UNID 2 - ELETRONIC ANALOGICA

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Eletrônica analógica UNIDADE 2 - TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO Autoria: Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues - Revisão técnica: Anderson Marcolino Pereira de OliveiraIntrodução Os transistores bipolares de junção (TBJs) estão presentes em diversas aplicações e distintos equipamentos, independentemente de serem eletrônicos ou não. Foram inventados, à princípio, para serem dispositivos menores, em substituição às válvulas mas permitiram muito além disso. Dessa forma, é importante destacarmos que foi o surgimento de dispositivos como os transistores bipolares de junção que permitiram o surgimento do computador, por exemplo. Ao longo desta unidade, estudaremos as principais considerações tanto do funcionamento quanto da utilização dos transistores bipolares de junção. Em um primeiro momento, analisaremos o dispositivo de modo mais geral, entendendo aspectos construtivos quanto à respeito de sua operação básica. Além disso, também entenderemos os principais tipos de ganhos de potência, corrente e tensão, bem como as diferenças básicas entre os dispositivos do tipo NPN e PNP, dependendo da disposição dos semicondutores utilizados. Em seguida, seremos apresentados às formas de operação desse tipo de transistor, com considerações acerca das diferentes regiões de operação: saturação, corte e linear. Por último, conheceremos as principais premissas da análise CC, visualizando os circuitos de polarização e efeitos pretendidos e alcançados na prática. Bons estudos! 2.1 Visão geral sobre o transistor bipolar de junção A palavra transistor deriva do inglês transference resistor, ou seja, resistor de transferência. A demanda pelo desenvolvimento desse dispositivo possui relação direta com as antigas válvulas até então utilizadas. No entanto, diferentemente das válvulas, os transistores são muito menores e possuem outras vantagens, como a possibilidade de se dispensar uma corrente adicional para aquecimento do dispositivo, a fim de funcionar (BRAGA, 2016).Você conhece? surgimento do transistor bipolar de junção se deve ao que fora proposto por John Ambrose Fleming, engenheiro eletricista responsável pela invenção do primeiro transistor. Na ocasião, John se baseou no desenvolvimento de um dispositivo à base do semicondutor germânio para substituição das válvulas de enorme dimensão e que inviabilizavam uma série de circuitos e aplicações, além de questões de operação desta com relação à temperatura. Ademais, o engenheiro foi responsável pelo desenvolvimento de circuitos sintonizados, geradores de ruído branco, entre outros. Dessa maneira, inicialmente, conheceremos aspectos básicos da construção e operação do transistor bipolar de junção, popularmente conhecido como TBJ. Ao longo deste tópico, serão estudados as principais particularidades do funcionamento desses importantes dispositivos, os primeiros transistores inventados e alguns exemplos. Acompanhe o conteúdo! 2.1.1 Construção e operação do TBJ O TBJ recebe tal nomenclatura por ter sido desenvolvido a partir do uso de três camadas de material semicondutor (tipo n e tipo p), de modo que se obtém dois tipos principais devido às duas possibilidades de "empilhamento" dos materiais: transistores NPN e PNP. Cada região é responsável por um terminal distinto do dispositivo: base (B), emissor (E) e coletor (C). Além disso, da forma como é desenvolvido o dispositivo, torna-se evidente que, devido às junções, o TBJ se comporta como um diodo em cada uma das regiões, fazendo com que os "diodos" estejam em condução, por exemplo. Assim, a forma de polarização deverá contemplar, de modo conveniente, que os "diodos" permitam o chaveamento do circuito ao qual o transistor está aplicado. Você quer ver? Para entender na prática, de forma simples e rápida como um transistor bipolar de junção funciona, assista ao vídeo Como Testar Transistores Bipolares na Prática, a fim de compreender como determinar quais são cada um dos terminais do dispositivo, se é um transistor do tipo NPN ou PNP, a partir de um multímetro, por exemplo, utilizando dispositivos comerciais. O vídeo pode ser assistido na íntegra clicando no botão abaixo. Vale a Acesse (https://www.youtube.com/watch?v=v42SZ-4G- HQ&t=3s) Na figura a seguir, podemos identificar um painel com os dois tipos diferentes de TBJs NPN e PNP, respectivamente além dos símbolos destes em circuito, o qual é usado indicando o sentido de condução da corrente.Coletor Coletor (C) C (C) C N P Base Base P B N B (B) N (B) P Emissor E Emissor E (E) Símbolo (E) NPN PNP Figura 1 Transistores NPN e PNP Fonte: BRAGA, 2016, p. 74. #PraCegoVer: na figura, do lado esquerdo, tem-se o transistor NPN, no qual o coletor e o emissor são os semicondutores tipo n e a base do tipo Do mesmo lado encontramos, ainda, a representação em circuito do NPN, demonstrando um traço na base, com sentido da corrente do coletor para o emissor. Já do lado direito temos o TBJ PNP, sendo o coletor e emissor dos materiais do tipo p e a base do tipo Do mesmo lado está a representação do PNP no circuito, demonstrando que, nesse caso, a corrente flui do emissor para o coletor. Considerando que as junções são como diodos, tendo como exemplo um transistor PNP, quando em polarização direta do transistor, tem-se uma diminuição da região de depleção. Ela é obtida devido ao arranjo dos materiais semicondutores, ligando-se o negativo de uma fonte de tensão CC (corrente contínua) na base e o positivo no emissor. Para polarização reversa, o PNP operará com a mesma fonte, a qual deverá ser ligada com o positivo na base e o negativo no coletor Assim, perceba que, enquanto uma junção pn estará polarizada diretamente nesses casos, a outra estará polarizada de forma reversa. Com isso, a forma como devemos ligar o TBJ deverá contemplar as duas junções. Imagine, então, que há uma fonte CC para o mesmo PNP, com o negativo na base e o positivo no emissor, bem como outra fonte CC ligada com seu positivo na base e o negativo no coletor. Ao aplicar a Lei de Kirchhoff das correntes ao transistor, levando em conta como um nó único, temos que a corrente no emissor é dada em função da base e do coletor, tal que Além disso, a corrente no coletor também pode ser expressa em função dos portadores majoritários e minoritários na condução, conforme estabelecido com relação ao funcionamento da junção em que = Para estabelecer o funcionamento correto do dispositivo, utilizamos as configurações a serem analisadas no próximo item. Continue os estudos! 2.1.2 Configurações básicas de polarização Dependendo do objetivo final para o uso no circuito, o TBJ poderá ser utilizado na configuração base comum, que recebe esse nome por conta do arranjo terminal comum da base com as duas fontes, como pode ser observado na figura a seguir, tomando como exemplo o transistor NPN.n p n E C B - + - + EE E C B Figura 2 - Configuração base comum para o transistor NPN Fonte: Elaborada pela autora, baseada em BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013. #PraCegoVer: na figura, na parte superior, tem-se o circuito, o qual utiliza duas fontes CC no emissor e no coletor. Assim, VEE está com o negativo conectado ao emissor e o positivo à base, enquanto Vcc está com o negativo conectado à base e o positivo no coletor. ponto em comum das fontes com o terminal da base está aterrado. Na parte de baixo da figura, tem-se um esquema representando o sentido das correntes, com IB entrando, no sentido base-emissor e subindo. Note que, na figura anterior, a seta do símbolo gráfico apresenta qual será o sentido da corrente no emissor, que faz parte do fluxo convencional da corrente pelo dispositivo. Para analisar de forma completa, utilizam-se duas curvas: ponto de acionamento (entrada) e saída do dispositivo. Nesse caso, de acordo com Boylestad e Nashelsky (2013), temos (corrente de entrada) com (tensão de entrada - base-emissor) e (corrente de saída) com VCB (tensão de saída - coletor-base), respectivamente. painel a seguir traz as duas curvas como exemplo prático real da configuração. Note que, para diferentes valores da tensão de saída, encontramos comportamentos distintos de entrada, e vice-versa. Além disso, distinguem-se três regiões de operação do dispositivo: ativa, de corte e de saturação.(mA) 8 7 CB 6 5 4 3 2 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 (mA) Região ativa (área não sombreada) 7 mA 7 6 mA 6 5 mA 5 4 mA 4 de 3 mA 3 2 mA 2 1 = 1 mA = CO CBO = 0 mA 0 E -1 0 10 20 30 40 CB (V) Região de corte BV CBO Figura 3 Curvas de entrada e saída na configuração base comum Fonte: Elaborada pela autora, baseada em NASHELSKY, 2013. #PraCegoVer: na figura, na parte de cima, tem-se a curva de entrada de em função de demonstrando o comportamento para tensões coletor-base menores e maiores. Tanto a tensão quanto a corrente se mantêm aproximadamente lineares. Para aumentos de tensão, a corrente permanece praticamente constante até que, em dado ponto em torno de 0,6 V, a tensão passa a ser praticamente a mesma e há uma variação abrupta, exponencial, na corrente. Para VCB de 1 V, por exemplo, o aumento na corrente é um pouco menor em função de aumento de Já para VCB de 10 V e 20 V, as curvas se tornam cada vez mais acentuadas. Na parte de baixo da figura, tem-se a curva de saída da tensão coletor-base em função da corrente no coletor, demonstrando a formação das regiões de saturação, ativa e de corte. Para diferentes valores da corrente no emissor, há distintas regiões de saturação. A região de corte está compreendida na parte de baixo do gráfico.Já a de saturação está antes do dispositivo entrar para a região ativa, que é praticamente linear em toda a sua extensão, com exceção do final, em que tende a manter a tensão de saída. No caso, quem varia mais é a corrente no coletor. Note, ainda, que a região ativa da junção formada por base e emissor, estará polarizada diretamente, enquanto a base-coletor estará polarizada reversamente. Com isso, a corrente no emissor é aproximadamente a mesma no coletor. Já na região de corte, as junções estarão polarizadas de modo reverso, sendo a corrente no coletor nula. Por fim, na região de saturação, há um aumento exponencial da corrente no coletor conforme a tensão base-coletor aumenta em direção a 0 V. As junções base-emissor e base-coletor estarão polarizadas diretamente NASHELSKY, 2013). Devido às junções, quando o transistor está ligado, a tensão base-emissor é de aproximadamente 0,7 V. Ademais, assim como no caso do diodo, tem-se que a curva de entrada pode ter um joelho e comportamento aproximado estabelecidos, considerando qualquer valor de VCB, ou de forma ainda mais aproximada, caso a análise permita. Modo Avaliando a configuração base comum, no modo CC, estabelece-se o parâmetro alfa em função dos valores das correntes no coletor e emissor no ponto de operação acc = sendo que, na prática, geralmente encontramos alfa muito próximo de 1 0,98, por exemplo NASHELSKY, 2013). Assim, de forma mais exata, é possível calcular a corrente no coletor Modo CA Já no modo CA, tem-se a seguinte relação: = sendo que alfa, nesse caso, é VCBconstante denominado como base-comum, curto circuito ou fator de amplificação. Na prática, normalmente os valores de a em CA e CC são bastante próximos, o que permite igualá-los. Em suma, considerando a polarização, percebe-se que, na região ativa, a corrente na base será nula ou aproximadamente nula, enquanto as correntes e também podem ser aproximadamente iguais. Define-se a região de ruptura do dispositivo conforme a tensão coletor-base aumenta, chegando ao efeito de avalanche em dado ponto, algo semelhante ao que ocorre com um diodo NASHELSKY, 2013). Na configuração emissor comum, o terminal é o ponto comum, tal como apresentado no exemplo a seguir, utilizando novamente um transistor NPN.C n + p - B CC n + V BB E E B Figura 4 - Configuração emissor comum para o transistor NPN Fonte: Elaborada pela autora, baseada em NASHELSKY, 2013. #PraCegoVer: na figura, na parte superior, há o circuito com a fonte CC da base VBB ligada no terminal positivo à base e no negativo ao emissor. A fonte CC do coletor Vcc tem seu positivo no coletor e o negativo no emissor. O emissor está aterrado. Na parte de baixo da figura, encontramos o sentido da corrente apresentado no esquema do circuito para NPN. A corrente da base entra no dispositivo, assim como a do coletor, e é estabelecido para fora. Nesse caso, para análise, tomamos na entrada a tensão base-emissor (tensão de entrada) com a corrente de base (entrada) em função da tensão de saída do coletor-emissor (VCE). Já para a saída, considera-se a corrente no coletor (saída) com VCE em função da corrente na base. Malvino e Bates (2016) nos trazem que, analisando tais respostas, avalia-se que, na região ativa, a junção base-coletor estará polarizada de forma reversa, enquanto a base-emissor estará polarizada de forma direta. Por outro lado, na região de corte, não observamos um comportamento tão bem definido quando comparado com a configuração anterior. Analisando assim para nula, obtém-se a seguinte 1-a maneira, é possível concluir que, em um amplificador linear com mínima distorção, a região de corte será definida por Ic = o que denota a orientação de evitar a operação em regiões abaixo de NASHELSKY, 2013). Mais ainda, o valor de ICEO é normalmente baixo para dispositivos feitos de silício, denotando-se a condição de Ademais, quando o transistor está ligado (região ativa), tem-se que o valor de 0,7 V é atribuído à tensão base- emissor.Analisando, agora, o modo CC na configuração emissor comum, observamos a relação B para correlacionar as correntes no coletor e na base em um ponto específico de operação, em que temos = Normalmente, B varia entre 50 e 400 na prática. Na folha de dados do dispositivo - também referida pelo termo em inglês data sheet - vem expressa pelo parâmetro NASHELSKY, 2013). Similarmente à configuração base comum, na análise do modo CA, tem-se B expresso em função das variações, tal que expressará o fator de amplificação de corrente direta na configuração emissor comum, em que temos . Ainda há o fato de que BCA e BCC são próximos na prática, mas não necessariamente iguais. Eles podem ser determinados a partir do ponto de operação (Q) e da curva característica de entrada. A figura na sequência apresenta exemplos típicos das curvas de entrada e saída na configuração emissor comum.B (HA) CE 100 V CE 90 V 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 (mA) 8 7 6 (Região de 5 saturação) 4 3 (Região ativa) 2 1 0 5 10 15 20 CE CEO CBO (Região de corte) Figura 5 Curvas de entrada e de saída na configuração emissor comum Fonte: Elaborada pela autora, baseada em NASHELSKY, 2013. #PraCegoVer: na figura, na parte de cima, tem-se a curva de entrada da tensão base-emissor com relação à corrente de entrada (da base), sendo tal relação em função da tensão de saída (VCE). Quanto menor o valor de menor será a variação na tensão base-emissor em função de uma grande variação da corrente na base. comportamento é bem semelhante ao visto na configuração base comum, sendo que, até aproximadamente 0,6 V, a corrente é praticamente nula e se mantém constante ao aumento da tensão de entrada. Depois de 0,6 V, a tensão não muda e o aumento na corrente de entrada é quase exponencial. Na parte de baixo, tem-se a curva característica de saída da tensão coletor-emissor com a corrente no coletor, demonstrando como diferentes valores de corrente na base proporcionam comportamentos distintos, modificando as relações das regiões de saturação, ativa e corte. Similarmente ao visto na configuração base comum, tem-se a região de saturação, na parte mais próxima de e valores de tensão muito baixos, assim como diversosvalores de corrente, até que aumenta um pouco a tensão de saída, e a região ativa é relativamente linear, com pequenos aumentos de corrente no coletor para maiores elevações na tensão de saída. A região de corte é definida para toda a faixa da tensão de saída e um valor bem próximo de zero da corrente no coletor. Por outro lado, aproximando-se os ganhos B em CA e CC como iguais, assim como os ganhos a, é possível obter as seguintes relações para cálculos: a = tanto o valor da corrente no coletor em função de B, com = BIB, quanto a no emissor, com Ademais, com relação à região de ruptura do dispositivo no caso da configuração emissor comum, há a região de resistência negativa devido à avaliação de que um aumento na corrente poderá ocasionar queda de tensão. Na terceira e última configuração pré-determinada para a polarização de um TBJ, a configuração coletor comum traz um circuito utilizado em aplicações, como o casamento de impedâncias, devido ao fato de fornecer alta impedância de entrada e baixa de saída - ao contrário das demais configurações vistas. Ressalta-se que essa configuração pode ser projetada a partir da configuração emissor comum e, na prática, tem as mesmas curvas características, denotando que a corrente de entrada também é a mesma NASHELSKY, 2013). Veja um modelo com a figura a seguir. E E n p EE B + + n C BB C B E R B Figura 6 - Configuração coletor comum para um TBJ do tipo NPN Fonte: Elaborada pela autora, baseada em BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013. #PraCegoVer: na figura, do lado esquerdo, na parte superior, temos o circuito com uma fonte CC para a base ligada no positivo com a base e no negativo com o coletor. A fonte CC para o emissor VEE está ligada com seu positivo no coletor e seu negativo no emissor. O coletor está aterrado. Na parte de baixo, do lado esquerdo, há os sentidos das correntes no dispositivo, sendo que a corrente da base entra, a corrente no coletor flui pela base-emissor e a corrente no emissor é o total dessas duas.Entendido a respeito do assunto, podemos realizar uma atividade para fixar os conteúdos estudados até aqui. Pensando nisso, preparamos uma questão sobre a polarização do TBJ, para que você se prepare para os exercícios que deverão ser feitos mais à frente da disciplina. Vamos tentar?! Teste seus conhecimentos (Atividade não pontuada) No próximo item você estudará algumas observações importantes sobre o limite de operação e orientações técnicas para o uso da folha de dados. Confira! 2.1.3 Limitações de operação e uso da folha de dados Como você pode imaginar, para cada transistor existe uma região de operação. Com isso, também temos curvas características que garantem quais e quanto vale os limites para o dispositivo. Estes não devem ser excedidos para não levar à ruptura do dispositivo e danos maiores, bem como a distorções na saída, por exemplo NASHELSKY, 2013). Entre esses limites, é possível mencionar a corrente máxima no coletor, que, na folha de dados do dispositivo, é especificada como corrente de coletor contínua, tensão máxima coletor-emissor ou e tensão mínima definida a partir da saturação como VCE(sat). Além disso, é possível determinar o valor máximo de dissipação de potência pela relação = Você sabia? O transistor comercial TO-92 ou 2N4123, da Farchild, é um exemplo de transistor de uso geral de amplificação do tipo NPN. Para saber mais detalhes sobre seus requisitos e parâmetros de operação - como os mencionados ao longo do conteúdo e diversos outros acesse a folha de dados do transistor clicando no botão abaixo. Vale conferir! Acesse Com relação às limitações de regiões, especificamente, é importante ressaltar que devem ser definidas as regiões lineares - nas quais não há distorção ou esta é mínima de corte e de saturação dos dispositivos. No próximo tópico, entenderemos alguns aspectos importantes quanto às regiões de operação e a operação como chave. Antes, no entanto, vamos praticar o que estudamos até o momento colocando a mão na massa? Vamos Praticar!entendimento geral do funcionamento de um transistor bipolar de junção está, sem dúvidas, ligado ao entendimento da teoria acerca desses importantes dispositivos, com os aspectos técnicos fornecidos pelo fabricante, que poderão ser consultados pela folha de dados. Assim, no projeto de qualquer circuito transistorizado, será de enorme importância ter conhecimento dos parâmetros térmicos, elétricos e possíveis comportamentos apresentados pelo transistor em diferentes circunstâncias. Com base nisso, busque mais detalhes acerca do TBJ do tipo PNP BD 136. Depois, apresente um breve resumo sobre aplicações e aspectos técnicos desse dispositivo. 2.2 Questões sobre ganho de corrente, saturação e operação como chave Para compreendermos melhor certas questões operacionais do TBJ, devemos lembrar que, assim como no caso do diodo, o dispositivo poderá ser aproximado de forma ideal ou o mais próxima do real, como mostram os circuitos adiante, comparando-se com o dispositivo normal.+ + EC BE - - (a) + + IDEAL B VEC EC - - (b) + + = 0,7 V B VEC SEGUNDA - - (c) Figura 7 - Aproximações para o TBJ Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 204. #PraCegoVer: na figura, no topo, temos um transistor NPN normal, mostrando-se a tensão base-emissor e a tensão emissor-coletor. Em seguida, no centro da figura, há a aproximação ideal, utilizando um diodo associado à VBE que, para simplificação, é zero. Há uma fonte de corrente, dada sua intensidade Por último, embaixo, temos a aproximação mais próxima do real, considerando-se a queda de 0,7 V e demais detalhes idem à anterior. As três aproximações estão dispostas no centro na figura, uma embaixo da outra. Note que, dependendo da exatidão da modelagem, poderá ser necessário uma ou outra forma de aproximação. Isso para que sejam consideradas todas as possíveis características do dispositivo ou uma representação mais simplificada, que já atenda às necessidades de modelagem do circuito. Você sabia? O entendimento da relação explicitada pela resistência de corpo do TBJ é importante, especialmente, em aplicações de maior potência, nas quais a corrente que circulará pelo dispositivo também seráalta. Um exemplo prático é que o valor de nessas circunstâncias poderá ser maior do que 1 V. Considerando como exemplo outro dispositivo real, o 2N3904, as seguintes relações de ganho mínimo e máximo, como podemos observar na tabela a seguir, dado um valor de corrente no coletor. (mA) 0,1 40 - 1 70 - 10 100 300 50 60 - 100 30 - Tabela 1 - Ganhos no 2N3904 em função da corrente no coletor Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 211. #PraCegoVer: na tabela, temos três colunas e seis linhas. Há diferentes valores da corrente no coletor, em miliamperes, bem como os valores de ganhos hFE mínimos e máximos na outra coluna. Para 0,1 mA, 40 de mínimo, sem valor máximo. Para 1 mA, tem-se 70 de mínimo, sem valor máximo. Já para 10 mA, tem-se 100 de mínimo e 300 de máximo. Para 50 mA e 100 mA, tem-se de mínimo de 60 e 30, respectivamente. No caso, a relação não é linear, até por questões como a própria temperatura e o comportamento dos materiais. Para entender a operação como chave, é necessário analisar as relações entre os diferentes pontos de operação, bem como as regiões, também a depender do ganho. Caso Considere que você é o engenheiro responsável pelo desenvolvimento de um novo material semicondutor para uso em dispositivos como transistores e diodos. Para tanto, considera-se especificamente a aplicação como transistor. Dadas as exigências para esse tipo de dispositivo, foi necessário compreender as variações vistas no ganho de corrente. Assim. quais são as principais premissas a serem consideradas? Você se recorda? É fundamental lembrar que o ganho de corrente depende de três fatores: o próprio transistor (material, especificações técnicas intrínsecas), a corrente que é estabelecida no coletor e a temperatura. Dessa forma, uma análise completa deverá contemplar as três condições, com base em um possível caso e ummelhor caso, dado o cenário. Além disso, com relação à temperatura, é possível avaliar o comportamento da corrente no coletor frente a diferentes valores de para distintos valores de temperatura, por exemplo. Finalizado o assunto, a partir do próximo tópico, estudaremos as principais considerações acerca da análise de circuitos com TBJs, distinguindo-se, em um primeiro momento, a análise em corrente contínua. Contudo, antes de passar para esse assunto, vamos colocar nossos conhecimentos em prática? Vamos Praticar! A definição do modo de operação de um transistor bipolar de junção, como amplificador ou em corte, por exemplo, está diretamente ligada ao entendimento das características básicas tanto desses tipos de dispositivos de junção quanto de aspectos técnicos informados pelos fabricantes, que dirão respeito a dado dispositivo ou à sua família principal de componentes. Pensando nisso, escolha um dispositivo comercial destinado à operação em circuitos de potência e traga aspectos relevantes sobre suas condições de operação, considerando o que a escolha demandaria em um circuito real. Uma dica é consultar as folhas de dados de TBJs de potência e optar por um dos modelos em específico, a fim de explorar e dissertar a respeito. 2.3 Análise CC Antes de começarmos nossa análise e o entendimento dos passos básicos e das possíveis operações do transistor, é fundamental compreender que "[...] qualquer aumento de tensão, corrente ou potência CA será resultado de uma transferência de energia das fontes CC aplicadas" NASHELSKY, 2013, p. 144) Ademais, devemos relembrar três relações básicas: 22 0,7 Começando com o ponto de operação, este é o parâmetro relacionado aos valores de tensão e corrente CC nas curvas características para a definição da região de amplificação. De acordo com Boylestad e Nashelsky (2013), por ser um ponto fixo na curva, também é chamado de ponto Q (quiescente). A figura a seguir nos traz como exemplo os possíveis pontos de operação para um dado dispositivo. Acompanhe os detalhes:(mA) 80 UA 70 HA 25 60 20 50 P 40 15 30 UA Saturação B 10 D 20 5 10 C = 0 A 0 5 10 15 20 V CE Corte Emax Figura 8 Possíveis pontos de operação dentro das limitações do TBJ Fonte: BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 146. #PraCegoVer: na figura, temos um gráfico de curvas características da tensão coletor-emissor com relação à corrente no coletor, em função da corrente na base. Para diferentes valores de corrente de base, há pontos de operação distintos e curvas características, juntamente com as regiões formadas de saturação, de corte e ativa (linear). Está representada, também, a curva referente à potência máxima dissipada (PCmax), curva que parte do valor máximo de até valores mais baixos. Importante salientar que dado circuito de polarização poderá ser desenvolvido para o TBJ de modo que sua operação ocorra em qualquer um dos pontos ou dentro de outros pontos definidos na região ativa (linear). Tomando como exemplo essa região, tem-se que, normalmente, será possível fazer a seleção de áreas distintas de operação ou, pelo menos, de um conjunto de pontos distintos. Assim como no caso dos diodos, deve-se prever em projeto as variações observadas mediante às alterações na temperatura, o que faz com que, na prática, seja estabelecido um fator de estabilidade (S). Tomando a figura anterior como exemplo de estratégias para a polarização, começamos nossa análise pelo ponto A. Como se sabe, é necessário polarizar o dispositivo para que ele responda de forma adequada ao sinal de entrada. Nesse sentido, o ponto A não é adequado para ser ponto de operação. Por outro lado, analisando o ponto B, percebemos que este já permite, possivelmente, a amplificação, mediante dada entrada. Sendo esse sinal de entrada escolhido de forma adequada, tensão e corrente sofrerão variações ao longo da amplificação, mas o dispositivo não passará a operar em corte ou na região de saturação. Mais ainda, ao analisarmos o ponto C, percebemos que se permite pouca variação de tensão e corrente devido à proximidade dos pontos VCE = 0 V e mA, algo que poderá fazer com que o circuito passe a operar em regiões não lineares. Por último, mas não menos importante, o ponto D está próximo de pontos máximos de tensão e corrente, levando a restrições semelhantes às vistas no ponto C.Dessa forma, podemos concluir que, por oferecer uma região de espaçamento mais linear e, com isso, maior excursão tanto de tensão quanto de corrente, o ponto B é a melhor opção nesse caso. De forma sucinta, Boylestad e Nashelsky (2013) mencionam que, para a polarização do TBJ na região ativa, duas situações deverão ocorrer na prática. Clique nos recursos a seguir para descobrir! A junção base-emissor deverá estar polarizada de forma direta, com tensão de 0,6 Situação 1 até 0,7 V. A junção base-coletor deverá estar polarizada de forma reversa, com tensão reversa Situação 2 dentro das limitações do dispositivo. Já a operação na região de corte demandará que tanto a junção base-emissor quanto a base-coletor estejam polarizadas de forma reversa, ao contrário da operação na região de saturação, em que ambas deverão estar polarizadas de forma direta. Isso ficará mais claro ao longo de nossos estudos! 2.3.1 Circuito de polarização fixa Um circuito de polarização fixa representa uma das principais possibilidades para se implementar a polarização CC de um TBJ. Para entender como isso ocorre, consideraremos como exemplo o uso de um transistor NPN, como mostra o circuito de exemplo na próxima figura. C sinal de sinal de + C2 saída CA entrada CA C B + CE E Figura 9 Circuito de polarização fixa Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 147. na figura, temos um desenho de um circuito de polarização fixa. O sinal de entrada CA está ligado ao circuito por um capacitor de entrada (C1), que possui seu outro terminal ligado à base do TBJ (NPN, nesse caso) e um resistor de base RB com o outro terminal associado à uma fonte para o coletor (Vcc). A fonte ainda está ligada à dada resistência para o coletor (RC), que está associado ao coletor e a um capacitor de saída (C2). O terminal emissor está aterrado. O sinal de saída é CA. No circuito equivalente CC, os capacitores se comportam de forma aproximada como circuitos abertos. Vamos, então, iniciar pela análise da polarização da junção base-emissor, lembrando que o circuito deve fornecer a polarizaçãoConforme Malvino e Bates (2016), pela Lei das Tensões de Kirchhoff, obtém-se a seguinte equação para o cálculo da corrente na base: = Avaliando a malha formada por coletor-emissor, para o cálculo da corrente no coletor, temos que = BIB. Já para o cálculo da tensão coletor-emissor, temos a expressão Contudo, sendo a tensão no emissor nula, a seguinte equação para a tensão coletor-emissor: Já para a base-emissor, temos que = Ainda considerando o circuito anterior, suponha que se deseja que um circuito opere na região de saturação. Nesse caso, a corrente deverá ser dado valor máximo especificado em projeto, com o ponto de operação definido a partir da premissa de operação na região (MALVINO; BATES, 2016). Matematicamente, obtém-se a seguinte relação de projeto: RC Outra possibilidade de determinar esses parâmetros é pela análise da reta de carga, semelhante ao que é feito no caso de diodos, mas considerando o circuito de polarização fixa. Essa análise pode ser sintetizada pela figura a seguir. Ponto Q Reta de carga 0 Figura 10 Análise pela reta de carga na polarização fixa Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 151. #PraCegoVer: na figura, temos um gráfico com diferentes curvas características (VCE em função de para distintos valores de corrente na base, demonstrando o uso da reta de carga com um exemplo na terceira curva de ponto Q. A reta de carga é traçada do ponto correspondente à até Vcc- Por cima das curvas, tem-se os RC pontos nos quais VCE é nula, sendo estes no início das regiões das curvas (lado esquerdo). Também se apontam os locais de nula, na parte de baixo do gráfico. Nesse caso, utiliza-se como base a seguinte relação para a tensão coletor-emissor: Já para a corrente no coletor, a recíproca se dá por VccMalvino e Bates (2016) nos explicam que, para melhorar a estabilidade da polarização fixa, é possível utilizar a configuração de polarização do emissor. Para tanto, insere-se um resistor RE associado ao terminal e, analisando a malha base-emissor como anteriormente, obtém-se a seguinte corrente de base: Para o cálculo auxiliar do resistor emissor, temos que Já analisando a malha coletor-emissor, tem-se que e = VCE + Por último, temos na base = Vcc RBIB = VBE + Com relação à saturação, temos a relação expressa por adicionando-se RE Além disso, assim RC como no caso anterior, é possível analisar pela reta de carga, considerando a adição de RE em Vcc V e mantendo a relação VCE = 2.3.2 Circuito de polarização por divisor de tensão Com base na fragilidade frente à temperatura, é possível definir outro tipo de circuito, de modo que a polarização ocorra de forma menos dependente do ganho B ou completamente independente deste (MALVINO; BATES, 2016). Estamos nos referindo ao circuito de polarização por divisor de Com isso, uma possibilidade é o circuito adiante: R, C2 C R2 RE E Figura 11 Circuito de polarização por divisor de tensão Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 158. #PraCegoVer: na figura, temos o desenho de um circuito de polarização por divisor de tensão. A entrada CA é dada por Vi, com capacitor de entrada C1 ligado aos resistores das entradas R1 e R2, que possuem o ponto em comum. No coletor, tem-se a fonte contínua Vcc com o resistor R1 e o resistor do coletor que está ligado a ele e ao capacitor de saída C2. O resistor R2 tem o outro terminal aterrado, junto com o resistor RE ligado ao terminal do emissor e ao terra. representa a saída. Na análise exata, iniciamos pelo equivalente de Thévenin, lembrando que o circuito deve ser redesenhado, como feito anteriormente na polarização fixa. Assim, com e R2 em paralelo RTh, define-se também a tensão de Thévenin, que será, pelo divisor de tensão,A corrente na base será dada por IB = A tensão coletor-emissor é a mesma expressa por na análise aproximada, nesse caso, estabelece-se o valor da tensão na base inicialmente, com R1+R2 Considerando que 22 tem-se a seguinte condição para a tomada de decisão se é viável ou não utilizar o método: BRE A corrente no coletor é dada pela relação Ico 22 enquanto a tensão coletor-emissor é dada da mesma forma que anteriormente, tal que Idem ao analisado para o circuito de polarização fixa, tem-se a mesma condição para saturação = Vcc considerando, ainda, o resistor do emissor e, assim, igual ao circuito de polarização fixa com recurso para o terminal emissor. mesmo é válido para a análise pela reta de carga. No próximo item, analisaremos outra possibilidade para que se obtenha no projeto uma melhoria na estabilidade do funcionamento do amplificador, bem como do resultado final. Confira o conteúdo com atenção! 2.3.3 Circuito com realimentação no coletor Outra possível configuração para melhoria na estabilidade é vista no circuito a seguir, a partir do uso da realimentação de tensão, conhecido como circuito com realimentação no coletor. To 2 B + CE RE Figura 12 Circuito com realimentação no coletor Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 163. #PraCegoVer: na figura, temos um desenho do circuito com realimentação no coletor. A tensão Vi representa a entrada CA, o capacitor C1 está na entrada e, nesse caso, é ligado ao resistor de feedback RF (resistor de realimentação). A outra extremidade do resistor está ligada ao ponto comum entre o resistor do coletor RC e o capacitor de saída C2. Utiliza-se a fonte Ao emissor, associa-se o resistor Iniciando a análise pela junção base-emissor, tem-se para o cálculo da corrente de base uma relação muito semelhante à = mas, no lugar da resistência de Thévenin, encontramos o resistor da realimentação. Já no lugar da tensão de Thévenin, temos a tensão aplicada ao coletor.Analisando a malha coletor-emissor, há a mesma relação para a tensão coletor-emissor, assim como as mesmas colocações do circuito anterior são válidas tanto para a operação na região de saturação quanto para a análise pela reta de carga. 2.3.4 Circuito seguidor de emissor O circuito seguidor de emissor - também chamado de coletor comum é utilizado para implementar outra possibilidade, na qual a tensão de saída será retirada do terminal do emissor NASHELSKY, 2013). Um exemplo pode ser visto na figura a seguir. Observe! C1 C2 o RB RE EE Figura 13 Circuito seguidor de emissor Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 167. #PraCegoVer: na figura, temos um desenho do circuito seguidor de emissor. A entrada é dada por Vi e está junto ao capacitor de entrada C1, associado à resistência da base O coletor está aterrado. No emissor, tem-se a fonte CC com VEE, o resistor RE e o capacitor de saída C2. A corrente na base, nesse caso, será como expresso em = porém, no lugar da tensão de Thévenin, tem-se A tensão coletor-emissor é dada por VCE = VEE - A seguir veremos um último exemplo para polarização CC: a configuração base comum. Vamos em frente? 2.3.5 Circuito base comum No caso do circuito base comum, tem-se uma configuração largamente utilizada devido ao fato de que, no domínio CA, tal circuito possuirá baixa impedância de entrada, alta impedância de saída e um bomC1 C2 RE + VEE + Figura 14 Configuração base comum Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 168. na figura, temos um desenho de um circuito base comum. A entrada Vi está associada ao capacitor de entrada C1, que também está ligado ao resistor do emissor (RE). Ambos estão conectados ao emissor. A fonte VEE está associada ao emissor por mas é aterrada em seu terminal positivo na base, com o negativo da fonte do coletor Este é conectado ao resistor do coletor Rc, que é conectado tanto ao coletor quanto ao capacitor de saída C2. A corrente no emissor é dada por = Já a tensão coletor-emissor é VCE = VEE + + RE). RE Por fim, temos a tensão coletor-base, dada pela expressão Teste seus conhecimentos (Atividade não pontuada) Por fim, ressalta-se que há, ainda, a possibilidade de estabelecer combinações de circuitos de polarização já pré-definidos, como os vistos ao longo do tópico, buscando-se atender à maior parte das premissas de projeto. Isso devido à possibilidade de atender, de forma mútua, a um ou mais parâmetros, por exemplo. Vamos Praticar! Suponha que, ao longo do projeto de um circuito de polarização para um transistor bipolar de junção, deseja-se que este opere na região de saturação. Para tanto, escolheu-se, entre o que se tinha à disposição, uma resistência da base que será capaz de sempre produzir um ganho de corrente saturado, igual a 10. Nesse sentido, explique na prática como é estabelecido esse fenômeno e dê um exemplo no qual o ganho poderia ter sido retirado. Depois, compartilhe suas conclusões e debate com seus colegas sobre o assunto!Conclusão Chegamos ao final de mais uma unidade de estudos. Aqui, pudemos compreender a importância dos transistores bipolares de junção na eletrônica em geral, um importante passo para a substituição de dispositivos enormes - como as válvulas termoiônicas - e o desenvolvimento de equipamentos de alta complexidade - como os computadores, posteriormente. Nesta unidade, você teve a oportunidade de: aprender mais detalhes sobre o transistor bipolar de junção no geral, tratando de características e orientações sobre esse tipo de dispositivo e seus circuitos de polarização; aprender a analisar a folha de dados de transistores bipolares de junção comerciais; entender como funciona a análise CC de circuitos com tais dispositivos; desenvolver circuitos simples de polarização dos TBJs para aplicações práticas. Referências 2N4123 datasheet, equivalent, cross reference search. All Transistors, [s. [s. d.]. Disponível em: https://alltransistors.com/transistor.php? transistor=3943 transistor=3943). Acesso em: 28 nov. 2020. BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e Teoria de Circuitos. São Paulo: Prentice-Hall, BRAGA, N. C. Eletrônica analógica. [S. Newton C. Braga, COMO testar transistores bipolares na prática. [S. 24 jul. 2018. 1 vídeo (22 min). Publicado pelo canal Telredes Cursos. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=v42SZ-4G-HQ&t=3s (https://www.youtube.com/watch?v=v42SZ-4G-HQ&t=3s). Acesso em: 28 nov. 2020. MALVINO, A. P.; BATES, D. J. Eletrônica. Porto Alegre: AMGH, 2016. V. 1.