4a - Transistor Bipolar de Junção

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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) 
1 – Princípio de Funcionamento 
Quando se tem um sistema eletrônico, em muitos momentos, se deseja controlar 
a passagem ou não do fluxo de elétrons, corrente elétrica, sem necessariamente 
mexer no circuito em que este fluxo de corrente ocorre. Como exemplo mais 
simples, podemos ver a operação de uma torneira de água. 
Se tamparmos com o dedo a ponta onde a água sai da torneira, conseguimos 
controlar a saída mas isso altera vários parâmetros como pressão do fluido. Para 
isto uma manopla é utilizada para que seja possível aumentar ou diminuir o fluxo 
de água sem mudar o tamanho do canal de saída da água. Mas o diodo 
semicondutor não possui um terceiro pino sendo apenas uma válvula 
unidirecional em que permite o fluxo de corrente em apenas um sentido 
(polarização direta). 
 
Desta forma foi feito um arranjo de materiais dopados de forma a termos 3 pinos, 
dois de (entrada e saída) e um de controle. Neste componente teremos duas 
junções pn formando dois diodos que irão trabalhar em conjunto e que 
dependendo da forma que forem polarizados, irão operar em 3 principais modos 
de operação, podendo ser usados como chave, ou como uma fonte de corrente 
controlada por corrente que terá a capacidade de amplificar o sinal de entrada. 
 
Figura 1 - Modelo interno do TBJ 
 
Como pode ser visto na figura acima, existem dois diodos que estão 
opostamente posicionados um para o outro e este arranjo faz com que, 
dependendo do nível de tensão colocado em seus terminais, estes estarão 
polarizados diretamente ou inversamente. A ponta destes diodos são os 
terminais do TBJ e possuem o nome de Base (B), Coletor (C) e Emissor (E). a 
tensão aplicada sobre estes terminais chamamos de tensão de base ��, tensão 
de coletor �� e tensão de emissor ��. A tabela abaixo demonstra como as 
diferentes configurações de tensão entre os terminais do TBJ posiciona este 
componente em diferentes modos de operação – atenção, a tabela abaixo 
demostra o os modos de operação para um TBJ npn, sendo o pnp o oposto do 
que esta tabela demonstra. 
 
 
 
 
 
 
Tabela 1 - Configuração de tensões do TBJ e modos de operação 
Configuração de 
tensões nos 
terminais 
Polarização do 
diodo BC 
Polarização do 
diodo BE 
Modo de 
operação 
�� < �� > �� DIRETA DIRETA 
Chaveamento 
Saturação 
�� > �� < �� INVERSA INVERSA 
Chaveamento 
Corte 
�� > �� > �� INVERSA DIRETA 
Amplificação 
Linear 
�� < �� < �� DIRETA INVERSA N/A 
 
Nos modos de operação em chaveamento, teremos dois circuitos que serão 
totalmente independentes entre si, sendo o corte, o momento em que o TBJ não 
deixa fluir corrente entre os terminais de coletor e emissor, se comportando como 
uma chave aberta. Na região de saturação, ele irá permitir uma passagem de 
corrente, como se houvesse dois circuitos, um entre base e emissor e outro entre 
o coletor e o emissor. Estes circuitos serão compostos por circuitos em série com 
diodos substituído as ligações entre base emissor e a ligação entre coletor e 
emissor. 
 
Figura 2 - Modelo do TBJ atuando em saturação 
 
Quando o diodo base coletor está polarizado inversamente e o diodo base 
emissor está polarizado diretamente, o TBJ apresenta um modelo de controle 
linear da corrente que flui entre os terminais de coletor e emissor. Este controle 
se dará em função da corrente de base, que em geral é muito pequena, mas 
sofre uma amplificação muito grande ao se tornar uma corrente de coletor. 
 
Figura 3 - Modelo para região linear, a - TBJ pnp, b - TBJ npn 
 
Observando a figura 3a que é o modelo para um TBJ npn, vemos que existe um 
circuito a esquerda referente a junção base emissor que será semelhante ao 
modelo de saturação onde teremos um diodo substituindo a base e o emissor, 
este diodo estará polarizado diretamente, fazendo com que haja um circuito série 
como o diodo Vbe e os resistores de base e emissor quando existirem. Já no 
ramo entre o coletor e o emissor teremos uma fonte de corrente controlado por 
corrente e esta fonte de corrente terá a expressão linear: 
�	 = ��� 
Onde: 
�	 – Corrente de coletor; 
�� – Corrente de base; 
� – Fator de transformação entre corrente de base e corrente de coletor, este 
parâmetro é construtivo e encontrado nos manuais dos TBJ como Hfe. 
No emissor, podemos observar que existe um no, onde chegam as correntes de 
base e de coletor (ou saem caso o TBJ seja um pnp). Devido a Lei de Kirchoff 
da correntes podemos determinar que a corrente de emissor será: 
�
 = �� + �	 
Desta forma podemos equacionar esta corrente em termos apenas da corrente 
de base ou da corrente de coletor sendo respectivamente: 
�
 = �� + ��� 
Assim: 
�
 = ���1 + �� 
Para �	: 
�
 = �	� + �	 
�
 = �	 �1 + �� � = ��	 
Onde: 
� = 1 + �� 
Porém, quando observamos o circuito com o TBJ, inicialmente não conseguimos 
determinar diretamente o modo de operação em que ele está operando, sendo 
necessário primeiramente determinar para saber qual modelo correto o TBJ está 
operando para após encontrar suas tensões e corrente. Como o único modelo 
que possui uma dependência de correntes é o modelo linear, iniciamos supondo 
que o TBJ está em modo linear e substituímos este modelo no circuito para achar 
as tensões e correntes e após verificar se nossas suposições estão corretas. Por 
fim, calculamos tudo no modelo correto, que já estará calculado no caso do 
modelo linear. 
Vamos ao passo a passo destes cálculos como o circuito abaixo: 
 
Passo 1 – Substituímos o TBJ pelo seu modelo linear: 
 
Passo 2 – Isolamos o circuito base emissor (superposição) para calcular a 
corrente de base, pois este circuito é composto apenas por um circuito série com 
resistores e diodos. 
 
Desta forma podemos calcular a corrente �� como a corrente que circula por este 
ramo, sendo: 
�� = ��� � ��
�� =
2 � 0,7
10� = 0,13�� = 130�� 
Passo 3 – De posse da corrente de base podemos calcular a corrente de coletor 
dado que estamos “trabalhando na região linear”; 
�	 = ��� = 200 ∗ 130� = 26�� 
Passo 4 – Voltando ao modelo linear agora podemos determinar as tensões do 
circuito para saber se nossa suposição está correta: 
 
A tensão �� pode ser calculada como: 
�� = ��� � �"� = 2 � �130� ∗ 10�� = 2 � 13,6�� = 1,98� 
A tensão �	 será: 
�	 = �		 � �"� = 10 � �26� ∗ 1�� = 10 � 26� = �16� 
Passo 5 – Fazer a comparação das tensões de acordo com a tabela de modos 
de operação. 
Podemos ver que: 
�	��16�� < ���1,98�� > �
�0�� 
Assim o modelo linear não está correto sendo o modelo correto o modelo de 
saturação onde ambos os transistores estão polarizados diretamente. 
Passo 6 – Adequar o modelo correto e calcular novamente os parâmetros. 
 
Assim vemos que o lado da malha base emissor permanece a mesma, onde 
teremos uma corrente de base �� = 130�� e �� = 1,98�, já a malha de coletor 
emissor teremos, no modelo de saturação, um circuito semelhante ao circuito de 
base emissor, porém com coletor e emissor. Assim iremos calcular este circuito 
série onde teremos: 
�	 = �		 � �	
�	 =
10 � 0,7
1� = 9,3�� 
A tensão de coletor será: 
�	 = �		 � �"� = 10 � �9,3� ∗ 1�� = 10 � 9,3 = 0,7� 
Se fizermos novamente a comparação das tensões temos que: 
�	�0,7� < ���1,98� > �
�0�� 
Vale ressaltar que mesmo após a substituição do modelo correto, o perfil de 
tensões não se altera, confirmando o modelo em saturação. 
Exercício de revisão: 
Dado o circuito de exemplo, substitua o valor do resistor de base de 1kohms por 
um de 50kohms e veja se o modo de operação se altera para o modelo linear. 
 
 
2 – Ponto de Operação 
Como vimos anteriormente, o TBJ possui três modos de operação (corte, 
saturação e linear) e estes modos de operação dependem das tensões aplicadas 
em seus terminais que fará com que seus diodos internos (junções pn) se 
comportem de modo específico a nos trazer estes pontos de operação. 
Um modo de operação em especial merece nossa atenção pois pormeio dele 
iremos conseguir a nossa amplificação de pequenos sinais. 
Para tal devemos conhecer algumas curvas características do TBJ para 
entendermos melhor o seu funcionamento e quais parâmetros devemos levar em 
conta para que sua operação esteja sempre dentro daquilo que desejamos para 
que não cause nenhuma distorção no sinal quando este componente estiver 
operando como amplificador. 
A primeira curva é a relação entre �%& e �%. Como sabemos, esta junção pn irá 
formar um diodo que em modo de operação na região linear deverá estar 
polarizado diretamente. Assim sendo, a curva de tensão e corrente citada 
anteriormente será semelhante a curva de um diodo semicondutor polarizado 
diretamente. 
 
 
Repare que conforme variamos a tensão ��&, o ponto em que polarizamos 
diretamente o transistor irá mudar para mais ou menos. 
Outra curva importante é a relação entre a tensão ��& e ��. Por meio desta curva 
iremos visualizar os parâmetros de corrente, tensão e potência máxima de 
operação do transistor e também com ela iremos marcar o ponto em que 
queremos operar o TBJ de forma a não distorcer o sinal de entrada que será 
aplicado ao terminal de base fazendo com que ocorram variações em �%&. 
 
A linhas pontilhadas demarcam os limites operacionais do TBJ. A linha tracejada 
superior determina a máxima corrente de coletor. A tracejada vertical mais a 
direita das curvas demarca a máxima tensão entre coletor e emissor. Já a linha 
tracejada curva ao centro do gráfico demarca o máximo de potência que o TBJ 
pode operar. Abaixo da primeira curva (parte inferior do gráfico) temos a região 
de corte do transistor. A região azul mais à esquerda do gráfico, entre o eixo 
vertical �� e as curvas do transistor representam a região de saturação. 
Cada linha azul representa a relação entre ��& e �� para cada �% aplicado. 
Reparem que a região central da curva estas linhas se tornam cada vez mais 
horizontais, sendo uma região de operação linear e previsível, onde mesmo 
quando há variações de ��& não haverá variação de �� com este parâmetro, ou 
seja, �� varia apenas em relação a �%, por exemplo o ponto B. 
No ponto A temos o transistor sem polarização, não é um ponto bom de operação 
pois pode gerar distorção do sinal devido ao sinal poder estar trabalhando em 
corte ou em saturação. O ponto D está muito próximo a região de máxima tensão 
e potência o que pode gerar também distorção do sinal e danos ao componente. 
O ponto C etá muito próximo aos limites inferiores de corte, o que pode, 
dependendo do sinal, gerar distorção deste. Assim, a melhor região de operação 
neste gráfico é em torno do ponto B onde teremos o máximo de excursão do 
sinal dada as variações de corrente de base sem distorcer o sinal. 
 
Ao colocarmos um gráfico ao lado do outro vemos que a representação de 
variações de �% irão repercutir diretamente nos valores de �� e na região linear, 
estes valores não depende de ��&, por isso, devemos centrar nossa polarização 
sempre em um ponto onde consigamos a máxima excursão do sinal de entrada, 
este ponto é chamado de ponto quiescente ou Ponto Q e para isso devemos 
realizar a polarização do TBJ. Devemos sempre também ter em mente, para 
encontrar o ponto Q a reta de carga do nosso circuito com TBJ conforme a seguir. 
 
3 – Polarização do TBJ 
A polarização do TBJ é um importante fator para que consigamos manter o TBJ 
na faixa de operação linear e para isso utilizamos alguns circuitos que irão, além 
de manter o TBJ na região de operação desejada, minimizar os efeitos de 
temperatura e de variações de Beta as quais os TBJ estão sujeitos além de 
podermos utilizar apenas uma fonte de alimentação. 
Um dos principais, mais fáceis e mais utilizado circuitos de polarização é o por 
divisor de tensão. 
 
Figura 4 - Circuito polarização por divisor de tensão 
Neste circuito a tensão �� será dada pelo circuito divisor de tensão formado pela 
fonte, e os resistores �' e �(. Para podermos achar o modelo linear conforme 
vimos anteriormente, podemos adquirir um equivalente thevenin do divisor de 
tensão, fazendo com que ele se assemelhe aos modelos com duas fontes. 
Assim: 
 
Figura 5 - Modelo Thevenin do circuito divisor de tensão 
Onde: 
�)* = �		 ∗ � �'�' + �(� 
E 
�)* = �'//�( = �'�(�' + �( 
Podemos então aplica a lei da tensão das malhas no circuito base emissor – 
linha tracejada vermelha. 
�)* � ���)* � ��
 � �
�
 = 0 
Sabendo que: 
�� = �
1 + � 
Podemos substituir na equação para retirarmos ��: 
�)* � �
1 + � �)* � ��
 � �
�
 = 0 
Colocando a equação em termos de �
, teremos: 
�
 = �)* � ��
�
 + � �)*1 + ��
 
Sendo 
�)* – A resistência percebida pela base ��; 
�
 = �)* � ��
�
 + � ��1 + ��
 
O primeiro ponto importante que observamos na equação acima é que, o valor 
de �, se torna menos importante para este circuito, assim se houver uma 
variação de beta, seja por qual motivo for, como por exemplo troca dos 
componentes por outro semelhante, porém que tenha valores de beta diferentes, 
não irá causar grande interferência nos valores de �
, consequentemente nos 
valores de polarização ��. Porém isto pode ser potencializado se se fizermos a 
resistência de emissor ser muito maior que a resistência de thevenin do circuito 
equivalente. 
Para garantirmos isto, devemos fazer com que: 
�
 < �, < 0,1�
 
Onde �, é a corrente que circula pelos resistores do divisor de tensão. 
Quando olhamos para o numerador da equação vemos que existe a tensão ��
, 
esta tensão é dada pelo diodo entre base e emissor que estará polarizado 
diretamente. Conforme vimos em nossos estudos de diodos, estes componentes 
possuem uma variação de corrente de acordo com sua temperatura de 
operação. Este fato pode causar variações na polarização devido a aumentos ou 
diminuições de temperatura no componente. Para mitigar este fato devemos 
fazer com que a tensão de thevenin do circuito divisor seja muito maior que a 
tensão ��
. Em termos práticos devemos fazer com que a tensão de thevenin 
seja: 
�)* = 13�		 
Desta forma garantimos que a tensão no divisor seja grande o suficiente para 
que variações de ��
 se tornem insignificantes ao circuito. 
Vamos a um exemplo: 
Considere o circuito abaixo que possui um TBJ BC549A que possui o valor de 
beta igual a 180 e ��
 = 0,66� 
Pede-se para calcular os resistores de polarização e de emissor. 
 
Primeiramente vamos fazer com que �)* ≫ ��
, assim: 
�� = �)* = 13�		 =
9
3 = 3� 
Sendo assim podemos calcular �
 
�
 = �� � ��
 = 3 � 0,66 = 2,34� 
Assim podemos calcular �
 
�
 = �
�
 =
2,34
1,5� = 1,56�0ℎ�2 
Para que haja uma boa estabilidade a variações de beta, fazemos com que: 
�"' = 0,1�
 = 0,1 ∗ 1,5� = 0,15�� 
Se pegarmos apenas o ramo do divisor de tensão e equacionarmos conforme a 
LKT, teremos: 
 
Assim: 
�		 � �'�"' � �(��"' � ��� = 0 
Como a corrente de base será muito pequena dado que (�� = 3�'45 =
',67
'8' =
8,3��) podemos desprezá-la, assim teremos: 
�		 � �'�"' � �(�"' = 0 
Assim teremos que: 
�1 + �2 = �		�"' =
9
0,15� = 60�0ℎ�2 
Pela fórmula do divisor de tensão temos que: 
�� = �		 � �'�' + �(� = 3� 
Assim �' = 20�0ℎ�2 e �( = 40�0ℎ�2 
Assim após nossas aproximações devemos conferir se alcançamos os nossos 
parâmetros, assim: 
�
 = �)* � ��
�
 + � ��1 + ��
 
 
�
 = 3 � 0,66
1,56� + �20�//40�1 + 180 �
= 1,43�� 
Vemos que houve uma pequena variação, mas que ficamos bem próximos ao 
nosso valor de corrente de emissor desejado. 
Exercício 
Dado o mesmo circuito anterior, repita a operação para uma corrente de emissor 
igual a 2mA, substituía a fonte de alimentação para 12V.