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Transistor Bipolar de JunçãoTBJ
Cap. 4 Sedra/SmithCap. 2 Boylestad
Cap. 6 a 8 Malvino
Modelos do TBJPolarização – Ponto Q
Notas de Aula SEL 313Circuitos Eletrônicos 1
Parte 21o Sem/2015 Prof. Manoel
( 2 aulas )
Modelos do TBJ(região ativa)
A partir do modo de operação chega-se aos modelos fundamentais ( Base-Comum) em (a) o Coletor se comporta como uma fonte de corrente controlada
pela tensão vBE. em (b) essa fonte é controlada pela corrente iE. os terminais B e E são sempre polarizados diretos com uma tensão ~0,7V
Figura 2.21 Modelo grandes sinais do caso NPN em Base-Comum.
Modelos do TBJ (região ativa)Para o caso da configuração Emissor-Comum:
- em (a) novamente uma fonte de corrente controlada pela tensão vBE.- em (b) fonte controlada pela corrente iB.- vBE ~ 0,7V
Figura 2.22 Modelo grandes sinais do caso NPN em Emissor-Comum.
Transistor PNP(dual do NPN)
Corrente predominante lacunas
Mesmo tipo de operação
Mesmo equacionamento
B
E
C
EBv TEB
vv
SeI+
-
DB
SI
iB iC
iE
Figura 2.23 Estrutura do TBJ PNP.Figura 2.24 Modelos fonte de corrente controladas do TBJ PN Pem Emissor-
Comum.
Simbologia e Convenções
Figura 2.25 Símbolos para os transistores NPN e PNP e convenção de correntes.
Resumo equações dos TBJs
BEC iii
BE ii )1( 1)1(
EEB
iii
1 1
TBE
Vv
SCE eIii
TBE
Vv
SCB eIii
TBE
Vv
SC eIi (2.6-a)
(2.6-b)
(2.6-c)
(2.6-d)
(2.6-e)
(2.6-f)
(2.6-g)
(2.6-h)
Corrente de coletor Corrente de base
Corrente de emissor
Corrente de baseCorrente de emissor
Corrente de coletor
Ganho corrente CCEmissor-comum
Ganho corrente CCbase-comum
Área de operação típica
Figura 2.26 Área de operação segura na região Ativa – SOA Safety Operating Area
Limites de Tensão, Corrente e Potência
Efeito EarlyRelaciona dependência de iC com vCB :
Aumento de vCB aumenta deplexão em JBC e diminui largura efetiva da base e isto aumenta IS, conseqüentemente iC.
A
CEVv
SC VveIi T
BE
1
Inclinação das curvas determina uma resistência de saída : r0 C
A
CtevC
CEIV
ivr
BE
.
0
Figura 2.27 Característica de saída NPN revelando dependência de vCB
(2.7)
(2.8)
Polarização do TBJ – Ponto de Operação CCNeste caso, considera-se apenas as fontes de tensão e de corrente CC do
circuito de POLARIZAÇÃO.Polarização do TBJ : Ajustes das tensões e correntes para um ponto de
operação : Por exemplo Região Ativa
Figura 2.28 - Pontos de Operação na Região Ativa.
Possíveis pontos de operaçãona Região Ativa
Circuitos com TBJAnálise CC do ponto de operação (real)
Ajuste dos resistores externos para garantir as tensões e correntes
desejadas.Para a região ativa a junção JBE é sempre direta com ~0,7V e a
junção JCB deve ser sempre reversa.
EXEMPLO 2.1 – Deseja-se IC = 2mA e VC = 5V, sendo que = 100 e VBE = 0.7V se IC = 1mA.
Obter RC e RE para o ponto de de operação desejado.
Solução : Assumir Região Ativa :(i) VBE = 0.7V e(ii) JCB reversa
Figura 2.29 (a) - Exemplo 2.1
Exemplo 2.1P/ VC = 5V VRC = 10V, ou seja:
V10515 CccRC VVV
ou, com IC = 2mA, tem-se :
KI
VRC
RCC 5
Se IC = 2mA e = 100, então :
KI
VVI
VRE
ccE
E
REE 079,7
Por outro lado, VE = -VBE = -0.7V ! Assim :
mAIII
AmII
BCE
CB
02,2
201002
Figura 2.29 (b) - Solução Exemplo 2.1
Exemplo 2.1Para ser mais exato, pode-se obter o valor real de VBE quando IC = 2mA !!!
AI
eI
S
S16
025,07,0
10.9144,6
mA1
e assim , com IC = 2mA,
VVemA
BE
VBE
7173,010.9144,62 025,016
KmI
VVRE
ccEE 071,7
02,2)15(7173.0
O novo valor de RE resulta então:
Aqui a JCB está claramente reversa por 5 V e o TBJ se encontra na Região Ativa. Se os cálculos determinasse uma JCB direta, há que se ignorar tudo e refazer como se o TBJ estivesse na SATURAÇÃO.
Exercício 2.1
Obter as tensões e correntes nodais, sendo = 50 e VE = -0.7V
Se VB = 1,0V e VE = 1,7V obter , e VC
Figura 2.30 (b) - Exercício 2.1 (b)Figura 2.30 (a) - Exercício 2.1 (a)
Exemplo 2.2Obter as tensões e correntes nodais, sendo = 100
Solução : Assumindo Região Ativa :(i) VBE = 0.7V e(ii) JCB deve ser reversa
Duas malhas de circuito :
???) ( V10V4
CEEECECC
EEBE
VIRVIRIRV
Figura 2.31 - Exemplo 2.2.
Da 1a. Malha de circuito:Exemplo 2.2 Cont.
mA 0,1K3,3V3,3V4
E
E
E
BEE R
VR
VI
mA99,0mA11100
1001
EEC III
No coletor, VC vale:
V3,5mA99,0K7,410V10 CCC IRV
Verificação Região Ativa (?) :
V3,1V4V3,5 BCBC VVVREVERSA !! Reg.Ativa OK
Corrente de Base :
mA01,01
CECE
B IIIII
Exemplo 2.2 Cont.Solução Final :
VB = 4 V VC = 5,3 V VE = 3,3 V
IB = 10 A IC = 0.99 mA IE = 1 mA
Figura 2.32 - Exemplo 2.2 solução final.
Exercício 2.2
Mostre que no caso (a) o TBJ está Saturado e no caso (b) o TBJ se encontra em Corte. (= 100)
( a ) ( b )Figura 2.33 - Exercício 2.2
Exemplo 2.3Encontrar as tensões e correntes nodais a seguir, sendo = 100.
Solução
Figura 2.34 - Exemplo 2.3
Exemplo 2.4Encontrar as tensões e correntes nodais a seguir, sendo = 100.
Solução
Figura 2.35 - Exemplo 2.4
Dependência do ganho As topologias de polarização dos exemplos 2 a 4 são bastante afetadas com o valor de .Se o ganho dos transistores mudar em +100%, os resultados seriam:
VC IC IB(V) (mA) (A)
= 100 5,35 0,99 102 = 200 5,32 0,995 4,975
% 100 0,50 0,43 50
= 100 -5,4 4,6 462 = 200 -5,37 4,63 23,1
% 100 0,497 0.497 49,7
= 100 1,4 4,3 432 = 200 (-7,2) 8,6 43
% 100 ( ?? ) 100 0 Saturado !!!Exe
mpl
o 4
Exe
mpl
o 3
Exe
mpl
o 2
Os exemplos 2 e 3 ( com DUPLA APLIMENTAÇÃO) promovem pequenas alterações em IC e VC e grande alteração em IB.
O exemplo 4 (ALIMENTAÇÃO SIMPLES e sem RE) promovem grandes alterações em VC e IC não afetando IB. Num caso de RE ≠ 0, IB também se altera, porém diminui a influência de .
O valor de de muitos fabricantes pode variam em amplas faixas para um mesmo tipo de TBJ ( tipicamente entre 100 e 300).
Para evitar ou minimizar o a influência de com Alimentação Simples, a topologia de Polarização Automática é uma opção.
Esta configuração é vista nos exemplos 5 e 6 a seguir.
Dependência do ganho
Exemplo 2.5Obter as tensões e correntes nodais para = 100.
Neste tipo de circuito, inicialmenteprocede-se uma simplificação de circuitoatravés da substituição do trecho (VCC,RB1, RB2 e Terra) por um Equivalente deThévenin resultando numa fonteVBB=VTh e RBB = RTh.
RB1
RB2
Figura 2.36 (a) -Exemplo 2.5 Figura 2.36 (b) - Equivalente
Thévenin
Exemplo 2.5 Cont.Obtenção do Thévenin equivalente de base.
RB2
RB1VTh
RB1RB2
k33,33
// 21 BBThBB RRRR
V5
221
BBB
CCThBB R
RRVVV
EEBEE
BB
EEBEBBBBB
IRVI
R
IRVIRV
1
mA 291,1)1(
BB
E
BEBBE RR
VVI
mA 278.1
A 78,12)1(
BC
EB
II
II
CCCCC
EEBEB
IRVV
IRVV
V 57,4
Solução do circuito :
Figura 2.37 (a) - Obtenção de RTh Figura 2.37 (a) - Obtenção de VTh
Figura 2.38 - Exemplo 2.5 simplificado.
B B
Exemplo 2.5 Cont.Finalizando : ( como o coletor está mais positivo que a Base
Região Ativa OK )
Figura 2.39 - Solução final do exemplo 2.5.
Exemplo 2.6Obter tensões e correntes nodais. Ambos TBJ com = 100.
O primeiro estágio (de Q1) é o mesmo do exemplo 5 e já foi
calculado. Este é um exemplo de circuitos acoplados diretos que podem
alterar seus próprios pontos de operação assim que se conectam.Cada caso deve ser analisado de
forma individual.
Figura 2.40 - Exemplo 2.6
Exemplo 2.6 Cont.No caso em questão pode se assumir que IB2 é tão pequena em relação a IC1
tal que o primeiro estágio não é afetado, ou seja, IC1 = 1,277 mA e VC1 = 8,61 V. Desta forma vale então:
V 3,97,06,8212
21
EBCE
BC
VVV
VV
V 62,7
mA 82,21
mA 85,215
222
222
2
22
CCC
EEC
E
EE
IRV
III
RVI
Desde que a base está mais positiva que o coletor, Q2 também está em modo ativo e vale então:
A 5,281
22
E
BII
e, realmente, IB2=28 A <<< IC1=1.28 mA
Exemplo 2.6 Cont.Pode-se agora refinar os cálculos, estabelecendo então que :
mA 252.1A 5,28mA 28.1211 BCRC III
Portanto, o novo valor de VC1 = VB2 será :
V 74,81112 RCCCCCB IRVVV
Refazendo-se todos os cálculos, chega-se a :
A 5,27V 43,7mA 75,2mA 78,2V 44,9
2
2
2
2
2
B
E
C
E
E
IVIIV
Repetir ?!
Exercício 2.3
( A ) - Para o circuito da figura 2.31, avalie o maior valor da tensão debase VB para que o TBJ permaneça na região ativa.
( B ) – Recalcule o circuito da figura 2.31 para se obter IC = 0.5 mA e ajunção JCB reversa em 2V.
( C ) – Avalie o maior valor possível de RC no circuito da figura 2.34para que o TBJ permaneça na região ativa.
( D ) – Recalcule o circuito da figura 2.34 para que se obtenha IC = 1mA e a junção coletor-base reversa em 4V.
( E ) - O circuito da figura 2.35 deve usar um transistor cujo variaentre 50 e 150. Qual deve ser o valor de RC para que se garanta aoperação na região ativa. Neste caso qual a possível variação de VC.
Exercício 2.4( A ) – Se no circuito da figura 2.36 for usado um TBJ com =50, qual
será o novo valor de IC e sua variação percentual.
( B ) – No circuito da figura 2.40 calcule a corrente total drenada dafonte e qual a potência total dissipada no circuito.
( C ) – Ainda com relação ao circuito da figura 3.40, deve-se agregar oestágio a seguir tal que a base de Q3 seja conectada no coletor deQ2. O transistor Q3 tem =100. Deseja-se os valores de VC2(reavaliado) , de VE3 e de IC3.
Para o coletorde Q2 na
figura 2.37
Figura 2.41 - Exercício 2.4-C
Exercício 2.5Resolver os casos a seguir, obtendo todas tensões e corren-
tes nodais. ( fonte : Boylestad) ( ignore os capacitores)
Figura 2.42 - Exercício 2.5.
BibliografiaCONTEÚDO:
SEDRA : Pgs. 227 a 239
BOYLESTAD : Pgs. 119 a 129
MALVINO : Pags. 203 – 267
EXERCÍCIOS
SEDRA : Exs. 4.1 a 4.7 Pgs. 319 a 320
BOYLESTAD : Exs. 1 a 39 Pgs. 7 a 118
MALVINO : Exs. 6.1 a 6,24 Pgs.219 a 220
Encontrar tensões e correntes nodais, VBE, VCE, VCB e para cada circuito.
VBE =VCE =VCB =IC =IB =IE = =
VBE =VCE =VCB =IC =IB =IE = =
VBE =VCE =VCB =IC =IB =IE = =