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* Transistores Bipolares Parte 2 Leonardo B. Zoccal (lbzoccal@unifei.edu.br) ELT055 – Eletrônica Analógica I - * UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ * * Transistor como Chave * * Transistores Bipolares A Reta de Carga Uma reta de carga é uma linha que corta as curvas características do coletor para mostrar cada um dos possíveis pontos de operação de um transistor A reta de carga é um recurso visual dos possíveis pontos de operação do transistor * * Transistores Bipolares A Reta de Carga Movimento do ponto Q com valores crescentes de IB Efeito do aumento no valor de RC na reta de carga e no ponto Q Efeito da variação de VCC na reta de carga e no ponto Q * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Identificando a Saturação Geralmente não se pode dizer de imediato se um transistor está operando na região ativa ou na região de saturação Suponha que o circuito opera na região ativa; Faça os cálculos; Se aparecer algum valor absurdo nos cálculos, a suposição é falsa. Método 1 Redução ao Absurdo * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Identificando a Saturação A corrente na base é idealmente de 0,1 mA Qual o valor de VCE do circuito com polarização da base? Supondo que o transistor está na região ativa: IC = 50·(0,1 mA) = 5 mA; VCE = 20 – (5 mA)·(10 kΩ) = -30 V Esta resposta é impossível, pois a tensão coletor-emissor não pode ser negativa quando o transistor opera na região ativa (o transistor está na saturação) * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Identificando a Saturação Calcular a corrente de saturação do coletor; Determinar a corrente de base (idealmente); Multiplicar a corrente de base pelo β do transistor e comparar com a corrente de saturação do coletor. Método 2 Comparação das correntes * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Identificando a Saturação ICsat = (20 V)/(10 kΩ) = 2 mA (VCE ≈ 0 V) Supondo que o transistor está na região ativa: IC = 50·(0,1 mA) = 5 mA A corrente na base é idealmente de 0,1 mA A corrente IC é maior do que a corrente ICsat. Logo o transistor deve estar saturado. * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Ganho de corrente na Saturação Quando um transistor está saturado, o ganho de corrente é menor do que o ganho de corrente na região ativa: βcc(sat) = IC(sat)/IB No ponto de operação de saturação, a corrente de coletor é máxima e nada pode aumentar a corrente do coletor. A única coisa que muda com o aumento na corrente da base é o ganho de corrente que diminui quando a corrente da base aumenta. * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor – Ganho de corrente na Saturação Para garantir que o transistor opere na região de saturação pode-se usar como regra a escolha de um valor para a resistência de base que produza um ganho de corrente saturado de 10 (transistor em saturação forte) A saturação forte é utilizada para ter certeza de que o transistor não sairá da região de saturação com baixas correntes de coletor, baixas temperaturas, etc. O ganho de corrente altera-se com a corrente de coletor, variação na temperatura e substituição do transistor * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor No chaveamento os transistores trabalham nos extremos da reta de carga, ou seja, na região de saturação e na região de corte. Será presumido que ICEO = 0 mA quando IB = 0 μA (isso pode ser considerado verdadeiro devido aos processos de fabricação atuais) e VCEsat = 0 V (valor normalmente adotado é de 0,1 V a 0,3 V). * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Quando Vi = 5 V o transistor é “ligado” e o projeto deve assegurar que ele se encontre bastante saturado (valor de IB deve ser maior do que o associado à curva IB próxima a saturação, IB > 50 μA). ≈ 0 V Para Vi = 5 V * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Para Vi = 5 V * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Valor de IB, na região ativa um pouco antes da saturação Para o nível de saturação, devemos então garantir a condição 63 μA Condição satisfeita Para Vi = 5 V * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Para Vi = 0 V temos que IB = 0 μA, e como foi presumido que ICEO = 0 mA, IC = 0 mA. 0 V Para Vi = 0 V * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Na saturação, a corrente IC é muito alta e a tensão VCE é muito baixa. O resultado é um valor de resistência entre os dois terminais determinado por: Utilizando um valor médio típico de VCEsat de 0,15 V = 6,1 mA = 24,6 Ω (pode ser considero 0 Ω quando colocado em série com resistores na faixa de quiloohm) Condição de saturação e resistência resultante entre os terminais * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor No corte, VCE é VCC e IC = ICEO. Se ICEO igual a 0 mA, Rcorte será ∞ Ω. O valor de resistência entre os dois terminais nesta situação é determinado por: = 500 kΩ = 5 V Utilizando um valor típico de ICEO de 10 μA Condição de corte e resistência resultante entre os terminais * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Há transistores chamados de transistores de chaveamento devido à velocidade com que podem alternar de um valor de tensão para outro Definição dos intervalos de tempo de uma forma de onda pulsada td é o intervalo entre o instante da mudança de estado e o início da resposta na saída; tr é o tempo de ascensão de 10% a 90% do valor final. tligado = td + tr (tempo para o transistor alternar do estado “desligado” para “ligado”) * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Há transistores chamados de transistores de chaveamento devido à velocidade com que podem alternar de um valor de tensão para outro Definição dos intervalos de tempo de uma forma de onda pulsada ts é o tempo de armazenamento; tf é o tempo de queda de 90% para 10% do valor inicial. tdesligado = ts + tf (tempo para o transistor alternar do estado “ligado” para “desligado”) * * Transistores Bipolares Chaveamento com transistor Tempos de chaveamento ts = 120 ns td = 25 ns tr = 13 ns tf = 12 ns tligado = td + tr = 25 + 13 = 38ns tdesligado = ts + tf = 120 + 12 = 132 ns Para o transistor de chaveamento BSV52L tligado = 12 ns e tdesligado = 18 ns Exemplo: Para o Transistor 2N4123 com IC = 10 mA * * Transistor como Fonte de Corrente * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente O transistor como chave é um circuito conhecido como circuito de polarização da base. A polarização da base leva ao uso do transistor como chave, enquanto a polarização do emissor leva ao uso do transistor como fonte de corrente. Outro modo básico de usar o transistor é como fonte de corrente. Este outro método também é conhecido como circuito de polarização do emissor. * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Como VBB, VBE e RE são aproximadamente constantes, a corrente no emissor é constante. Em um circuito real VBE varia ligeiramente com a temperatura. VBE IE·RE IE Como a corrente de coletor é aproximadamente igual à corrente do emissor, a corrente do coletor é também aproximadamente constante. Assim, o resistor do coletor pode ser mudado que sua corrente não se altera. * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Na configuração do transistor como fonte de corrente o circuito é relativamente imune às variações de βCC. Fator de correção que diz quão diferente é IC de IE. Por exemplo, se o ganho for de 100, o fator de correção será de 0,99 (a corrente de coletor é igual a 99% da corrente de emissor). * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Conceito de Amarração (bootstrap) Como VBE é aproximadamente fixo, VE seguirá as variações em VBB. Esse tipo de ação é chamado amarração VBE VE No transistor funcionando como chave, o emissor não está amarrado à tensão de entrada porque o emissor é aterrado. Isso faz com que o emissor permaneça com o potencial de terra, não importando o que ocorra com a tensão de entrada. * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Espelho de corrente O espelho de corrente é o elemento mais básico no projeto de circuitos fontes de corrente e guias de corrente para CIs. O espelho de corrente consiste em dois transistores casados (Q1 e Q2) com seus terminais de base e emissor conectados juntos, os quais têm, portanto, os mesmos valores de vBE. O espelho de corrente é alimentado por uma fonte de corrente constante IREF e a corrente de saída é tomada no coletor de Q2. O circuito alimentado pelo coletor de Q2 deve assegurar uma operação no modo ativo para Q2 o tempo todo. * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Espelho de corrente Como Q1 e Q2 são considerados idênticos e com vBE iguais, suas correntes de emissor serão iguais IE IE IB1 IB2 * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Espelho de corrente O ganho de corrente se aproxima da unidade para βCC >> 1. No entanto o desvio do ganho de corrente da unidade pode ser relativamente alto (para um βCC = 100 o erro é de 2%). Outro fator que faz I0 diferente de IREF é a dependência linear da corrente de coletor de Q2 que é I0, com a tensão de coletor Q2. A corrente I0 será igual a IREF apenas quando a tensão de coletor de Q2 for igual à tensão de base (quando a tensão de coletor aumenta, I0 aumenta). * * Transistores Bipolares Transistor como Fonte de Corrente Espelho de corrente A corrente de referência de entrada para o espelho de corrente, IREF, pode ser determinada por um resistor R conectado ao terminal positivo da fonte de alimentação VCC. VBE é a tensão base-emissor correspondente à corrente IREF no emissor. + VBE - *
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