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 = =