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ESCOLA TÉCNICA
REZENDE-RAMMEL
CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICADA I NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___ POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR BIPOLAR Os transistores para que funcionem com amplificadores necessitam de uma polarização que determine o ponto de trabalho ou ponto quiescente. POLARIZAÇÃO FIXA DE BASE Malha de entrada
VCC − VRB − VBE = 0 VRB = IBRB VCC − VBE IB = RB
Malha de saída
VCC − VRC − VCE = 0 VRC = ICRC VCC − VCE IC = RC
Este é o pior método para polarizar um transistor para que ele funcione linearmente, pois o ponto Q é instável, ficando o circuito muito dependente do β e da temperatura. Exemplo: Determine o valor de RC e RB no circuito de polarização de base apresentado utilizando os seguintes dados: VCC=10V Malha de saída VCE=5V IC=10 mA 10V − 5V VCC − VCE β=100
RC =
IC
RC =
10mA
RC = 500Ω
Malha de entrada
10 × 10 −3 A IB = IB = 100 β VCC − VBE 10V − 0,7V 9 ,7V = RB = = = 97 KΩ IB 100µA 100µA IC
ELIÉSIO
IB = 100µA
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[email protected] POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DO EMISSOR
Malha de saída
VCC − VRC − VCE − VRE = 0 VRC = ICRC VRE = IERE IC ≅ IE VCC − VCE IC = RC + RE
Malha de entrada
VCC − VRB − VBE − VRE = 0 VRB = IBRB VCC − VBE IC IB = IC ≅ RB β RE +
β
IE ≅ IC
Esta polarização dá ao circuito uma estabilização térmica, porém, permanece dependente de β.
Exemplo: Determine o valor de RC, RB e RE no circuito com polarização com realimentação pelo emissor apresentado utilizando os seguintes dados: VVC= 10V VCE= 5V IC = 5mA β = 100 RC=10RE
Malha de saída
VCC = VRC + VCE + VRE VRC = ICRC VRE = IERE COMO IC = IE Æ VRE = ICRE VCC = ICRC + VCE + ICRE → VCC − VCE = 10 ICRE + ICRE 10V − 5V = 11ICRE → 5V = RE (11 × 5mA) → 5V = RE ( 55mA) 5V RE = = 90,90Ω RC = 10 RE = 10 × 90,90Ω = 909,09Ω 55mA Malha de entrada
VCC = VRB + VBE + VRE VRB = VCC − VBE − VRE = 10V − 0,7V − 0,90 = 8,4V VRB IC 5mA RB = COMO IB = = = 0,05mA = 50µA IB 100 β 8,4V RB = = 168 KΩ 50µA
ELIÉSIO
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[email protected] POLARIZAÇÃO EM REALIMENTAÇÃO DE COLETOR
Malha de saída
VCC − VRC − VCE = 0 VRC = ( IC + IB ) RC como IC >> IB VRC ≅ ICRC VCC − VCE IC ≅ RC Malha de entrada
VCC − ( IC + IB) RC − IBRB − VBE = 0 IC IB =
β
IC ≅
VCC − VBE RB RC +
β
A polarização com realimentação do coletor é um pouco mais eficiente do que a polarização com realimentação do emissor, porém o circuito ainda fica sensível a variações de β. Uma metodologia prática para esta polarização é no momento do projeto fazer
RB = βRC
Exemplo: Determinar o valor de RC e RB no circuito de polarização por realimentação de coletor utilizando os seguintes dados:
VCC=10V VCE=5V VBE=0,7V IC=5mA β=100
Mlha de saída
VCC = VRC + VBE VRC = VCC − VCE = 10V − 5V = 5V VRC 5V RC = = = 1KΩ IC 5mA
Malha de entrada
RB = βRC = 100 × 1KΩ = 100KΩ POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO Malha de entrada
VB =
Î
Divisor resistivo na base
VCC × R2 R1 + R2
RB = R1 / / R2
ELIÉSIO
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[email protected] DIVISOR DE TENSÃO ESTABILIZADO
VB − IBRB − VBE − IERE = 0 IE Como IC ≅ IE , teremos IB ≅
β
IE ≅
VB − VBE RB RE +
β
Se RE for 100 vezes maior do que
IE ≅
RB
β
este termo pode ser desprezada e a equação ficará
VB − VBE RE Quando RB<0,01βRE o circuito ficará estabilizado mesmo usando β mínimo do transistor.
Malha de saída
VCC − VRC − VCE − VRE = 0 VRC = ICRC IE = IC VRE = ICRE VCC − VCE IC = RC + RE Neste tipo de polarização são usadas certas regras práticas para projetos que farão o ponto Q estável.
VE = 0,1VCC VE RE = IE VCE = 0,5VCC RC = 4 RE R2 < 0,01β . RE VR R1 = 1 × R2 VR2
Esta regra pode ser usada para outros circuitos.
Desta forma o ponto ficará no meio da reta de carga. Para um divisor de tensão estabilizado.
Exemplo: Determine o valor de RC, RE, R1 e R2 no circuito de polarização com divisor resistivo na base utilizando os seguintes dados: Malha de entrada VCC=10V VCC = VRC + VCE + VRE COMO VRE = 0,1VCC = 0,1 × 10V = 1V VCE=5V IC=5mA VRC = VCC − VCE − VRE → VRC = 10V − 5V − 1V = 4V β=100 VRC 4V
VRC = IC × RC → RC =
RE = VRE IE
COMO
IC → RC =
IE = IC = 5mA
R 2 = 0,01βRE = 0,01 × 100 × 200 = 200Ω VR1 × R2 R1= VR2 VR 2 = VRE + VBE = 1V + 0,7 = 1.7V VR1 = VCC − VR 2 = 10V − 1,7V = 8,3V 8,3V × 200Ω R1 = = 976,47Ω 1,7V
ELIÉSIO
5mA = 800Ω RB = 1V 5mA = 200Ω
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[email protected] ANÁLISE DE DEFEITOS NO TRANSISTOR BIPOLAR
Um componente em curto é equivalente a uma resistência zero, enquanto que um componente aberto é equivalente a uma resistência infinita. Quando analisamos um transistor bipolar a resistência entre base-coletor e base-emissor pode estar em curto ou aberta. ANALISANDO O CIRCUITO ABAIXO TEREMOS;
Para Î β=100 e VBE=0,7V
IB =
VBB − VBE 15V − 0,7V = = 30,42 µA RB 470K
IC = βIB = 100 × 30,43µA = 3,04 mA VRC = IC × RC = 3mA × 1K = 3V VC = VCE = VCC − VRC = 15V − 3V = 12V VCB = VCE − VBE = 12V − 0,7V = 11,3V VERIFICAÇÃO: VBE ± 0,7V Æ funcionando VBE << 0,7V Æ corte VBE >> 0,7V Æ saturado
VCE ± 0,5VCC Æ funcionando VCE << 0,5VCC Æcorte VCE >> 0,5VCC Æ saturado
ANÁLISE DOS TRANSISTORES BIPOLARES
Os transistores são normalmente utilizados como elemento de amplificação de corrente ou tensão, como elemento isolador de estágios, como elemento casador de impedância, como elemento chaveador, etc. AS VARIAÇÕES NO GANHO DE CORRENTE
Devido as tolerância de fabricação, o ganho de um determinado tipo de transistor pode variar dentro de uma faixa de 3:1 quando é trocado por outro de mesmo tipo. Nas folhas de dados dos fabricantes de transistores bipolares podemos observar que são fornecidos os valores de hFE mínimo e hFE máximo par uma determinada corrente de coletor. Se forem montados circuitos iguais com o mesmo tipo de transistor poderemos notar uma variação no ganho dos transistores numa proporção de 3:1, provocando uma variação muito grande no resultado final. Outros fatores que afetam o ganho dos transistores bipolares são a corrente de coletor e a temperatura de funcionamento da junção. GANHO DE CORRENTE DE UM TRANSISTOR BIPOLAR
hFE 200 125º C 100
25º C
70 −55º C
50 30 20
10
IC(ma) 0.1
ELIÉSIO
1.0
10
1
200
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[email protected] Exemplo; Para o transistor didático apresentado qual o ganho de corrente na temperatura de 25ºC para as correntes de coletor de 0.1, 1, 10 e 100 mA?
Analisando o gráfico podemos notar que: 0,1 mA=50 1 mA = 90 10 mA = 105 100 mA = 60
2.6.1 RETA DE CARGA Para uma análise gráfica do transistor bipolar é utilizado o processo da reta de carga, que é formada por uma linha que corta as curvas características de coletor, para mostrar cada um dos possíveis pontos de operação de um transistor. Ao definir a reta de carga, são marcados dois pontos de máxima: PONTO DE CORRENTE MÁXIMA Î(VCE=0)
É definido pelo valor de saturação do circuito. A reta intercepta a região de saturação das curvas do transistor. Na saturação a tensão entre coletor e emissor é muito pequena, ± 0,3Volts, que na prática é considerado zero volt. No exemplo teremos para corrente de coletor de saturação: FAZENDO VCE=0 Î ICsat =
VCC − VCE 15v − 0 = = 5mA RC 3k
PONTO DE TENSÃO MÁXIMA Î(IC=0)
É definido pelo valor de tensão de corte do circuito. A reta intercepta a região de corte das curvas características do transistor. No corte a corrente de coletor é muito pequena (ICBO) e na prática é considerado zero. No exemplo teremos para tensão de corte: FAZENDO IC=0 Î VCEcorte = VCC = 15V
ICSATURAÇÃO para VCE=0 IC=VCC/RC IC(mA) 5 • 4 3 2 1 0 0
5
10
• 15
VCE 20
VCECORTE como IC=0 VCE=VCC PONTO QUIESCENTE
O ponto quiescente define o ponto de operação do circuito. Ë o ponto sobre a reta de carga onde estará fixada a polarização estática do circuito. Então polarizar u circuito é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro das suas curvas características. ELIÉSIO
6
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[email protected] PLOTANDO O PONTO Q GRAFICAMENTE
Para que o ponto Q possa ser encontrado graficamente é necessário trabalhar com as curvas características do transistor. Estas curvas são fornecidas pelo fabricante ou traçadas através de equipamentos traçadores de curvas características Obtemos a corrente de saturação e a tensão de corte definindo os dois pontos de máximos conforme já verificado. PrimeiroÆ Visualize um curto entre os terminais de coletor e emissor. Então, toda a tensão de alimentação do coletor aparece no resistor do coletor, o que significa que a corrente saturação de coletor é de 5mA. SegundoÆ Visualize os terminais entre coletor e emissor aberto. Não há corrente e toda a tensão de alimentação aparece nos terminais coletor-emissor, o que significa que a tensão de corte é de 15V. Unindo o ponto da corrente de saturação com ao ponto da tensão de corte, teremos a reta de carga do circuito. Considerando o valor de VBE=0,7V (processo prático que irá provocar um erro considerado desprezível) podemos calcular o valor da corrente de base no ponto quiescente (sem sinal aplicado)
IBQ =
VBB − VBE 15V − 0,7 14 ,3V = = = 30,42 µA RB 470K 470K
Sabendo que a corrente injetada na base é de 30µA podemos graficamente plotar o ponto em esta curva toca a reta de carga. Assim traçando uma perpendicular ao eixo das corrente passando pelo ponto encontramos a tensão de coletor quiescente (VCEQ) Traçando uma perpendicular ao eixo das tensões passando pelo ponto encontramos a corrente de coletor quiescente (ICQ). IC(mA) 5
30µA 3 0 BC548
BD135
12
15
VCE(V)
BF495
PLOTANDO O PONTO Q MATEMATICAMENTE
Para que o ponto quiescente possa ser calculado matematicamente torna-se necessário que alguns dados sobre o transistor seja fornecido. Como β do transistor, corrente de coletor, tensão de coletor, etc. Por exemplo, para um β=100. Como temos IBQ=30µA • O valor da corrente de coletor quiescente será:
ICQ = IBQ × β = 30µA × 100 = 3mA
Como VRC = IC × RC = 3mA × 1K = 3V • O valor da tensão entre coletor e emissor quiescente será:
VCEQ = VCC − VRC = 15V − 3V = 12V
ELIÉSIO
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[email protected] Exemplo 1: No circuito abaixo monte a reta de carga e determine os pontos quiescentes para os valores de β=100 e β=300. Corrente de saturação
VCE = 0
ICSAT =
VCC 15V = = 14 ,9 mA RC + RE 910Ω + 100Ω
Tensão de corte
IC = 0
VCC = VCE
VCE = 15V
β = 100 15V − 0,7V VCC − VBE = = 3,25mA 430KΩ RB 100Ω + RE + β 100 β = 300 15V − 0,7V VCC − VBE = = 9 ,33mA IC = 430KΩ RB 100Ω + RE + 300 β IC =
IC(mA)
14,9
β=300
9,33 β=100
3,25 VCE(V) 15 Exemplo 2: No circuito abaixo determine a reta de carga e os pontos quiescentes para β=300 e β=100.
Corrente de saturação
VCE = 0
ICSAT =
VCC 15V = = 15mA RC 1KΩ
Tensão de corte
IC = 0 VCE = VCC = 15V
β = 100 IC =
15V − 0,7V VCC − VBE = = 4 ,77 mA 200KΩ RB 1KΩ + RC + 100 β
β = 300 IC =
ELIÉSIO
15V − 0,7V VCC − VBE = = 8,58mA 200KΩ RB 1KΩ + RC + 300 β
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[email protected] IC(mA)
15 β=300
8,58 β=100
4,77 VCE(V) 15 Exemplo 3: No circuito abaixo desenhe a linha de carga e defina o ponto Q. Corrente de saturação
VCE = 0 30V VCC IC = = = 8mA RC + RE 3KΩ + 750Ω
Tensão de corte
IC = 0 VCE = VCC = 30V
Tensão de base
VB =
VCC × R1 30V × 1KΩ = = 3,85V R1 + R 2 1KΩ + 6,8KΩ
Corrente de emissor
IE =
VB − VBE 3,85V − 0,7V = = 4 ,5mA 750Ω RE
IC(mA) •
4,2
•Q
• VCE(V)) 1`4,25 30 Quando um transistor é polarizado deve ser tomado certo cuidado: Evitar a região de corrente pequena, perto do corte do transistor, onde a corrente de fuga (ICBO) torna-se importante. Evitar a região de saturação onde será reproduzido um sinal com distorção. Evitar a região de dissipação máxima onde o transistor será danificado.
ICMAX
REGIÃO DE SATURAÇÃO ICBO TRANSISTOR PRÓXIMO DO CORTE
CURVA DE DISSIPAÇÃO MÁXIMA
ÁREA ÚTIL
VrCEO(VCEMAX) ELIÉSIO
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[email protected] FONTE DE CORRENTE CONSTANTE
Quando o transistor possui a tensão de base fixada (VB constante) como o VBE é praticamente constante fatalmente teremos uma corrente de emissor constante. CORRENTE DE EMISSOR
VBB − VBE − IERE = 0
IE =
VBB − VBE RE
Como VBB, VBE e RE são praticamente constante IE é constante. Como IC≅IE podemos mudar o resistor de coletor sem alterar a corrente de coletor.
Projetos deste tipo são feitos quando se pretende uma fonte de corrente fixa. É definido um valor de RE que irá determinar o valor da corrente de emissor e assim, a corrente de coletor. Isso é usado em muitas aplicações porque o circuito é relativamente imune às variações de β (ganho de corrente na configuração emissor comum). Notamos que quanto maior o valor de RE mais estável será a corrente do coletor.
CHAVEAMENTO COM TRANSISTOR BIPOLAR CHAVE ELETRÔNICA:
Trabalhando nas regiões de corte e saturação, o transistor comparta-se como uma chave eletrônica, isto é, chave aberta quando está cortado e chave fechada quando está saturado.
TRANSISTOR CORTADO
CHAVE ABERTA
TRANSISTOR SATURADO
CHAVE FECHADA
Os circuitos de chaveamento são geralmente projetados para operar na região de saturação e de corte. Assim, teremos na saída uma tensão alta, no corte. E uma tensão baixa, na saturação. Para este tipo de operação não é importante a variação do ponto Q, pois o transistor estará no corte ou na saturação independente do ganho.
ELIÉSIO
10
E-mail:
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Se a chave estiver aberta, a corrente de base cai a zero. Fazendo com que a corrente de coletor seja zero (IC=βIB). Sem corrente no resistor de coletor a queda de tensão é zero (VRC= IC x RC), então toda tensão de alimentação aparece entre a junção coletor-emissor do transistor, logo a tensão de saída será de 5 volts. Se a chave estiver fechada é injetada na base uma
V − VBE IB = , no exemplo teremos: RB 5V − 0,7V 4,3V IB = 5KΩ = 5KΩ = 0,86mA
corrente
Esta corrente injetada na base leva o transistor para a saturação, fazendo um VCE de saturação próximo a zero (VCE saturação ± 0,3V) provocando uma corrente de
VCC ICsat = , RC 5V ICsat = 5KΩ = 1mA
saturação,
no exemplo teremos:
Observamos que na saída teremos dois níveis definidos de tensão 0 e 5V.
Exemplo:
1ÎQual a tensão entre coletor e o terra (VC)? Como a tensão na base é de 5V e a tensão VBE=0,7V, teremos:
VE = VBB − VBE = 5V − 0,7V = 4 ,3V
Esta tensão é aplicada no resistor de emissor que é de 1kΩ. Logo:
IE = VRE RE = 4 ,3V 1K = 4 ,3mA A corrente no coletor é aproximadamente igual a 4,3mA (IC=IE). Quando esta corrente passa através RC=2KΩ, no coletor, produz uma queda de tensão de:
VRC = IC × RC = 4,3mA × 2kΩ = 8,6V
A tensão entre coletor e terra (VC) será:
VC = VCC − VRC = 15V − 8,6V = 6,4V 2ÎQual a tensão entre emissor e terra (VE) ?
VE = IE × RE = 4 ,3mA × 1KΩ = 4 ,3V
3Î Qual a tensão entre coletor e emissor (VCE) ?
VCE = VC − VE = 6,4V − 4 ,3V = 2 ,1V
Na nomenclatura de tensão quando for especificado um só ponto (VC, VE ) a tensão deverá ser medida em relação ao terra. Quando for especificado dois pontos (VCE), a tensão deverá ser medida entre coletor e emissor. Quando estiver sendo feito uma verificação de defeito em circuitos transistorizados, as tensões entre coletor e terra (VC) e emissor e terra (VE), deve ser feita e não a tensão entre coletor e emissor (VCE), para evitar colocar em curto o transistor.
ELIÉSIO
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[email protected] CHAVEAMENTO DE LED
Os circuitos de polarização da base estabelecem um valor fixo para a corrente de base, enquanto os circuito de polarização do emissor estabelecem um valor fixo para a corrente do emissor. CHAVEAMENTO DE LED COM POLARIZAÇÀO DE BASE
Com a chave aberta a corrente de base é zero, o que significa que o transistor está no corte e não teremos corrente no LED que ficará no estado apagado. Quando a chave fecha o transistor vai para a saturação e a tensão entre coletor-emissor é praticamente zero. Admitindo-se uma tensão no LED de 2 volts a corrente do coletor e logicamente a corrente
ILED =
do
LED
será
ILED =
15V − 2,0V = 13mA 1KΩ
VCC − VLED RC
Como os LEDs comuns têm como característica VLED de 1,5V a 2,5V e ILED de 10mA a 50mA este circuito funcionará perfeitamente sendo necessário um transistor bipolar com uma corrente de coletor maior que 13mA. Se for necessário uma maior intensidade luminosa torna-se necessário aumentar a tensão ou reduzir o resistor. CHAVEAMENTO DE LED COM POLARIZAÇÀO DE EMISSOR
Com a chave aberta verificaremos que a corrente de base é zero e o transistor está no corte. Quando a chave é fechada a polarização do transistor faz com que ela vá para a saturação. Neste caso teremos uma corrente de emissor fixa (fonte de corrente constante) que torna o circuito independente da tensão do LED. Isto é uma vantagem do projeto com polarização de emissor sobre o projeto com polarização de base. A corrente no LED independe da queda de tensão no LED. Idealmente teremos uma corrente no emissor igual a corrente no coletor que será igual a corrente no LED.
ILED =
5V = 15mA 330Ω
Para mudar a corrente no LED teremos que alterar a tensão de alimentação ou o resistor de emissor. Exemplo 1Î: Projetar o acionador de LED Parâmetros do transistor BC548: VBESAT=0,7V/VCESAT=0,3V/βSAT=20/ICMAX=200mA/VCEMAX=80V Parâmetros do LED: VLED=1,5V/ILED=25mA Os resistores de polarização do transistor devem ser calculados considerando a região de saturação, ou seja, quando a chave estiver na posição ligada. Malha de saída: ICSAT=ILED VCC−VRC−VLEDLED−VCESAT=0 Î
RC =
VC − VCE − VLED 12V − 0,3V − 1,5V = = 408Ω 25mA IC
Potência de RC:
PRC = RC × I 2 = 408 × 25mA2 = 0,255W Na prática será utilizado valor comercial mais próximo. Malha de entrada
ELIÉSIO
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E-mail:
[email protected] VBB-VRB-VBE=0 Cálculo da corrente de base de saturação:
ICSAT 25 × 10 −3 = = 1,25mA 20 βSAT VBB − VBE 12V − 0,7V RB = = = 4 KΩ IB 1,25mA IBSAT =
PRB = RB × IB 2 = 4 K × (1,25 × 10− 3 ) = 6,25mW 2
Na prática será utilizado o valor comercial mais próximo. Quando a chave passa para a posição desligada, a entrada é aterrada (VB
