Polarização de Transistores

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UPEM
Núcleo de Pesquisa em Mecatrônica 
CEFET/RJ campus Nova Iguaçu
Eletrônica I
(GELE0631)
Caṕıtulo 4
Polarização CC - TBJ
Rene Cruz Freire
rene.freire@cefet-rj.br
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca
Campus Nova Iguaçu
8/2023
Sumário
Introdução
Ponto de Operação
Circuito de Polarização Fixa
Configuração de Polarização do Emissor
Polarização por Divisor de Tensão
Configuração com Realimentação de Coletor
Configuração Seguidor de Emissor
Configuração Base-comum
Configurações de Polarização Combinadas
Resumo de Configurações
Operações de Projeto
Transistores PNP
Circuitos com Chaveamento de Transistor
Aplicações Práticas
Introdução
Objetivos do Caṕıtulo 4
▶ Ser capaz de determinar os valores de corrente cont́ınua
para as várias configurações importantes com TBJ.
▶ Entender como medir os valores de tensão importantes de
uma configuração com TBJ e usá-los para determinar se o
circuito opera corretamente.
▶ Conhecer as condições de saturação e de corte de um
circuito com TBJ e os ńıveis esperados de tensão e corrente
estabelecidos por cada condição.
▶ Ser capaz de realizar uma análise por reta de carga das
configurações mais comuns com TBJ.
▶ Familiarizar-se com o processo de concepção de
amplificadores com TBJ.
Introdução
▶ Polarização: tensões CC aplicadas a um transistor para
ligá-lo para que ele possa amplificar o sinal CA.
▶ Relembrando as seguintes operações básicas para um
transistor:
VBE
∼= 0,7V
IE = (β + 1)IB
IC = βIB
IE ∼= IC
Ponto de Operação
▶ A entrada CC estabelece um ponto de operação (ou ponto
quiescente) chamado ponto Q.
▶ Há vários pontos de operação dentro dos limites de
operação de um transistor.
Ponto de Operação
Os Três Estados Operativos
▶ Operação na região linear
▶ Junção base-emissor polarizada diretamente
▶ Junção base-coletor polarizada reversamente
▶ Operação na região de corte
▶ Junção base-emissor polarizada reversamente
▶ Junção base-coletor polarizada reversamente
▶ Operação na região de saturação
▶ Junção base-emissor polarizada diretamente
▶ Junção base-coletor polarizada diretamente
Circuito de Polarização Fixa
Circuito de Polarização Fixa
Circuito de polarização fixa Equivalente CC
Circuito de Polarização Fixa
Polarização direta da junção base-emissor
Através da Lei das Malhas,
temos:
+VCC − IBRB −VBE = 0
Resolvendo para a corrente de
base:
IB =
VCC −VBE
RB
Circuito de Polarização Fixa
Malha coletor-emissor
Corrente de coletor:
IC = βIB
Através da Lei das Malhas,
temos:
VCE = VCC − ICRC
Exemplo 01
1. Para a configuração de polarização fixa abaixo, determine:
a) IB e IC
b) VCE
c) VB e VC
d) VBC
Exemplo 01
Solução:
a) IB =
VCC −VBE
RB
=
12V − 0,7V
240kΩ
= 47,08µA
IC = βIBQ
= 50× 47,08µA = 2,35mA
b) VCE = VCC − ICRC = 12V − (2,35mA× 2,2kΩ) = 6,83V
c) VB = VBE +VE = 0,7V + 0V = 0,7V
VC = VCE +VE = 6,83V + 0V = 6,83V
d) VBC = VB −VC = 0,7V − 6,83V = −6,13V
O sinal negativo indica polarização reversa da junção
Circuito de Polarização Fixa
Saturação do Transistor
ICsat =
VCC
RC
Circuito de Polarização Fixa
Saturação do Transistor
Circuito de Polarização Fixa
Análise por Reta de Carga
Circuito de Polarização Fixa
Análise por Reta de Carga
Circuito de Polarização Fixa
Análise por Reta de Carga
Movimento do ponto Q com aumento do ńıvel de IB .
(O ńıvel de IB é alterado variando o valor de RB )
Circuito de Polarização Fixa
Análise por Reta de Carga
Efeito do aumento de RC na reta de carga e no ponto Q .
(VCC fixo)
Circuito de Polarização Fixa
Análise por Reta de Carga
Efeito da redução de VCC na reta de carga e no ponto Q .
(RC fixo)
Exemplo 02
2. Para a configuração de polarização fixa abaixo, determine
VCC , RC e RB :
Exemplo 02
Solução:
Em IC = 0mA: VCE = VCC = 20V
Em VCE = 0V : IC =
VCC
RC
→ RC =
VCC
IC
=
20V
10mA
= 2kΩ
IB =
VCC −VBE
RB
→ RB =
VCC −VBE
IB
=
20V − 0,7V
25µA
=
772kΩ
Configuração de Polarização do Emissor
Adicionar um resistor (RE ) ao circuito emissor estabiliza o
circuito de polarização.
Configuração de Polarização do Emissor
Malha base-emissor
Através da Lei das Malhas,
temos:
+VCC−IBRB−VBE−IERE = 0
Sabendo que IE = (β + 1)IB :
+VCC − IBRB −VBE − (β +
1)IBRE = 0
Resolvendo para IB :
IB =
VCC −VBE
RB + (β + 1)RE
Configuração de Polarização do Emissor
Malha coletor-emissor
Através da Lei das Malhas,
temos:
IERE +VCE + ICRC −VCC = 0
Sabendo que IE ∼= IC :
VCE = VCC − IC (RC + RE )
Portanto:
VE = IERE
VC = VCE +VE = VCC −ICRC
VB = VCC − IBRB = VBE +VE
Exemplo 03
3. Para a configuração de polarização fixa abaixo, determine:
a) IB
b) IC
c) VCE
d) VC
e) VE
f) VB
g) VBC
Exemplo 03
Solução:
a) IB =
VCC −VBE
RB + (β + 1)RE
=
20V − 0,7V
430kΩ+ 51 · 1kΩ
= 40,1µA
b) IC = βIB = 50 · 40,1µA ∼= 2,01mA
c) VCE = VCC − IC (RC + RE ) =
20V − 2,01mA · (2kΩ+ 1kΩ) = 13,97V
d) VC = VCC − ICRC = 20V − 2,01mA · 2kΩ = 15,98V
e) VE = VC −VCE = 15,98V − 13,97V = 2,01V
ou VE = IERE
∼= ICRE = 2,01mA · 1kΩ = 2,01V
f) VB = VBE +VE = 0,7V + 2,01V = 2,71V
g) VBC = VB −VC = 2,71V − 15,98V = −13,91V
Com polarização reversa, como exigido.
Configuração de Polarização do Emissor
Melhoria na estabilidade da polarização
▶ A estabilidade refere-se a uma condição do circuito em que
as correntes e tensões permanecerão razoavelmente
constantes em uma ampla faixa de temperaturas e valores
de Beta (β) do transistor.
▶ Adicionar uma resistência RE ao emissor melhora a
estabilidade de um transistor.
Exemplo 04
4. Prepare uma tabela e compare as tensões e as correntes de
polarização dos circuitos das figuras abaixo para o valor de
β = 50 e para um novo valor de β = 100. Compare as
variações de IC e VCE para o mesmo aumento de β.
Exemplo 04
Solução:
Efeito da variação de β na resposta da configuração com
polarização fixa:
Efeito da variação de β na resposta da configuração com
polarização do emissor:
Configuração de Polarização do Emissor
Saturação do Transistor
ICsat =
VCC
RC + RE
Configuração de Polarização do Emissor
Análise por Reta de Carga
Exemplo 05
5. Para o circuito e as curvas caracteŕısticas abaixo, faça:
a) Trace a reta de carga.
b) Para um ponto Q na curva de IB = 15µA, calcule ICQ
e
VCEQ .
c) Determine β para o ponto Q .
d) Calcule RB .
Exemplo 05
Solução:
a) Em VCE = 0V :
IC =
VCC
RC + RE
=
18V
2,2kΩ+ 1,1kΩ
=
18V
3,3kΩ
= 5,45mA
Em IC = 0mA: VCE = VCC = 18V
b) Traçando as coordenadas do ponto Q , temos: VCEQ
∼= 7,5V
e ICQ
∼= 3,3mA
c) β =
ICQ
IBQ
=
3,3mA
15µA
= 220
d) IB =
VCC −VBE
RB + (β + 1)RE
→ RB =
VCC −VBE
IB
− (β + 1)RE =
18V − 0,7V
15µA
− (220 + 1) · 1,1kΩ = 910kΩ
Exemplo 05
Solução:
Polarização por Divisor de Tensão
▶ Trata-se de um circuito de polarização muito estável.
▶ As correntes e tensões (IC e VCE ) são quase independentes
de quaisquer variações em β.
Polarização por Divisor de Tensão
Análise da Polarização por Divisor de Tensão
Redesenhando o lado de entrada da rede. Equivalente CC
Polarização por Divisor de Tensão
Análise da Polarização por Divisor de Tensão
Determinando RTh .
RTh = R1||R2
Determinando ETh .
ETh = VR2 =
R2VCC
R1 + R2
Polarização por Divisor de Tensão
Análise da Polarização por Divisor de Tensão
ETh − IBRTh −VBE − IERE = 0
IE = (β + 1)IB
IB =
ETh −VBE
RTh + (β + 1)RE
VCE = VCC − IC (RC + RE )
Polarização por Divisor de Tensão
Análise Aproximada
RE visto da malha base-emissor:
Ri = (β + 1)RE
∼= βRE
Como IB ∼= 0, então I1 ∼= I2:
VB = VCC · R2
R1 + R2
Condição do método aproximado:
βRE ≥ 10R2
IE =
VE
RE
=
VB −VBE
RE
∼= IC
VCE = VCC − ICRC − IERE → VCE = VCC − IC (RC + RE )
Exemplo 06
6. Determine a tensão de polarização CC VCE e a corrente IC
para a configuraçãocom divisor de tensão da figura abaixo.
Exemplo 06
Solução:
RTh = R1||R2 =
39kΩ · 3,9kΩ
39kΩ+ 3,9kΩ
= 3,55kΩ
ETh = VCC
R2
R1 + R2
= 22V
3,9kΩ
39kΩ+ 3,9kΩ
=
18V
3,3kΩ
= 2V
IB =
ETh −VBE
RTh + (β + 1)RE
=
2V − 0,7V
3,55kΩ+ (100 + 1)1,5kΩ
= 8,38µA
IC = βIB = 100 · 8,38µA = 0,84mA
VCE = VCC − IC (RC + RE ) =
22V − (0,84mA)(10kΩ+ 1,5kΩ) = 12,34V
Exemplo 07
7. Repita o exerćıcio anterior com β = 50.
Exemplo 07
Solução:
RTh = 3,55kΩ e ETh = 2V
IB =
ETh −VBE
RTh + (β + 1)RE
=
2V − 0,7V
3,55kΩ+ (50 + 1)1,5kΩ
= 16,24µA
IC = βIB = 50 · 16,24µA = 0,81mA
VCE = VCC − IC (RC + RE ) =
22V − (0,81mA)(10kΩ+ 1,5kΩ) = 12,69V
Configuração com Realimentação de Coletor
▶ Outra maneira de melhorar a estabilidade de um circuito
de polarização é adicionar um caminho de realimentação do
coletor à base.
▶ Neste circuito de polarização, o ponto Q é apenas
ligeiramente dependente do β.
Configuração com Realimentação de Coletor
Malha base-emissor
Através da Lei das Malhas, temos:
VCC−I ′CRC−IBRF−VBE−IERE = 0
Sabendo que IB << IC :
I ′C = IC + IB ∼= IC
Sabendo que IC = βIB e IE ∼= IC :
VCC−βIB (RC+RE )−IBRF−VBE = 0
Resolvendo para IB :
IB =
VCC −VBE
RF + β(RC + RE )
Configuração com Realimentação de Coletor
Malha coletor-emissor
Através da Lei das Malhas, temos:
IERE +VCE + I ′CRC −VCC = 0
Sabendo que I ′C
∼= IC e IE ∼= IC :
IC (RC + RE ) +VCE −VCC = 0
Resolvendo para VCE :
VCE = VCC − IC (RC + RE )
Exemplo 08
8. Determine os valores quiescentes de ICQ
e VCEQ
para o
circuito da figura abaixo.
Exemplo 08
Solução:
IB =
VCC −VBE
RF + β(RC + RE )
=
10V − 0,7V
250kΩ+ 90(4,7kΩ+ 1,2kΩ)
=
11,91µA
ICQ = βIB = 90 · 11,91µA = 1,07mA
VCEQ
= VCC − IC (RC + RE ) =
10V − (1,07mA)(4,7kΩ+ 1,2kΩ) = 3,69V
Exemplo 09
9. Repita o exerćıcio anterior para β = 135
Exemplo 09
Solução:
IB =
VCC −VBE
RF + β(RC + RE )
=
10V − 0,7V
250kΩ+ 135(4,7kΩ+ 1,2kΩ)
=
8,89µA
ICQ = βIB = 135 · 8,89µA = 1,2mA
VCEQ
= VCC − IC (RC + RE ) =
10V − (1,2mA)(4,7kΩ+ 1,2kΩ) = 2,92V
Exemplo 10
10. Determine o valor CC de IB e VC para o circuito da figura
abaixo.
Exemplo 10
Solução:
IB =
VCC −VBE
(RF1 + RF2) + β(RC + RE )
=
18V − 0,7V
(90kΩ+ 110kΩ) + 75(3,3kΩ+ 0,51kΩ)
= 35,5µA
IC = βIB = 75 · 35,5µA = 2,66mA
VC = VCC − I ′CRC
∼= VCC − ICRC =
18V − (2,66mA)(3,3kΩ) = 9,22V
Configuração Seguidor de Emissor
▶ A tensão de sáıda é retirada do terminal do emissor.
Configuração com Realimentação de Coletor
Através da Lei das Malhas, temos:
−IBRB −VBE − IERE +VEE = 0
Sabendo que IE = (β + 1)IB :
IBRB − (β + 1)IBRE = VEE −VBE
Resolvendo para IB :
IB =
VEE −VBE
RB + (β + 1)RE
Resolvendo para VCE :
VCE = VEE − IERE
Exemplo 11
11. Determine os valores quiescentes de VCEQ
e ICEQ
para o
circuito da figura abaixo.
Exemplo 11
Solução:
IB =
VEE −VBE
RB + (β + 1)RE
=
20V − 0,7V
240kΩ+ (90 + 1)(2kΩ)
= 45,73µA
IEQ = (β + 1)IB = 91 · 45,73µA = 4,16mA
VCEQ
= VEE − IERE = VEE − (β + 1)IBRE =
20V − 91 · 45,73µA · 2kΩ = 11,68V
Configuração Base-comum
▶ O sinal aplicado é conectado ao terminal emissor.
Configuração Base-comum
Analisando a malha coletor-emissor,
temos:
−VEE+IERE+VCE+ICRC−VCC = 0
Sabendo que IE ∼= IC :
VCE = VEE +VCC − IE (RE + RC )
Analisando a malha base-coletor,
temos:
VCB + ICRC −VCC = 0
Sabendo que IE ∼= IC :
VCB = VCC − IERC
Configuração Base-comum
Através da Lei das Malhas, temos:
−VEE + IERE +VBE = 0
Resolvendo para que IE :
IE =
VEE −VBE
RE
Equivalente CC da entrada
Exemplo 12
12. Determine as correntes IE e IB e as tensões VCE e VCB
para a configuração base-comum da figura abaixo
Exemplo 12
Solução:
IE =
VEE −VBE
RE
=
4V − 0,7V
1,2kΩ
= 2,75mA
IB =
IE
β + 1
=
2,75mA
60 + 1
= 45,08µA
VCE = VEE +VCC − IE (RC + RE ) =
4V + 10V − (2,75mA)(2,4kΩ+ 1,2kΩ) = 4,1V
VCB = VCC − ICRC = V −
CCβIBRC =
10V − 60(45,08µA)(24kΩ) = 3,51V
Exemplo 13
13. Para o circuito da figura abaixo: a) Determine ICQ e
VCEQ . b) Determine VB , VC , VE e VBC .
Exemplo 13
Solução:
a) IB =
VCC −VBE
RB + βRC
=
20V − 0,7V
680kΩ+ 120 · 4,7kΩ
= 15,51µA
ICQ
= βIB = 120 · 15,51µA = 1,86mA
VCEQ
= VCC − ICRC = 20V − 1,86mA · 4,7kΩ = 11,26V
b) VB = VBE = 0,7V
VC = VCE = 11,26
VE = 0V
VBC = VB −VC = 0,7V − 11,26V
Exemplo 14
14. Determine VC e VB para o circuito da figura abaixo.
Exemplo 14
Solução:
−IBRB −VBE +VEE = 0 → IB =
VEE −VBE
RB
=
9V − 0,7V
100kΩ
=
83µA
IC = βIB = 45 · 83µA = 3,735mA
VC = −ICRC = −(3,735mA · 1,2kΩ) = −4,48V
VB = −IBRB = −(83µA · 100kΩ) = −8,3V
Exemplo 15
15. Determine VC e VB para o circuito da figura abaixo.
Exemplo 15
Solução:
Determinação de RTh :
RTh = R1||R2 = 8,2kΩ||2,2kΩ = 1,73kΩ
Determinação de ETh :
I =
VCC +VEE
R1 + R2
=
20V + 20V
8,2kΩ+ 2,2kΩ
= 3,85mA
ETh = IR2 −VEE = 3,85mA · 2,2kΩ− 20V = −11,53V
Exemplo 15
Solução:
Substituição do circuito equivalente de Thèvenin
Exemplo 15
Solução:
Através da Lei das Malhas, temos:
−ETh − IBRTh −VBE − IERE +VEE = 0
Sabendo que IE = (β + 1)IB :
−ETh − IBRTh −VBE − (β + 1)IBRE +VEE = 0
Resolvendo IB , IC , VC e VB :
IB =
VEE − ETh −VBE
RTh + (β + 1)RE
=
20V − 11,53V − 0,7V
1,73kΩ+ 121 · 1,8kΩ
= 35,39µA
IC = βIB = 120 · 35,39µA = 4,25mA
VC = VCC − ICRC = 20V − 4,25mA · 2,7kΩ = 8,53V
VB = −ETh − IBRTh = −11,53V −35,39µA ·1,73kΩ = −11,59V
Resumo de Configurações
Resumo de Configurações
Operações de Projeto
▶ Corrente e/ou tensão são especificadas, e os valores de
resistência devem ser encontrados.
▶ VR e IR são, respectivamente, a tensão e a corrente
medidas ao longo do resistor.
Exemplo 16
16. Dada a curva caracteŕıstica do dispositivo, determine VCC ,
RB e RC para a configuração com polarização fixa.
Exemplo 16
Solução:
A partir da reta de carga, temos que VCC = 20V e IC = 8mA:
RC =
VCC
IC
=
20V
8mA
= 2,5kΩ
Aplicando a Lei das Malhas, temos:
VCC − IBRB −VBE = 0 → RB =
VCC −VBE
IB
=
20V − 0,7V
40µA
= 482,5kΩ
Exemplo 17
17. Encontre os valores dos resistores do circuito abaixo.
Assuma que VE = 0,1VCC e R2 ≤ 0,1βRE .
Exemplo 17
Solução:
VE = 0,1VCC = 0,1 · 20V = 2V
RE =
VE
IE
∼=
VE
IC
=
2V
10mA
= 200Ω
RC =
VRC
IC
=
VCC −VCE −VE
RC
=
20V − 8V − 2V
10mA
= 1kΩ
VB = VBE +VE = 0,7V + 2V = 2,7V
R2 = 0,1βRE = 0,1 · 80 · 0,2kΩ = 1,6kΩ
Utilizando o divisor de tensão VB =
R2
R1 + R2
VCC :
R1 =
VCC −VB
VB
R2 =
20V − 2,7V
2,7V
· 1,6kΩ = 10,25kΩ
Transistores PNP
A análise para circuitos de polarização de transistor PNP é a
mesma que para circuitos de transistor NPN. A única diferença
é que as correntes estão fluindo na direção oposta.
Exemplo 18
18. Determine VCE para o circuito da figura abaixo.
Exemplo 18
Solução:
Utilizando o divisor de tensão nos resistores da base:
VB =
R2
R1 + R2
VCC =
10kΩ
47kΩ+ 10kΩ
· (−18V ) = −3,16V
Aplicando a Lei das Malhas na malha base-emissor:
VE = VB −VBE = −3,16V − (−0,7V ) = −2,46V
Calculando a corrente do emissor:
IE =
VE
RE
=
2,46V
1,1kΩ
= 2,24mA
Aplicando a Lei das Malhas na malha coletor-emissor, com
IE ∼= IC :
VCE = −VCC + IC (RC + RE ) =
−18V + 2,24mA · (2,4kΩ+ 1,1kΩ) = −10,16V
Circuitos com Chaveamento de Transistor
▶ Transistores são usados para amplificação e também podem
ser usados como interruptores eletrônicos.
▶ No circuito abaixo temos um exemplo de implementação da
porta lógica inversora utilizando um transistor.
▶ A tensão de sáıda VC é oposta àquela aplicada à base.
Circuitos com Chaveamento de Transistor
▶ Corte: Quando IB = 0mA (VI = 0V ), IC = ICEO
∼= 0mA
→ VC = VCC = 5V .
▶ Saturação: Quando Vi = 5V , o transistor opera na região
de saturação por ter IB suficiente e VC = VCEsat
∼= 0V .
▶ O ponto de operação alterna de corte para saturação ao
longo da reta de carga.
Circuitos com Chaveamento de Transistor
▶ Corrente de saturação.
ICsat =
VCC
IC
▶ Condição para a saturação.
IB >
ICsat
βCC
▶ Quando Vi = 5V :
IB =
Vi − 0,7V
RB
=5V − 0,7V
68kΩ
= 63µA
ICsat =
VCC
RC
=
5V
0,82kΩ
= 6,1mA
ICsat
βCC
=
6,1mA
125
= 48,8µA < IB = 63µA
Circuitos com Chaveamento de Transistor
Condições de saturação e resistência resultante entre os
terminais
Condições de corte e resistência resultante entre os terminais
Aplicações Práticas
Acionador de Relé
a) Ausência de dipositivo protetor
b) Com um diodo na bobina do relé
Aplicações Práticas
Manutenção de Corrente de Carga Fixa
▶ Construção de uma fonte de corrente constante
considerando curvas caracteŕısticas do TBJ ideais:
a) Curvas caracteŕısticas ideais
b) Circuito
c) Demonstração da razão pela qual IC permanece constante
Aplicações Práticas
Manutenção de Corrente de Carga Fixa
▶ Circuito que estabelece uma fonte de corrente
relativamente constante devido a sua reduzida sensibilidade
às alterações em beta.
Aplicações Práticas
Portas Lógicas
▶ Pontos de operação para uma porta lógica com TBJ.
Aplicações Práticas
Portas Lógicas
▶ Porta OR
Aplicações Práticas
Portas Lógicas
▶ Porta AND
Exerćıcios - Caṕıtulo 4
▶ Configuração de Polarização Fixa - 3, 8;
▶ Configuração de Polarização do Emissor - 8, 11;
▶ Configuração de Polarização por Divisor de Tensão - 15, 17;
▶ Configuração Seguidor de Emissor - 35;
▶ Circuitos com Múltiplos TBJ - 46;
	Sumário
	Introdução
	Ponto de Operação
	Circuito de Polarização Fixa
	Configuração de Polarização do Emissor
	Polarização por Divisor de Tensão
	Configuração com Realimentação de Coletor
	Configuração Seguidor de Emissor
	Configuração Base-comum
	Configurações de Polarização Combinadas
	Resumo de Configurações
	Operações de Projeto
	Transistores PNP
	Circuitos com Chaveamento de Transistor
	Aplicações Práticas