transistor bipolar de junção em regime CA

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Instituto Federal de Educação Tecnológica de PE – Campus Recife
Departamento de Eletrônica, Eletrotécnica, 
Telecomunicações, Análise e Desenvolvimento de Sistemas
Coordenação dos Cursos de Eletrônica e Telecomunicações
Transistor bipolar de junção
A vista CA do transistor bipolar de junção
 
 
 Carlos Vinícius Martins da Silva
RECIFE
2017
CARLOS VINÍCIUS MARTINS DA SILVA
20162H31RC0122
Transistor bipolar de junção
A vista CA do transistor bipolar de junção
Trabalho de conclusão de disciplina entregue ao professor ministrante da cadeira, visando obtenção de conhecimento na área de transistores bipolares de junção e como complemento para a nota requisitada para aprovação na cadeira de eletrônica básica.
Professor Orientador: Daniel Nipo
RECIFE
2017
RESUMO
Este trabalho analisa o transistor bipolar de junção em vista sua análise em sinais alternados (CA) , com base em literaturas pesquisas online e exercícios aplicados , o objetivo deste trabalho é a obtenção de conhecimentos na área de eletrônica básica mais especificamente centrados nos transistores bipolares de junção
Palavras-chave: Análise CA do TJB,Modelo CA para o TJB , amplificadores utilizando TJB.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
O objetivo deste trabalho é a obtenção de conhecimentos na área de eletrônica de estado sólido ou analógica, sendo voltado especificamente para os transistores bipolares de junção, sendo focado em sua análise CA e com breves passagens e citações sobre sua análise CC .O trabalho foi elaborado a partir da necessidade de alcance da nota requisitada para aprovação na cadeira de eletrônica básica , foram utilizadas literaturas por meios de livros e artigos científicos e pesquisas online por meio de sites e artigos publicados online ,a abordagem sobre o tema é abrangente e muito rica de informações ,onde o estudante tem uma grande variedade de informações importantes para seu crescimento como um profissional na área de eletrônica. Toda a riqueza e variedade de utilizações possuídas pelo transistor bipolar de junção é apresentada ao estudante de forma contagiante após a abrangência do tema com ênfase nos sinais alternados devido a utilização do mesmo na maioria dos utensílios úteis em nosso dia a dia tanto em casa, no trabalho ou em qualquer espaço em que os aparelhos eletrônicos sejam introduzidos. 
O TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO EM MODELO CA
Existem três modelos que são habitualmente utilizados na análise CA o modelo re o modelo π híbrido e o modelo híbrido equivalente, na análise CC é notado que o transistor pode ser utilizado como um amplificador sendo o sinal de entrada senoidal maior que o sinal de saída resultando em uma potência CA de saída maior que a de entrada já que a potência é dada por ,a partir disso surge a seguinte indagação ,por qual motivo a potência CA de saída pode ser maior do que a potência CA de entrada?A lei da conservação de energia estabelece que em qualquer instante a potência total de saída de um sistema não pode ser maior do que uma potência de entrada. O quesito não incluso nessa conta que permite a alteração de potência entre a entrada e saída do sinal senoidal é a potência CC aplicada. Ela contribui de certa forma para a potência total de saída, embora uma parte dela seja dissipada pelo circuito e por elementos resistivos. Se fizermos uma analogia veremos que a uma troca de potência CC para o domínio de CA. Como visto na análise do transistor o mesmo pode ser notado em três condições : corte , saturação e ponto quiescente, estas mesmas condições dependem da tensão e corrente aplicados nos terminais do transistor , mas como definir em qual condição o transistor se encontra em um sinal alternado?onde a tensão e corrente estão alternando constantemente ,é por isso que para se obter um resultado útil utilizando o transistor bipolar de junção é preciso sobrepor o sinal alternado a uma fonte CC deixando assim o transistor na condição ativa e quando for aplicado o sinal alternado o ponto quiescente vai alternar de posição de acordo com a amplitude do sinal.
Isso pode ser observado no circuito abaixo,onde Vent é o sinal alternado aplicado e o VCC é o sinal contínuo alternado :
O CAPACITOR DE ACOPLAMENTO
Podemos fazer uma abordagem a este tema fazendo uma analogia a um outro componente passivo que é o resistor, quando a frequência aumenta, a oposição à passagem da corrente não muda, um capacitor se comporta de maneira diferente. Quando a frequência aumenta, a oposição à passagem da corrente diminui. Quando temos um amplificador em seu pleno funcionamento podemos utilizar o capacitor de duas maneiras.Primeiro, eles são utilizados para acoplar ou transmitir os sinais Ca de um circuito para o outro.Segundo, eles podem ser usado como um curto desviando os sinais Ca para o terra.Essas duas reações podem ser comprovadas com uma relação já vista no estudo dos capacitores que se dá por : , analisando essa fórmula podemos notar que a reatância capacitiva é inversamente proporcional a frequência e à capacitância,ou seja , se você dobrar a frequência,a reatância cairá pela metade explicando a lógica por trás do capacitor de acoplamento, quando a frequência é alta o suficiente a reatância se aproxima de zero e isso significa que o capacitor é um curto para Ca em altas freqüências deixando passar apenas o sinal cc, o oposto também é verdadeiro quando a frequência diminui a zero, a reatância se torna infinita ,resultando em um circuito aberto para cc e fechado para Ca.
A FUNÇÃO DO CAPACITOR DE ACOPLAMENTO:
Um capacitor de acoplamento transmite uma tensão Ca de um ponto para outro. Um gerador Ca produz uma corrente alternada através de componentes em série, o valor dessa corrente depende da frequência da tensão do gerador.Em baixas freqüências, o capacitor age como circuito aberto e a corrente é aproximadamente zero. Em altas freqüências , o capacitor age como um curto e a corrente é igual a: , onde R é a resistência total , que é a soma de RG e RL . a corrente é chamada imáx na equação porque essa é a corrente máxima que pode existir no circuito.
Para um capacitor funcionar corretamente ele deve agir como curto-circuito na menor frequência do gerador.Por exemplo, se a frequência do gerador variar de 20 hz até 20 Khz, a frequência maix baixa é a de 20 hz.Essa frequência é o pior caso com o qual o projetista deve se preocupar quando estiver dimensionando o valor do capacitor.A regra usada é simples :
“Faça a reatância pelo menos 10 vezes menor que a resistência total em série com o capacitor.”
Matematicamente isso é escrito como Xc <0,1R
Onde R=RG+RL
O CAPACITOR DE DESVIO(BYPASS)
Diferente do capacitor de acoplamento o capacitor de desvio não é conectado em série com o resistor mas sim em paralelo, isso é feito para desviar a corrente Ca do resistor.Quando a frequência é suficientemente alta o capacitor age como um curto.Então surge o questionamento “ o que é uma frequência alta?”. Para obter a resposta se utiliza a formula 
AMPLIFICADORES :OS CIRCUITOS EQUIVALENTES CC E CA
Para fazermos esse tipo de análise é mais simples dividir o circuito em duas partes:uma análise cc e uma análise Ca. No caso podemos utilizar o teorema da superposição que é usado quando o circuito tem mais de uma fonte calculando o efeito produzido por cada fonte e somando os resultados individuais para obter o efeito total, o circuito abaixa nos mostra um amplificador com transistor onde vcc é a tensão de alimentação cc que estabelece o ponto Q e Vg é a tensão Ca do gerador:
Para isolar cada fonte, devemos transformar o circuito numa forma mais simples e mais fácil de trabalhar.Os capacitores são abertos para cc e um curto para Ca.Por isso, podemos mudar o circuito original em dois novos circuitos:um para cc e outro para Ca, fazendo então :
 Reduzir a fonte Ca a zero
Abrir todos os capacitores
Análise do circuitoequivalente cc
No circuito reduzir a fonte Ca equivale a substituí-la por um curto-circuito, abrir todos os capacitores é o mesmo que desconectá-los.O circuito que permanece após essas transformações é chamado circuito equivalente cc. Analisando Ca então temos os seguintes processos:
No circuito original , reduzimos todas as fontes cc a zero
Curto-circuitamos todos os capacitores
Analisamos o circuito equivalente Ca
Reduzir a fonte cc a zero equivale a substituí-la por um curto-circuito. Curto-circuitar todo os capacitores significa fechar um curto entre seus terminais. O circuito que permanece é chamado circuito equivalente Ca.com os circuitos equivalentes podemos analisar as tensões e corrente ,terminando o processo com as seguintes ações:
Some a corrente cc e a corrente Ca para obter a corrente total num ramo
Some a tensão cc e a tensão Ca para obter a tensão total em qualquer nó ou em qualquer resistor.
A ANÁLISE CC
Para analisarmos a parte cc o primeiro passo é remover o sinal Ca, o segundo passo desconecta o gerador e a carga do circuito, assim como o capacitor do emissor. Em outras palavras , o circuito orignal é transformado em circuito de forma mais simples, conforme mostrado na figura abaixo, essa é a única parte do circuito que importa quando você está calculando as correntes e as tensões cc.
Esse circuito é a polarização por divisor de tensão, a tensão de alimentação e os resistores são idênticos, demodo que os resultados para o próximo passo são os mesmo já vistos:
Vb=1,8 V
Ve=1,1 V
Ie=1,1 mA
Vc=6,04 V
VCe=4,94 V
Essas são as correntes e as tensões quando a fonte cc age sozinha. Para obter os resultados, retiramos temporariamente a fonte Ca e seus componentes associados, como os capacitores e resistores que não afetem a operação cc do circuito. Isso completa a análise cc do circuito.
ANÁLISE CA DO CIRCUITO
O processo para analisar o circuito continua com a análise Ca. O circuito equivalente Ca é o circuito simplificado que nos permite calcular as correntes e tensões Ca.Devemos alterar o terminal superior dos resistores de 10 kΩ e de 3,6 kΩ , o próximo passo é conectar o gerador e a carga no transistor e aterrar o emissor. Em outras palavras, o circuito orignal é transformado em uma forma mais simples mostrada na figura abaixo:
O circuito foi redesenhado com os pontos aterrados para baixo em vez de serem deixados em cima. Esse é o circuito que nos permite determinar as correntes e tensões Ca
Do lado da entrada do transistor, o resistor de 10 KΩ está em paralelo com o resistor de 2,2 KΩ.Use a regra do produto pela soma para calcular a resistência equivalente 
Os dois resistores em paralelos são equivalentes a um resistor simples de 1,8 KΩ. A tensão Ca na base deve ser menor que 1 mV porque o resistor de 600Ω e o de 1,8kΩ formam um divisor de tensão.Logo , menos de 1mV de tensão Ca aparece na base. A simplificação final que podemos fazer é no circuito do coletor . Tão logo o sinal aparece , o resistor de 3,6 KΩ está em paralelo com o de 10KΩ isso produz uma resistência equivalente de 2,65KΩ ,essa resistência equivalente é chamada de resistência Ca do coletor porque é ela que se opões a corrente Ca do coletor.
Conforme você pode ver todas as resistências no circuito tiveram seu valor dobrado. No circuito da base , podemos calcular a resistência equivalente em paralelo que será igual a 3,6 KΩ. Uma idéia similar se aplica ao circuito do coletor . As duas resistências mudaram de 3,6 KΩ e 10KΩ para 7,2 KΩ e 20KΩ ficando assim RC||RL=7,2 KΩ|| 20KΩ=5,3 KΩ
DISTORÇÃO DE CRUZAMENTO
Existe um intervalo que ocorre entre o corte do transistor que estava conduzindo e a condução do transistor que estava cortado.Isto se deve à necessidade de aplicar aproximadamente 0,7 volts entre a base e o emissor para que eles entrem em condução como mostrado na imagem abaixo
A solução para este problema é uma configuração classe AB, ou seja , um amplificador que conduz pouco mais que 180 graus. Isto é conseguido com a polarização do transistor um pouco a cima da região de corte.
RESISTÊNCIA CA DO EMISSOR
A resistência Ca do diodo emissor é dada pela seguinte fórmula ,ou seja, a tensão aplicada na base dividida pela corrente de emissor ,por exemplo se tivermos um amplificador onde é introduzido na base uma voltagem de 25 mV resultando em uma corrente de emissor de 1,1 mA , realizando a operação fica óbvio o resultado final de 22,7Ω de resistência Ca para o diodo emissor.Na derivação dessa fórmula fez-se uma importante suposição: a operação deve ser em pequeno sinal. Quando essa condição é satisfeita, a fórmula é precisa nos resultados calculados.
O BETA CA
O beta de um tjb como já visto é o ganho de corrente dado da base para o emissor dada pela razão entre a corrente de coletor e a corrente de base , mas como achar o beta com o transistor atuando em um sinal Ca.O beta Ca é dado pela razão da variação de corrente de coletor e a variação de corrente da base, nas folhas de dados β(beta) é dado por hfe.
O AMPLIFICADOR EMISSOR COMUM
A figura abaixo mostra um amplificador, o aterramento para Ca está no emissor por isso ele é chamado amplificador em emissor-comum(EC). O gerador de tensão Ca tem um valor de 1mV. Esse valor refere-se à tensão senoidal de pico a pico em vez de um valor rms.A resistência de 600Ω é a resistência interna do gerador Ca.
OS PARÂMETROS CA DA FOLHA DE DADOS
Quando consultados os dados de um transistor,os valores Ca podem ser encontradas em uma seção chamada “small-signal characteristics” neste local encontraremos quatro parâmetros chamados de hfe,HIE,hre E hoe, são chamados de parâmetros h . O método h é usado para analisar e projetar circuitos com transistores, esse método matemático modela o transistor sobre o que acontece em seus terminais sem levar em consideração os processos físicos que têm lugar dentro do transistor,também existe o método r que é preferido pelos técnicos, que utiliza β e re ,porém , os parâmetros h não são de todo inúteis e quando for procurar algo nas folhas de dados são eles que devem ser procurados pois os parâmetros r não serão encontrados , o β= hfe e o re= 
PARÂMETROS HÍBRIDOS
Os parâmetros híbridos são os parâmetros achados nas folhas de dados de transistores são eles hfe,hie,hre e hoe,. Sendo o ganho de corrente = hfe o nosso velho conhecido β que é dado pela razão da corrente de saída pela corrente de entrada sendo chamado ganho de corrente com a saída curto-circuitada ,o ganho de tensão reverso o hre que é a razão entre a tensão de entrada pela tensão de saída é chamado de ganho de tensão reverso com a entrada aberta.A admitância de saída hoe que é a razão da corrente de saída pela tensão de saída , logo hoe é a admitância de saída com a entrada aberta, e por último hie que é uma impedância.
A MEDIÇÃO DOS PARÂMETROS HÍBRIDOS
As medições feitas em transistores são feitas com os parâmetros H por que é fácil a realização de um curto-circuito para Ca na saída de um amplificador com transistor ou um circuito aberto para Ca na entrada então os fabricantes medem desta maneira e especificam as características para pequeno sinal de um transistor dessa maneira. Hoe é igual a inclinação das curvas do coletor vistas num traçador de curvas. Pegue quaisquer dois pontos sobre a parte quase horizontal de uma curva do coletor. A razão da variação na corrente pela variação na tensão é igual a hoe .Quando mais horizontal forem as curvas do coletor, menor será o valor de hoe , o que equivale a dizer que a fonte de corrente do coletor tem uma impedância alta.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a realização desse trabalho pomos notar toda a variedade de utilização do transistor bipolar de junção e da várias possibilidades de utilização tanto em Cc como em Ca que foi a parte mais explorada nos temas, foi vista também como operar este rico dispositivo descobrindo todas as situações possíveis para fazer com que ele permaneça ativo e também as situações em que eles permanecerão inativos, a familiarização com todas essas situações é essencial para oprosseguimento de quem deseja avançar no curso de eletrônica como também seguir na vida profissional da área. O conhecimento dos termos utilizados para o dispositivo também chama atenção pelo motivo de muitos termos serem parecidos ou até mesmo semelhantes a termos utilizados nas áreas de exatas como matemáticas ou até na própria eletrônica como é o caso do β, a familiarização com os parâmetros de medição constados nas folhas de dados dos transistores também é de bom proveito e muita importância para o prosseguimento da vida profissional do aluno do curso de eletrônica, e por final pode-se dizer que o trabalho como um todo foi de bom proveito e muito satisfatório para fins acadêmicos visto que trás vastas informações sobre os transistores bipolares de junção tanto em sinais Ca como as comparações em cc.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MALVINO,Albert Paul. Eletrônica.4ª ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil,1995
BOYLESTAD, Robert L.;NASHELSKY,Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª Ed.São Paulo:Pearson Education,2013.