Transistor

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Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 1 CIRCUITOS POLARIZADORES DO TRANSISTOR INTRODUÇÃO Os circuitos digitais são os que utilizam o transistor como uma chave. Os circuitos lineares são os que o utilizam como uma fonte de corrente. Acionar um LED com um transistor fonte de corrente é um exemplo de um circuito linear. Um outro exemplo é o amplificador, um circuito que aumenta a amplitude de um sinal. Os amplificadores são fundamentais nos circuitos de rádio, televisão e outros circuitos de comunicação. Antes de um sinal CA ser acoplado a um transistor, é preciso estabelecer um ponto quiescente (Q) de operação, geralmente próximo ao meio da linha de carga CC. Então, o sinal CA que entra pode produzir flutuações acima e abaixo desse ponto Q. POLARIZAÇÃO DA BASE A figura A é um exemplo de polarização da base (também chamada polarização fixa). Geralmente, a fonte de alimentação da base é a mesma que alimenta o coletor; isto é, Vbb = Vcc. Neste caso, os resistores da base e do coletor voltam ambos para o lado positivo da alimentação do coletor, e o circuito é desenhado como o que aparece na figura B: A B Em qualquer dos dois casos, este é o pior modo possível de se polarizar um transistor para que ele funcione linearmente, pois o ponto Q é instável. Como sabemos, o βcc pode ter uma variação com a corrente e a temperatura assim como uma substituição do transistor. A utilização mais elementar da polarização da base é nos circuitos digitais, nos quais o transistor é usado como uma chave entre o corte e a saturação. Neste caso, usamos a saturação forte para ultrapassar as variações em βcc. EXEMPLO Suponha que no circuito da figura B, βcc varie de 100 para 200. Faça a reta de carga e plote o ponto Q. Dados: Vcc = 18V Rb = 200K Rc = 1K Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” IC(mA) 2 IB = VCC – VBE RB IB = 18 – 0,7 200K IB = 86,5µA 18 Q2 17,3 Q1 IC2 = IB.β2 IC2 = 86,5µA.200 IC2 = 17,3mA 8,65 0 18 IC1 = IB.β1 IC1 = 86,5µA.100 IC1 = 8,65mA IC(SAT) = VCC RC IC(SAT) = 18V 1K IC(SAT) = 18mA VCE(V) EXERCÍCIOS 1) Na figura abaixo, calcule a Ic para β = 100: 2) Se o transistor da figura anterior for trocado por outro que tenha um β = 200, qual o valor da Ic? 3) Qual o valor de βcc para o transistor saturar na figura do exercício nº 1? 4) Faça a reta de carga e plote o ponto Q do exercício nº 1: 5) O que acontece com o ponto Q se você trocar o transistor do primeiro exercício por outro com β = 250? 6) Calcule as seguintes tensões no circuito abaixo: Vb = Vc = Vce = Vrc = Vrb = Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 3 7) Projete um amplificador com polarização fixa que lhe dê um ponto Q no centro da reta de carga usando o seguinte transistor: BC 337 Vceo = 40V Vbeo = 7V Pd = 350mW IcMAX = 10mA βcc = 50 -- 200 POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DO EMISSOR A figura A mostra uma tentativa inicial de se compensar as variações em βcc. A idéia consiste em se tentar usar a tensão através do resistor do emissor para compensar as variações em βcc. Por exemplo, se βcc aumentar, a corrente do coletor aumenta. Isto aumenta a tensão do emissor, o que diminui a tensão do resistor da base e reduz a corrente da base. A corrente da base reduzida resulta numa corrente do coletor menor, o que compensa parcialmente o aumento original em βcc. A B A figura B mostra como o circuito normalmente é desenhado. A polarização com realimentação do emissor baseia-se no aumento da corrente do coletor que produz mais tensão através do resistor do emissor, o que reduz a corrente da base e consequentemente a corrente do coletor. A palavra realimentação é usada aqui para indicar uma quantidade na saída (corrente do coletor) que produz uma variação numa quantidade de entrada (corrente da base). O resistor do emissor é o elemento de realimentação porque ele é comum aos circuitos de entrada e de saída. Para se calcular a corrente do coletor no ponto Q utilizamos a seguinte fórmula: Ic ≅ Vcc - Vbe_ Re + Rb/β A polarização com realimentação do emissor pretende encobrir as variações em βcc; isto equivale a Re ser muito maior do que Rb/β. Nos circuitos práticos, entretanto, você não pode fazer Re suficientemente grande para encobrir os efeitos de βcc sem saturar o transistor. Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 4 Rb = βcc.Rc SATURAÇÃO: EXEMPLO Calcule o valor da corrente de saturação do coletor na figura abaixo. A seguir, calcule a corrente do coletor para estes dois valores de βcc: 100 e 300. Monte a reta de carga e plote o ponto Q: IC(SAT) = VCC _ RC + RE IC(SAT) = 15 910 + 100 IC(SAT) = 14,8mA Ic1 ≅ Vcc - Vbe_ Re + Rb/β Ic1 ≅ 15 – 0,7 _ 100 + 430K/100 Ic1 ≅ 3,25mA Ic2 ≅ Vcc - Vbe_ Re + Rb/β Ic2 ≅ 15 – 0,7 _ 100 + 430K/300 Ic2 ≅ 9,3mA IC(mA) 14,8 Q2 9,3 Q1 3,25 0 15 VCE(V) EXERCÍCIOS 1) No circuito abaixo, calcule a Ic para β = 150: Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 5 2) Se o transistor da figura anterior for trocado por outro com β = 300, qual o valor da Ic? 3) Faça a reta de carga e plote o ponto Q do exercício 1 e 2: 4) Qual o valor de Ib no exercício 1? 5) Qual o valor de Ib no exercício 2? 6) Qual a Pd no transistor do exercício 1? 7) Projete um amplificador com polarização com realimentação do emissor, que fixe um ponto Q no centro da reta de carga. Dados: Vceo = 30v Vbeo = 6v Pd = 200mW IcMAX = 50mA βcc = 125--900 8) Do exercício anterior calcule: Vc = Prb = Ve = Prc = Vb = Pre = Vce = Ptot = Vrb = Ic = Vre = Ib = Vrc = Ie = Pd = Itot = Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 6 POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DO COLETOR A figura abaixo mostra a polarização com realimentação do coletor (também chamada autopolarização). O resistor da base é reconduzido ao coletor e não à fonte de alimentação. AÇÃO DA REALIMENTAÇÃO: Suponha que a temperatura aumente, fazendo com que βcc aumente. Isto produz mais corrente no coletor. Tão logo aumenta a corrente do coletor, diminui a tensão do coletor-emissor. Isto quer dizer que há uma tensão menor através do resistor da base, e isto faz com que haja uma diminuição na corrente da base. A menor corrente da base compensa o aumento inicial na corrente do coletor. Para calcularmos a corrente do coletor no ponto Q utilizamos a seguinte fórmula: Ic ≅ Vcc - Vbe Rc + Rb/β A polarização com realimentação do coletor é um pouco mais eficiente do que a polarização com realimentação do emissor. Geralmente colocamos o ponto Q próximo à metade da linha de carga cc. Com a polarização com realimentação do coletor, isto exige que: Rb = βcc.Rc EXEMPLO 1) Calcule e desenhe um circuito de polarização com realimentação do coletor, que funcione no ponto médio, com as seguintes especificações: Vcc = 15V Rc = 1K βcc = 200 Rb = βcc.Rc Rb = 200.1K Rb = 200K 2) Na figura anterior, calcule a corrente do coletor para estes dois valores de βcc: 100 e 300. Monte a reta de carga e plote o ponto Q. Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 7 Ic1 ≅ Vcc - Vbe_ Rc + Rb/β Ic1 ≅ 15 – 0,7_ 1K + 200K/100 Ic1 ≅ 4,8mA IC(mA) 15 Q2 Ic2 ≅ 15 – 0,7_ 1K + 200K/300 Ic2 ≅ 8,6mA IC(SAT) = VCC RC IC(SAT) = 15 1K IC(SAT) = 15mA 8,6 Q1 4,8 0 15 VCE(V) EXERCÍCIOS 1) Dado o circuito abaixo, calcule a Ic para β = 50 e para β = 150: 2) Calcule a Pd no transistor do exercício 1 para β = 150: 3) Faça a reta de carga e plote os pontos Q do exercício 1: 4) Qual a Ib no exercício 1 para Q1 e para Q2? 5) Desenhe um circuito de polarização com realimentação do coletor no ponto médio que preencha as seguintes especificações: Vcc = 20V β = 510 Rc = 1K2 6) Faça a reta de carga e plote o ponto Q do exercício anterior: 7) Qual a Pd no transistor do exercício 5? Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 8 8) Mantendo o valor dos resistores de polarização, calcule o valor de βcc que satura o transistor da figura abaixo? 9) Projete um circuito de polarização com realimentação do coletor para o seguinte transistor, usando um fator de segurança 2: BC 547 NPN Vceo = 45V Ic(Max) = 100mA β = 110 – 800 POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO A figura A mostra a polarização por divisor de tensão (também chamada polarização universal). É a polarização mais usada em circuitos lineares. O nome “divisor de tensão” provém do divisor de tensão formado por R1 e R2. A tensão através de R2 polariza diretamente o diodo emissor. A Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 9 CORRENTE DO EMISSOR: A polarização por divisor de tensão funciona assim: abra mentalmente o terminal da base na figura A. então você está olhando para um divisor de tensão descarregado cuja tensão Thevenin é: VTH = Onde: R2 . Vcc R1 + R2 VTH → tensão Thevenin: a VTH é a tensão no resistor que fica em paralelo com a base e o resistor de emissor. Na figura B vemos o mesmo circuito desenhado de uma forma mais simples: VTH B O transistor age como uma fonte de corrente. Pelo fato do emissor estar amarrado à base, a corrente do emissor é: Ie = VTH – Vbe Re Observe que βcc não aparece na fórmula para a corrente do emissor. Isto quer dizer que o circuito é imune a variações em βcc, o que implica um ponto Q fixo. EXERCÍCIOS 1) Dado o circuito ao lado, desenhe a reta de carga CC e mostre o ponto Q: Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 10 2) Calcule o Vce do circuito anterior e mostre-o na reta de carga: 3) Qual a Pd pelo transistor do exercício 1? 4) Se o βcc do transistor do exercício 1 for 500, qual será a corrente da base? 5) O gráfico dado, representa a reta de carga do circuito abaixo. Qual a corrente no LED e qual o VceQ? Dado: βcc = 180 VLED = 1,8V Ic (mA) 85 5,8 Q 0 12 Vce(V) 6) Se você trocar os dois diodos do exercício 5 por um zener de 3,2V, qual será a corrente no LED? 7) Qual a corrente que passa pelos dois diodos do exercício 5? ORIENTAÇÃO PARA O PROJETO: A figura abaixo mostra um amplificador com polarização universal. Os capacitores acoplam o sinal CA que entra e sai do amplificador. Tudo que nos preocupa agora é projetar este circuito com um ponto Q estável. A menos que seja indicado o contrário, aplique a regra do um décimo, o que faz a tensão do emissor aproximadamente um décimo da tensão de alimentação: Ve = 0,1.Vcc Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 11 Comece calculando o Re necessário para estabelecer a corrente especificada para o coletor: Re = Ve Ie Posicione também o ponto Q aproximadamente no meio da linha de carga CC. Isto significa que cerca de 0,5.Vcc (metade de Vcc) aparece através dos terminais do coletor-emissor e 0,1.Vcc aparece através de Re. Os 0,4.Vcc restantes aparecem através do resistor do coletor; portanto: Rc = 4.Re A seguir, você pode projetar um divisor de tensão quase ideal usando a regra do um centésimo (1/100): R2 ≤ 0,01.βcc.Re Se você preferir um divisor de tensão firme, aplique então a regra do um décimo (1/10): R2 ≤ 0,1.βcc.Re Finalmente, calcule R1 através da proporção: R1 = VR1 . R2 VR2 Onde: VR2 = Ve + Vbe VR1 = Vcc - VR2 EXERCÍCIOS 1) O circuito da figura abaixo tem um divisor de tensão quase ideal. Desenhe a linha de carga CC e mostre o ponto Q: Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 12 2) A figura abaixo mostra um amplificador de dois estágios. (Um estágio é formado por cada transistor com os seus resistores de polarização, incluindo Rc e Re.) Calcule o Vce para cada estágio, monte a reta de carga e plote o ponto Q: 3) Projete um circuito de polarização por divisor de tensão com as seguintes especificações: Obs. use um divisor de tensão firme. Vcc = 20V IcQ = 5mA βcc 80--400 4) Calcule o Vce a Pd e monte a reta de carga do exercício 3: 5) Faça uma análise completa no circuito abaixo, calculando: Vb = Ve = Vc = Ic = Pd = Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 13 POLARIZAÇÃO DO EMISSOR A figura A mostra a polarização do emissor, que é usada às vezes quando se dispõe de uma alimentação dividida (tensões positiva e negativa). A figura B é uma forma simplificada de desenhar o circuito. A B Se RB for suficientemente pequeno, a tensão da base será aproximadamente zero. A tensão do emissor está a uma queda VBE abaixo dessa. Portanto, a tensão através do resistor do emissor é VEE VBE e a corrente do emissor será: IE ≅ VEE - VBE RE Como βcc não aparece nessa fórmula, o ponto Q é fixo. Sempre que se dispuser de uma fonte de alimentação separada, pode ser usada a polarização do emissor, porque ela fornece um ponto Q bem firme, exatamente como o faz uma polarização por divisor de tensão. O mais importante num circuito bem projetado de polarização do emissor é o valor de Rb. Deve ser pequeno. Mas quão pequeno? Num projeto estabilizado, Re é de pelo menos 100 vezes maior do que Rb/βcc. Isto equivale a: Rb ≤ 0,01.β.Re EXEMPLO Na figura B, Rc = 5K1, Re = 10K e Rb = 6K8. Se a fonte separada for de +15V e -15V, qual a tensão do coletor ao terra? IE = VEE – VBE RE IE = 15 – 0,7 10K IE = 1,43mA VC = VCC – IC.RC VC = 15 – 1,43mA.5K1 VC = 7,7V Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 14 EXERCÍCIOS 1) Calcule a corrente do coletor e monte a reta de carga do circuito abaixo: 2) Se o βcc do transistor do 1º exercício for igual a 200, qual o valor da corrente da base? 4) Calcule o Vce e a Pd do 1º exercício: 5) Calcule o Vce e plote o ponto Q na reta de carga do circuito abaixo: CIRCUITOS PNP A figura A mostra um transistor PNP. Como os diodos emissor e coletor apontam para direções diferentes, todas as correntes e tensões são invertidas. Em outras palavras, para polarizar diretamente o diodo emissor de um transistor PNP, Vbe tem uma polaridade menos-mais, como está mostrado na figura. Para polarizar reversamente o diodo coletor, Vcb tem a polaridade menos-mais indicada. A figura B mostra os sentidos do fluxo convencional da corrente. Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 15 Vcb Ic + Vbe + Ib Ie (A) (B) CIRCUITOS COMPLEMENTARES: O transistor PNP é chamado complemento do transistor NPN. A palavra “complemento” significa que todas as tensões e correntes são opostas às do transistor NPN. Todo o circuito NPN tem um circuito PNP complementar. Para se determinar o circuito PNP complementar siga os seguintes passos: 1.Substitua o transistor NPN por um transistor PNP equivalente; 2.Inverta todas as correntes e tensões (inverta a polaridade da fonte). Como exemplo, a figura A mostra a polarização com realimentação do coletor usando um transistor NPN. A tensão do coletor é positiva com relação ao terra. A figura B mostra o circuito complementar PNP: A B CONVENÇÃO DE CABEÇA PARA BAIXO: Quando a fonte de alimentação for positiva, os transistores PNP geralmente serão desenhados de cabeça para baixo. Por exemplo, a figura A mostra um amplificador PNP usando a polarização por realimentação do coletor. Se desaterrarmos a alimentação e virarmos o circuito de cabeça para baixo, obteremos a figura B. Não importa como o transistor está orientado espacialmente; portanto ele funcionará exatamente da mesma forma de cabeça para baixo. Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” A 16 B EXERCÍCIOS 1) Na figura abaixo, calcule as tensões do coletor e do emissor em cada estágio: 2) Calcule o Vce para cada transistor do exercício 1: 3) Qual a corrente do LED na figura abaixo? Apostila “Circuitos Polarizadores do Transistor” 17 4) Sabendo que o LED apresenta uma d.d.p. entre seus terminais de 2,0V, calcule o Vce do exercício anterior: 5) Trocando-se o resistor de polarização da base por um diodo zener de 5,1V no exercício 3, calcule a ILED e o Vce: Dado: VLED = 1,8V