruptura ou 5 queima do transistor. 5

6 Polarização Definição Define-se polarização como sendo o estabelecimento dos valores das correntes de coletor, de base e tensão V CE, ou seja, o Ponto de Trabalho. Escolha de Transistor, Tensões, Correntes e Resistências Funcionamento do Transistor em uma das regiões da família de curvas características (slide anterior) POLARZAÇÃO 6 6

7 Polarização Circuito com polarização fixa O circuito da Figura abaixo apresenta duas componentes para o sinal aplicado à base do transistor e presente no seu coletor: - Componente CC - Componente CA Circuito aberto para análise cc. Circuito aberto para análise cc. Nota: a configuração ao lado é instável devido à dependência do ganho (β) com C e a temperatura. Devido à validade do Teorema da Superposição é possível analisar o funcionamento deste circuito separando-se os efeitos produzidos pelos dois componentes (CC e CA). Os capacitores C 1 e C 2 considerados circuito aberto para análise cc. 7 7

8 Polarização Circuito com polarização fixa Exemplo 1: Determine o nível de saturação do circuito da Figura abaixo, ou seja, o valor de C considerando o transistor trabalhando na região da saturação ( Csat ). Resp.: 5,45 ma 8 8

9 Polarização Circuito com polarização fixa Observe, na Figura abaixo, que a d.d.p. entre Coletor e Emissor é igual a d.d.p. no ponto C (medida com respeito à referência), ou seja, V CE = V C, pois V E = 0. Questão: porque a d.d.p. V CE = V CC para o caso da base estar aberta? Em que região de sua polarização está o transistor? 9 9

10 Polarização Circuito com polarização fixa Observando o circuito da junção baseemissor: Vcc B R B V BE = 0 E assim, B = Vcc R B V BE Portanto, visto que V CC e V BE são fixos, o resistor R B define a corrente de base para o ponto de operação. 10

11 Polarização Circuito com polarização fixa Para o circuito de saída tem-se: Pela lei de kirchhoff: V CE + CR C V CC = 0 Assim, V CE = V CC C R C Observe também que C não depende de R C e sim de R B ( c = β B ). A equação anterior permite estabelecer o ponto de operação Q do circuito (mesmas variáveis das características de saída do transistor ). 11

12 Utilizando a polarização pela base, tem-se: Polarização Linha de Carga Fazer c = 0 resulta em V CE = V CC, e Fazendo V CE = 0, resulta em c = V CC /R C 12 12

13 Polarização Como obter a Linha de Carga Parte 1: Determinar a máxima corrente de coletor (Saturação): 13 13

14 Polarização Como obter a Linha de Carga Parte 2: Determinar a d.d.p. V CE quando a corrente de coletor é nula (Corte): 14 14

15 Polarização Linha de Carga Movimento do ponto Q com valores crescentes de B. Variações em B deslocam o ponto de operação ao longo da reta de carga

16 Polarização Linha de Carga Efeito do aumento no valor de R C na reta de carga e no ponto Q (mantendo V cc fixo). Deslocamento do ponto Q mantendo B fixo

17 Polarização Linha de Carga Efeito da variação de V CC na reta de carga e no ponto Q

18 Polarização Linha de Carga Exemplo: Dada a linha de carga e o ponto Q da Figura abaixo, determine os valores exigidos de V CC, R C e R B para uma configuração fixa. Resp.: V CC = 20 V; R C = 2 kω; e R B = 772 kω

19 Polarização Linha de Carga Solução: 19 19

20 Polarização Resistor de Emissor A configuração da Figura abaixo tenta compensar a variação do β CC (devido a variações na temperatura ou aumento de C ) melhoria na estabilidade do circuito confiabilidade. C A compensação é feita por meio do resistor de emissor. βcc = Mecanismo de compensação: se β CC aumentar a corrente do coletor aumenta aumenta a tensão do emissor diminui a tensão base emisor reduz a corrente da base a corrente de coletor diminue como se β CC tivesse diminuido. B PARADOXO: R E deve ser o maior possível para a compensação de β CC, mas para evitar a saturação do coletor é necessário manter R E baixo

21 Efeito de β CC sobre a corrente de coletor: Polarização Resistor de Emissor V BE + ERE VCC + BRB = + E B = C β C CC B = 0 B R VCC VBE + ( β +1) R B E Circuito da malha base-emissor

22 Polarização Resistor de Emissor Apartir da Figura abaixo e usando a malha de saída (ou do coletor), tem-se: V CE + ERE VCC + CRC = 0 E C V = VCC ( R + R ) E CE C C C V R CC C V + R CE E Circuito da malha coletor-emissor. Csat = V R + C CC R E V CEcorte = V CC 22 22

23 Linha de carga características do circuito. Polarização Linha de Carga 23 23

24 Polarização Linha de Carga Exemplo: Para o circuito da Figura abaixo, determine B ; C ; V CE ; V C ; V E ; V B e V BC. Resp.: B = 40,1 µa; C = 2,01 ma; V CE = 13,97 V; V C = 15,98 V; V E = 2,01 V; V B = 2,71 V; V BC = -13,22 V

25 Polarização Linha de Carga Solução: 20 0,7 C = 2, 01mA ,01.10 B = = 40,2µA

26 Polarização Linha de Carga Solução: 26 26

27 Polarização Linha de Carga Exemplo: Calcule o valor da corrente de saturação do coletor na Figura abaixo. A seguir, calcule a corrente do coletor para os valores β CC = 100 e β CC = 300. Resp.: 27 27

28 Polarização Linha de Carga Solução: A corrente saturada do coletor é Quando β CC = 100: 15 Csat = = 14, 9mA ,7 C = = 3, 25mA /100 Quando β CC = 300: 15 0,7 C = = 9, 33mA /

29 Polarização Divisor de Tensão É a polarização mais usada em circuitos lineares. Os resistores R 1 e R 2 formam um divisor de tensão. O efeito da variação do β CC é compensado estabilidade

30 Polarização Divisor de Tensão Se os parâmetros do circuito forem escolhidos apropriadamente, os níveis resultantes de CQ e V CEQ tornam-se quase que independentes de β CC. O valor de BQ varia com β CC, mas o ponto Q permanece fixo (usando parâmetros adequados)

31 Polarização Divisor de Tensão Análise exata Análisando o circuito, pode-se redesenhar o circuito de entrada

32 Polarização Divisor de Tensão Análise exata Obtem-se a resistência de Thevenin fazendo R 1 em paralelo com R 2. A tensão de Thevenin é obtida pelo divisor de tensão. R R R TH = TH CC R1 R R1 + R2 2 V = R V 32 32

33 Polarização Divisor de Tensão Análise exata nserindo o circuito equivalente de Thevenin. E V TH V R E BE Pois B é muito pequena 33 33

34 Polarização Divisor de Tensão Análise exata Do circuito de entrada: E TH B R TH E R E V BE = 0 Exemplo: Determine c e V CE para o circuito da figura abaixo: Com E (β+1) B : B = R TH E + TH V BE ( β +1) R E Similar ao caso de polarização fixa: V CE = V C( RC + RE) CC R/. c = 0,85 ma V CE = 12,22 V. 34

35 Polarização Divisor de Tensão Se o divisor de tensão for bem projetado, pode-se obter a estabilização do circuito. V BE + ERE VTH + BRTH E B β E R CC V + E TH VBE R β TH CC = 0 Para o divisor de tensão estabilizado: R TH 0,01β CC R E Se R E 100.(R TH /β CC ), então: E V TH V R E BE Nota: - o β CC desapareceu! (ainda que aproximada/.) 35 35

36 Polarização Divisor de Tensão Análise aprox. Na figura, R i representa a resistência de entrada equivalente entre a base e gnd ( [β+1]r E ). Considerando R i >> R 2 : 1 2. Portanto, R 1 e R 2 estão em série. A tensão na base (tensão através de R 2 ) é: V B = R2VCC R 1 + R 2 Regra do divisor de tensão A aproximação é válida para βr E 10R 2 36

37 Com V B já determinado: Polarização Divisor de Tensão Análise aprox. V E = V B V BE E a corrente de emissor é dada por: VE E = RE portanto: CQ E Também: V CEQ = VCC C( RC + RE) Observe novamente que β não aparece nos cálculos. Assim, o ponto de operação é independente de β como anteriormente dito. Exercício: Refaça o exercício anterior usando a análise aproximada. 37

38 Polarização com realimentação de tensão Apresenta sensibilidade a variações de β ou da temperatura, menor daquelas com emissor polarizado e divisor de tensão. A análise é similar aos casos anteriores. Corrente de base: V CC V BE β B R C B R B β B R E = 0 Resolvendo para a corrente de base: B = R B VCC VBE + β ( R + RC) E Assim, há reflexão de R C e R E para o circuito de entrada!!. 38

39 Polarização com realimentação de tensão Análise da malha coletor-emissor: E R E + V CE + CR C V CC = 0 Com C C, e E C, tem-se: C ( R + R E ) + V CE V CC = C 0 Portanto,: V CE = V CC C ( R C + R E ) Com R C e R E refletidas para o circuito de entrada a sensibilidade do circuito a variações de β e variações de temperatura é menor. 39

40 Configurações combinadas As configurações anteriormente estudadas não são únicas. Existem muitas outras. Na análise é útil encontrar a corrente de base (como feito anteriormente) e com essa corrente calcular a corrente de coletor (as características do circuito de saída). Exemplo: O circuito é o mesmo com realimentação de tensão excluindo o resistor de emissor. Portanto, elimine R E nas expressões obtidas para essa configuração: B = V R CC B V + β R BE C Substituindo valores: B = 15,51 µa, e C = β B = 1,86mA. V CE = V CC C R C V CE = 11,26 V V B = V BE = 0,7 V 40

41 Configurações combinadas Seguidor de emissor (coletor comum). Determinar E e V CEQ. LDK no circuito de entrada: B R B V BE E R E + V EE = 0 Resolvendo para B, com E = (β+1) B : B = R B V + EE V BE ( β + 1) R Assim: B = 45,73 µa C = β B = 4,12 ma E LDK para o circuito de saída ( E = (β+1) B ): V EE + E R E + V CE V CE = V EE ( β + 1) V CE = 11,68 V E = 4,16 ma = B 0 R E 41

42 Procedimento de Projeto O projeto de circuitos com transistor consiste no procedimento contrario ao descrito até aqui (problema de análise). Basicamente, devem ser encontrados os valores de alguns componentes dos circuitos a partir de dados conhecidos. Exemplo: Determinar V CC, R B e R C no seguinte circuito Da reta de carga: V CC = 20 V C = V CC /R C, e portanto, R C = V CC / C = 20V/8 ma R C = 2,5 KΩ B = (V CC V BE )/R B, e assim, R B = (V CC V BE )/ B = = (20 0,7)/40 µa = 482,5 KΩ 42

43 Procedimento de Projeto Exemplo: Dado que CQ = 2 ma e V CEQ = 10 V, determine R 1 e R C para o circuito da seguinte figura: V E = E R E C R E = (2 ma)(1,2 KΩ) = 2,4 V Conhecido V E, pode-se calcular a tensão na base: V B = V BE + V E = 0,7V + 2,4 V = 3,1 V V B = (R 2 V CC )/(R 1 + R 2 ) = 3,1 V Resolvendo para R 1 (dados necessários conhecidos): R 1 = 86,52 KΩ Para R C : R C = V RC / C = (V CC V C )/ C V C = V CE + V E = 10 V + 2,4 V = 12,4 V R C = (18V 12,4 V)/(2 ma)= 2,8 KΩ 43

44 Procedimento de Projeto Exemplo: Determine os valores dos resistores para o circuito da seguinte figura: Visto que a malha de coletor envolve duas variáveis (R C, e R E ), é necessário estabelecer um critério de projeto. Usualmente se escolhe o valor da tensão V E como (1/10) da tensão da fonte. Obs: R E não pode ser muito grande pois limitaria a excursão de coletor para emissor (V CE ). R/. V E = (1/10)V CC = 20/10 = 2 V B = C /β = (2 ma)/150 = 13,33 µa R E = V E / E V E / C = (2 V)/ (2 ma) = 1 KΩ R B = V RB / B = (V CC V BE V E )/ B R B = (20 V 0,7 V 2 V)/(13,33 µa) R C = V RC / C = (V CC V CE V E )/ C = (20 V -10 V 2 V)/(2 ma) R C = 4 KΩ R B = 1,3 MΩ 44

45 Estabilização da polarização Define-se Estabilidade de um sistema como a medida da sensibilidade de um circuito a variação de seus parâmetros. A corrente de coletor pode apresentar sensibilidade a qualquer um dos seguintes parâmetros: - β aumenta com a temperatura - V BE diminui 7,5 mv/ o C - CO dobra de valor a cada 10º de aumento da temperatura. T = 25 o C T = 100 o C Efeito da variação em CO e β sobre o ponto de operação 45

46 Fatores de estabilidade Estabilização da polarização S( CO ) = C / CO S(V BE ) = C / V BE S(β) = C / β Quanto maior o valor do fator de estabilidade, mas sensível será o circuito a variações desse parâmetro. S( CO ) Configuração polarização de emissor: S( CO 1+ RB / RE ) = ( β + 1) ( β + 1) + RB / R E Menos estável Se R B /R E >> (β+1) S( CO ) (β+1) Se R B /R E << 1 S( CO ) 1 Se R B /R E está entre 1 e (β+1) S( CO ) R B /R E Mais estável 46

47 Aplicações Acionador de Relé: O transistor é utilizado para fornecer a corrente necessária para acionar o relé quando um pulso positivo é aplicado na base. Ao desligar o transistor, a bobina desenergiza e pode ocorrer o problema relacionado à tensão induzida: VL = LdiL / dt Para mitigar o problema, usa-se um diodo de proteção como indicado na figura; 47

48 Aplicações Sistema de alarme com fonte de corrente constante: O circuito de polarização com divisor de tensão pode ser utilizado nesse tipo de aplicação, visto que possui baixa sensibilidade a β. Visto que βr E = (100)(1 KΩ) = 100 KΩ >> R 1, então: VR R1V CC R1 + R 2KΩ(16V ) 2KΩ + 4,7KΩ 1 = = = 2 4,78V 48

49 Assim, V RE = V R1 0,7 V = 4,78 V 0,7 V = 4,08 V Aplicações A corrente de emissor e de coletor: E = V RE /R E (4,08 V)/(1 KΩ) = 4,08 ma 4 ma = C C = 4 ma permanecerá relativamente constante para pequenas variações na carga. Essa corrente passa por sensores e entra no amp-op para comparação com a corrente de 2 ma fixa (valor de referência). Em quanto C permanecer constante ( 4 ma), a saída do amp-op terá um valor típico de 14,2 V. Se a corrente de coletor cair abaixo de 2 ma, a saída do amp-op cairá para 0,1 V. Esse valor baixo de tensão acionará o alarme. 49

50 Exercícios Para os exercícios 1 e 2, assinale a alternativa correta. 1) O ganho de corrente de um transistor é definido como a razão da corrente do coletor pela a. Corrente de base. b. Corrente do emissor. c. Corrente da fonte. d. Corrente do coletor. 2) Se o valor do resistor da base for muito baixo, o transistor operará na a. Região de corte. b. Região ativa. c. Região de saturação. d. Região de ruptura

51 Exercícios 3) Quais são os valores da corrente de saturação e da tensão de corte na Figura abaixo? Resp.: Csat = 10 ma; V CEcorte = 30 V

52 Exercícios 4) Na Figura abaixo, qual será a tensão entre o coletor e o terra se o ganho de corrente for de 200? Resp.: V CE = 13,86 V

53 Exercícios 5) Qual é a tensão no coletor na Figura abaixo? E a tensão no emissor? Resp.: V C = 10 V; V E = 1,8 V

54 Exercícios 6) Para o circuito ao lado, determine, B, R B, R C, E e R E. Dados do Transistor Dados do Projeto V BE = 0,7 V β = 100 V CC = 10 V V CE = 50% de V CC V RE = 10% de V CC C = 20 ma 54 54

55 Exercícios 7) Determine R B e R C, para o transistor inversor da Figura ao lado, se Csat = 10 ma. 8) Com base nas leituras fornecidas na Figura ao lado, determine se o circuito está operando adequadamente e, caso não esteja, indique a provável causa. Lembrete se o circuito estiver operando adequadamente teremos: 55 55

56 Exercícios 9) Determine a tensão V CE e a corrente C de polarização CC para a configuração do divisor de tensão da Figura a seguir. Resp.: V CE = 12,22 V C = 0,85 ma 56 56

57 Exercícios 10) Dada a curva característica do dispositivo da Figura a seguir, determine V CC, R B e R C para a configuração com polarização fixa da Figura a seguir. Resp.: V CC = 20 V R B = 470 Ω R C = 2,4 kω 57 57

58 Exercícios 11) Dado que CQ = 2 ma e V CEQ = 10 V, determine R 1 e R C para o circuito da Figura. Resp.: R 1 = 86,52 Ω R C = 2,8 kω 58 58

59 Exercícios 12) A configuração com polarização do emissor da Figura a seguir tem as seguintes especificações CQ = 0,5. Csat, com Csat = 8 ma, V C = 18 V e β = 110. Determine R C, R E e R B. Resp.: R C = 2,5 kω R E = 1 kω R B = 639,8 kω 59 59