7/30/2019 Artigo-Anlise de Dois Amplificadores com TBJ

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Anlise de Dois Circuitos Amplificadores comTransistores Bipolares de Juno

Francisco Sousa de Oliveira Neto

Universidade Federal do Cear UFCCentro de Tecnologia CTDepartamento de Engenharia Eltrica DEE

fsoneto@yahoo.com

Resumo Neste artigo feita a anlise CC e CA de doiscircuitos amplificadores com transistores bipolares de juno(TBJ). A partir de alguns parmetros especificados para o TBJBC546A, os componentes necessrios para a polarizao naregio ativa foram determinados. A partir disso, utiliza-se osoftware ORCAD para fazer as simulaes e observar as formasde onda, para uma dada resistncia de carga.

Palavras-chave Transistor, amplificador, regio ativa.

I. INTRODUO

Um transistor um dispositivo semicondutor quepossui duas camadas de material tipo n e uma do tipo p (npn)ou duas camadas de material tipo p e uma do tipo n (pnp). Otipo npn o mais utilizado e ser o abordado neste trabalho.

Em cada uma das trs regies semicondutoras conectado um terminal: emissor (E), base (B) e coletor (C).Dessa forma, o transistor possui duas junes pn: a junobase-emissor JBE e juno coletor-base JCB.

O modo de operao do transistor bipolar de juno,

doravante denominado TBJ, vai depender do tipo depolarizao de cada uma das junes. Assim, para o tipo npn,se a JBE estiver polarizada reversamente e JCB tambm, entoo TBJ estar no modo de corte. Se ambas as junesestiverem diretamente polarizadas o TBJ apresentar o modode saturao, podendo atuar como chave em diversasaplicaes. J no caso desse dispositivo ter sua juno base-emissor JBE diretamente polarizada e juno coletor-base JCBreversamente polarizada, o TBJ estar modo ativo, podendoser utilizado na amplificao de sinais.

Neste artigo feita a anlise CC e CA(apenasqualitativa) de dois circuitos com TBJ atuando comoamplificadores. So mostrados os clculos para a polarizao

necessria do TBJ e foram feitas simulaes com o softwareORCAD. Mais detalhes prticos sobre especificaes deamplificadores com TBJ podem ser encontrados em [3].

II. CIRCUITO N 01

A. Topologia

O circuito proposto da Fig. 1 apresenta na topologia,uma fonte de alimentao contnua , uma fonte dealimentao alternada , um TBJ npn BC546A, resistores

para polarizao do TBJ (R1, R2, RC, RE), capacitores deacoplamento CA (C1, C2 e C3) e uma carga representadapelo resistor .

Figura 1. Topologia do circuito n 01.

B.Especificaes

O circuito foi projetado para trabalhar comoamplificador (regio ativa) e possuir uma tenso de coletorVC de 10 V. Assim, foi utilizado o circuito auxiliar da Fig. 2para traar as curvas caractersticas do TBJ com maior

preciso no ORCAD, j que no datasheetconsultado [4] osvalores intermedirios so imprecisos. A Fig. 3 mostra ascurvas traadas com o ORCAD.

Figura 2. Circuito auxiliar utilizado para traar as curvas caractersticas como software ORCAD variando-se o valor de Rb.

Figura 3. Curvas caractersticas produzidas com o software ORCAD a partirdo circuito da Fig. 2. Esto presentes os limites ICMAX e VCEMAX.

Q1

BC546A

RcR1

R2 RE

Vcc

20V

Vi

FREQ = 10kHzVAMPL = 0.01VVOFF = 0

0

C1

10u

C2

10u

C3

50u

RL10Meg

Q1

BC546A

Rc

100

Rb

V1

10V

0

V2

TD = 0

TF = 1usPW = 1usPER = 101ms

V1 = 0

TR = 100ms

V2 = 30V

V(Q2:c)0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 40V 45V 50V 55V 60V 65V

I C( Q1 ) I C( Q4 ) I C( Q2 ) I C( Q3 ) I B( Q1 )

0A

50mA

100mA

IBQ=150A

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A potncia mxima de dissipao do TBJ BC546A de 0,5 W, a mxima corrente de coletor 100 mA e a tensomxima coletror-emissor igual a 65 V [4].

Portanto, para que o TBJ atue na regio ativa, foramadotados os seguintes valores quiescentes:

= 7; (1)

= 150; (2)A partir do ORCAD, com estes valores obtem-se:

= 26,8.(3)Assim,

= ! = 178,66(4)

III. ANLISE CC DO CIRCUITO N 01

A Fig. 4 mostra o circuito n 01 para anlise CC e oequivalente de Thvenin da malha base-emissor.

(a)

(b)

Figura 4. (a) Anlise CC do circuito n 01. (b)Equivalente deThvenin da malha base-emissor

Malha base-emissor:#$ #$. . = 0(5) = ( + 1). (6)Substituindo-se (6) em (5) tem-se:

#$ #$. . ( + 1). = 0(7) = #$ #$ + . ( + 1)(8)

Malha coletor-emissor:

. . = 0(9)

= . (10) =

. ( + 1). => = .( + 1)

(11)Substituindo-se (11) em (9) tem-se:

= + . ( + 1) *(12) Substituindo-se (2) e (4) em (6):

= (178,66+1).150=> = 26,95(13)

= => = = 10 7 => = 3(14) = =

326,95 => = 111,32(15)

= =201026,8 => = 373,13(16)

Assumindo que . 10.- [2], tem-se:. 10 - =>

178,66111,3210 - =>

- 1.988,84=> Adota-se - = 1,8(17)

= + => 3 + 0,7 =>

= 3,7(18)Da Fig. 4, tem-se:

= + - = 0,15 + - = 0,15 +3,71,8 =>

= 2,2(19) = =

20 3,72,2 => = 7,41(20)

Q1

BC546A

RcR1

R2 RE

0

Vcc

20V

Q1

BC546A

Rc

RE

0

Vcc

20V

VTh

RTh

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Portanto, tm-se agora todos os valores doscomponentes necessrios para a operao do TBJ comoamplificador, como mostra a Fig. 5.

Figura 5. Circuito n 01 com seus componentes especificados.

III. RESULTADOS DE SIMULAO PARA O CIRCUITO N 01

As Fig. 6 e 7 trazem respectivamente os resultadosde simulao obtidos com o ORCAD para a anlise CC eanlise CA do circuito n 01.

Figura 6. Formas de onda da anlise CC do circuito n 01.

Figura 7. Formas de onda da anlise CA do circuito n 01.

Na Fig. 6 (anlise CC) esto indicadas a tenso decoletor Vc de 10 V (vermelho), a corrente de coletor ICQ de26,8 mA (verde) e a corrente de base IBQ de 150 A (azul).

A Fig. 7 (anlise CA) exibe a tenso de entrada v imultiplicada por um fator de 100 para melhor visualizao(verde), a tenso de coletor com um offset de 10 V(vermelho) e a tenso na carga (azul). Nota-se que, alm deamplificar o sinal de entrada, este circuito tambm inverte afase. O ganho de tenso do circuito n 01 foi em torno de 273.

IV. CIRCUITO N 02

A. Topologia

O circuito proposto da Fig. 8 apresenta na topologia,uma fonte de alimentao contnua , uma fonte dealimentao alternada , um TBJ npn BC546A, resistorespara polarizao do TBJ (RB, RC e RE), capacitores deacoplamento CA (C1, C2 e C3) e uma carga representadapelo resistor .

Figura 8. Topologia do circuito n 02.

B.Especificaes

O circuito n 02 tambm foi projetado para trabalhar

como amplificador (regio ativa) e possuir uma tenso decoletor VC de 10 V, atendendo s mesmas especificaes (1) -(4) do circuito n 01. Portanto, utilizou-se novamente ocircuito auxiliar da Fig. 2 para traar as curvas caractersticasdo TBJ no ORCAD.

V. ANLISE CC DO CIRCUITO N 02

A Fig. 9 mostra o circuito n 02 para anlise CC.

Figura 9. (a) Anlise CC do circuito n 02.

Q1

BC546A

Rc

373.13

R1

7.41k

R2

1.8k

RE

111.32

Vcc

20V

Vi

FREQ = 10kHzVAMPL = 0.01VVOFF = 0

0

C1

10u

C2

10u

C3

50u

RL

10Meg

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms

IB(Q1)

0A

50uA

100uA

150uA

IC(Q1)

24mA

26mA

28mA

SEL>>

V(Q1:c)

0V

5V

10V

Time

180.0ms 180.2ms 180.4ms 180.6ms 180.8ms 181.0ms 181.2ms 181.4ms 181.6ms 181.8ms 182.0ms

V (Q 1: c) V (R L: 2) V (V i: +) * 1 00

0V

5V

10V

-4V

14V

Q1

BC546A

RcRB

RE

Vcc20V

Vi

FREQ = 10kHzVAMPL = 0.01VVOFF = 0

0

C1

10u

C2

10u

C3

50u

RL

10Meg

Q1

BC546A

RcRB

RE

Vcc

20V

0

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Malha base-emissor: . . . = 0(21)

= + (22)Substituindo-se (22) e (6) em (21) tem-se:

. ( + ) . . ( + 1). = 0(23)Usando (10):

. ( + . ) . . ( + 1). = 0(24)

= + . ( + 1) + . ( + 1)(25) Malha coletor-emissor:

. . = 0(26) . ( + ) . = 0(27) = . ( + 1). . ( + 1). (28) = ( + 1). ( + ). (29)De (13), (14) e (15) tem-se:

= 111,32(15)Substituindo (15) e os valores j conhecidos de Vcc,VCE e em (29) encontra-se: = 370,73(30)Agora, substituindo (15), (30) e (2) em (25),encontra-se:

= 42,13(31)Logo, todos os valores dos componentes necessrios

para a operao do TBJ como amplificador foramdetrminados, como mostra a Fig. 10.

Figura 10. Circuito n 02 com seus componentes especificados.

VII. CONCLUSES

Este artigo props uma anlise de dois circuitosamplificadores com TBJ do ponto de vista da anlise CCquantitativa e qualitativa e da anlise CA mais qualitativa.

Aps a determinao das especificaesnecessrias, utilizou-se o software ORCAD para se fazer assimulaes e constatar o modo ativo do TBJ como

amplificador.Observou-se a necessidade de polarizar corretamente

o TBJ para atuar na regio desejada para sua aplicao.Logo, pde-se compreender o funcionamente de

circuitos amplificadores, extremamente utilizados emEngenharia Eltrica.

REFERNCIAS

[1] SEDRA, A. S., SMITH, K. C. Microeletrnica. 5 Ed. So Paulo:Pearson Prentice Hall, 2007.

[2] BOYLESTAD, R. L., NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrnicos eTeoria de Circuitos. 8 Ed. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.

[3] CIPELLI, A. M. V.,MARKUS, O., SANDRINI, W. Teoria eDesenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrnicos. 23 Ed. SoPaulo: rica, 2011.

[4] Datasheetdo TBJ BC546A (Fairchild).

Q1

BC546A

Rc

370.37

RB

42.13k

RE

111.32

Vcc

20V

Vi

FREQ = 10kHzVAMPL = 0.01VVOFF = 0

0

C1

10u

C2

10u

C3

50u

RL

10Meg