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Transístores de Junção Bipolar (parte 3)

TRANSÍSTORES BIPOLARES (III)

7.2. A Recta de Carga (EC)

Polarização de Base

O circuito da figura abaixo é um exemplo de polarização de base, isto é, estabelecer um valor constante para a corrente de base.
Isto mesmo que mudemos o transístor e a temperatura se altere.

transistor_3_1

Por exemplo, se RB for de 1MΩ IB será de 14,3 μA.
Se &#946DC = 100, a corrente de colector será 1,43 mA e
VCE= VCC – IC.RC = 15 V – (1,43 mA) . (3 kΩ) = 10,7 V
Portanto, o chamado ponto quiescente (Q) (quieto) ou de funcionamento em repouso (PFR) será:
IC = 1,43 mA e VCE = 10,7 V

Solução gráfica

O PFR também poderá ser obtido de forma gráfica, se tivermos a característica de saída do transístor, usando a chamada recta de carga, como se mostra na figura seguinte.
VCE = VCC – RC.IC
logo,
VCC – VCE
IC = —————- (*)
RC
A recta de carga é obtida representando esta equação sobre a característica de saída do transístor.

transistor_3_2

Chama-se recta de carga porque representa o efeito da carga (RC) em IC e VCE.
A maneira mais fácil de a traçar é usar os dois pontos extremos
VCE=0 –> tiramos IC = 5mA
IC=0 –> tiramos VCE = 15V
da equação anterior (*) e, esses dois pontos serão suficientes para definir a recta.

A utilidade da recta de carga

A recta de carga é útil porque contém todos os pontos de trabalho possíveis para o circuito: variando IB de 0 a infinito, o transístor percorrerá todos os pontos da recta de carga.

Ponto de Saturação

Quando a RB é demasiado pequena, há excesso de corrente no colector e a VCE tende para zero. Neste caso dizemos que o transístor satura, o que significa que a corrente de colector atingiu o seu máximo valor possível.
O ponto de saturação é o ponto em que a recta de carga corta a zona de saturação das curvas de saída, isto é, no seu extremo superior.
Iremos tomar esse valor como aproximação, isto é, no nosso caso, IC=5 mA e VCE = 0, isto é, como que haverá um “curto-circuito” (imaginário) entre o colector e o emissor, pelo que ficamos com:
Icsat=VCC / RC

Ponto de Corte

O ponto de corte é o ponto é o ponto em que a recta de carga corta a zona de corte das curvas de saída, no extremo inferior (IC muito pequena)
Este ponto indica a tensão máxima que VCE consegue atingir.
Por aproximação vamos fazer IC=0 –> VCEcorte = VCC
Neste caso entre o colector e o emissor existe um circuito aberto imaginário.

Exemplo 1:

Quais são as correntes de saturação e a tensão de corte na figura:

transistor_3_3

Solução
Imagine-se um curto-circuito entre o colector e o emissor. Então:
Vcsat = 30 V / 3 kΩ = 10mA
Imagine-se agora os terminais colector-emissor em aberto. Então:
VCEcorte=30V

Exemplo 2:

Calcule os valores de saturação e corte para a figura seguinte.
Desenhe as rectas de carga para este exemplo e o anterior

transistor_3_4

Solução
Com um curto-circuito imaginário entre o colector e o emissor:
ICsat = 9V/3kΩ = 3mA
Agora, com um circuito aberto imaginário entre o colector e o emissor:
VCEcorte = 9V
Podemos então desenhar as duas rectas de carga.

transistor_3_5

Exercício 1:

Quais são a corrente de saturação e a tensão de corte na figura seguinte:

transistor_3_6

Exercício 2:

Calcule os valores de saturação e corte para a figura seguinte. Depois desenhe as rectas de carga deste e do exercício anterior e compare-as.

transistor_3_7

– conclusão: quanto menor for RC, mais inclinada é a recta de carga.

7.3. O Ponto de Trabalho

Exemplo da figura seguinte

transistor_3_8
Depois de traçar a recta de carga, como já aprendemos, podemos calcular IB.
Imaginemos, por agora, o transístor ideal –> VBE = 0V
Então:

IB = 15 V / 500 kΩ = 30 μA
Se o ganho de corrente for, por exemplo, βDC=100, teremos:
IC = 100 . (30 μA) = 3 mA
Esta corrente, ao circular pelos 3 kΩ, produz uma tensão de 9V na resistência de colector, pelo que:
VCE = 15 V – (3 mA) . (3 kΩ) = 6 V
Marcando estes pontos de IC e VCE no gráfico, ficamos com o ponto Q.

transistor_3_9

Porque é que o ponto Q varia?
Se IB é constante e, de fábrica, os βDC podem variar muito para o mesmo modelo, corremos o risco de o transístor entrar em corte ou saturação.
A figura anterior representa o caso em que βDC é de 50 (QL) e 150 (QH) em vez dos 100 de catálogo, o que é perfeitamente possível.
Conclusão: A polarização de base é muito sensível ao ganho de corrente do transístor (βDC) e este é muito variável mesmo para o mesmo modelo.

As fórmulas:

As fórmulas para calcular o ponto Q são as seguintes:
VBB – VBE
IB = ——————-
RB

IC = βDC . IB

VCE = VCC – RC. IC

Exemplo 1:

Suponha que a resistência de base na figura (**) aumenta até 1MΩ. Que sucede com a tensão colector-emissor se βDC valer 100?
Solução:
Continuando a considerar, a corrente de base diminuirá até 15 μA, a corrente de colector diminuirá até 1,5 mA e a tensão colector-emissor aumentará até
VCE = 15 – (1,5 mA) . (3 kΩ) = 10,5 V

7.6. Polarização de Emissor

É a usada quando se pretende usar o transístor como amplificador, devido aos problemas que vimos com a polarização de base, pois esta polarização de emissor consegue aquilo que os amplificadores precisam: um ponto de funcionamento em repouso (Q) constante, mesmo perante a grande variação de βDC dos transístores do mesmo modelo fabricados em série.

Ideia Básica

A fonte de polarização de base aplica-se directamente à base.
O emissor não ficará directamente ligado à massa mas sim através de uma resistência de emissor RE.
Assim, VE = VBB – VBE

transistor_3_13

Como achar o ponto Q
Vejamos o exemplo da figura seguinte

transistor_3_14

VE = 5 V – 0,7 V = 4,3 V
usando a lei de ohm para calcular a corrente de emissor:
4,3 V
IE = ———— = 1,95 mA
2,2 kΩ

Isto supõe que, em muito boa aproximação, IC = IE
Quando IC circula por RC produz uma queda de tensão de 1,95V, pelo que:
VC = 15 – (1,95 mA) . ( 1 kΩ) = 13,1 V
e
VCE = 13,1 V – 4,3 V = 8,8V
Assim, o Q terá como terá como coordenadas:
IC = 1,95 mA e VCE = 8,8 V

O circuito é imune às alterações do ganho de corrente
Vejamos agora de onde vem a importância da polarização de emissor e como imobiliza Q face a variações de βDC
Vejamos os passos que aplicámos para calcular Q:
. Obter a tensão de emissor
. Calcular a corrente de emissor
. Achar a corrente de colector
. Calcular VCE
Em nenhum ponto houve necessidade de usar βDC no processo, ao contrário da polarização de base (confirme atrás).
A corrente fixa agora é IE (quase igual a IC), ao contrário da polarização de base em que a corrente fixa era a de base e IC = βDC . IB

Exemplo 1:

Qual é a tensão entre o colector e a terra na figura seguinte?
E entre o colector e o emissor?

transistor_3_12

Solução:
A tensão de base é de 5V. A tensão de emissor é 0,7 V menor que ela, o que quer dizer que é
VE = 5 V – 0,7 V = 4,3 V
esta tensão está aos extremos da resistência de emissor, que agora é de 1 kΩ. Portanto, a corrente de emissor é
IE = 4,3 V / 1 kΩ = 4,3 mA
A corrente de colector é aproximadamente igual a 4,3 mA. Quando esta corrente circula pela resistência de colector (neste caso de 2 kΩ) produz uma tensão de
IC . RC = (4,3 mA) . (2 kΩ) = 8,6 V
e então
VC = 15 V – 8,6 V = 6,4 V e
VCE = 6,4 V – 4,3 V = 2,1 V

Questões:

1. O ganho de corrente de um transístor define-se como a relação entre a corrente de colector e:
a) A corrente de base
b) A corrente de emissor
c) A corrente da fonte de alimentação
d) A corrente de colector

2. Se a resistência de base diminuir, a tensão de colector provavelmente:
a) Diminuirá
b) Não muda
c) Aumenta
d) Qualquer das opções anteriores

3. Se a resistência de base é muito pequena, o transístor funcionará na zona:
a) De corte
b) Activa
c) De saturação
d) De ruptura

4. Sobre uma recta de carga mostram-se três pontos Q diferentes. O ponto Q superior tem:
a) Ganho de corrente mínimo
b) Ganho de corrente intermédio
c) Ganho de corrente máximo
d) A corrente de colector em corte

5. Se um transístor estiver a funcionar na parte central da recta de carga, um aumento da resistência de base fará com que o ponto Q se mova:
a) Para baixo
b) Para cima
c) Fica inalterado
d) Para fora da recta de carga

6. Se o transístor estiver a funcionar na parte central da recta de carga, um aumento no ganho de corrente fará com que o ponto Q se mova:
a) Para baixo
b) Para cima
c) Fica inalterado
d) Para fora da recta de carga

7. Se a tensão da fonte de base aumentar, o ponto Q move-se:
a) Para baixo
b) Para cima
c) Fica inalterado
d) Para fora da recta de carga

8. Suponha que a resistência de base está em aberto. Então o ponto Q situa-se:
a) Na parte central da recta de carga
b) No extremo superior da recta de carga
c) No extremo inferior da recta de carga
d) Fora da recta de carga

9. Se a tensão da fonte de alimentação de polarização de base se desligar, a tensão colector-emissor será igual a:
a) 0 V
b) 6 V
c) 10,5 V
d) À tensão da fonte de colector

10. Se a resistência de base entrar em curto-circuito, o transístor provavelmente
a) Saturará
b) Entrará em corte
c) Destruir-se-à
d) Nenhuma das anteriores

11. Se a resistência de colector diminuir até 0 num circuito com polarização de base, a recta de carga será:
a) Horizontal
b) Vertical
c) Inútil
d) Plana

12. Suponha que a corrente de colector é de 10 mA. Se o ganho de corrente for de 100, a corrente de base será:
a) 1 μA
b) 10 μA
c) 100 μA
d) 1 mA

13. Suponha que a corrente de base é de 50 μA. Se o ganho de corrente for de 125, o valor da corrente de colector é aproximadamente de:
a) 40 μA
b) 500 μA
c) 1 mA
d) 6 mA

14. Se o ponto Q se deslocar ao longo da recta de carga, a tensão aumenta quando a corrente
a) Diminui
b) Não muda
c) Aumenta
d) Não sucede nada do que foi dito anteriormente

15. Um circuito em que a corrente de emissor é constante, designa-se de:
a) Polarização de base
b) Polarização de emissor
c) Polarização de transístor
d) Polarização com duas fontes

16. O primeiro passo para a análise dos circuitos com polarização de emissor consiste em determinar:
a) A corrente de base
b) A tensão de emissor
c) A corrente de emissor
d) A corrente de colector

17. Num circuito com polarização de emissor, se o ganho de corrente for desconhecido, o que não se conseguirá calcular é:
a) A tensão de emissor
b) A corrente de emissor
c) A corrente de colector
d) A corrente de base

18. Se a resistência de emissor estiver em aberto, a tensão de colector:
a) Está no nível alto
b) Está no nível baixo
c) Não muda
d) É desconhecida

19. Se a resistência de colector estiver em aberto, a tensão de colector:
a) Está no nível alto
b) Está no nível baixo
c) Não muda
d) É desconhecida

20. Se o ganho de corrente aumenta de 50 para 300 num circuito com polarização de emissor, então a corrente de colector:
a) Mantém-se quase no mesmo valor
b) Diminui 6 vezes
c) Aumenta 6 vezes
d) É zero

Problemas:

transistor_3_11

1. Desenhe a recta de carga para a figura a)
Qual é a corrente de colector no ponto de saturação?
E a tensão colector-emissor no ponto de corte?

2. Se a fonte de tensão de colector se reduzir para 10 V na figura a) que sucede à recta de carga?

3. Se a resistência de colector se reduzir a 1 kΩ na figura a) que sucede à recta de carga?

4. Se a resistência de base na figura a) duplicar, que sucede à recta de carga?
5. Desenhe a recta de carga para a figura b
Qual é a corrente de colector no ponto de saturação?
E a tensão colector-emissor no ponto de corte?

6. Se a tensão da fonte de colector duplicar na figura b), que sucede à recta de carga?

7. Se a resistência de colector aumenta para 1 kΩ na figura b), que sucede à recta de carga?

8. Na figura a) qual é a tensão entre o colector e a massa se o ganho de corrente valer 100?

9. O ganho de corrente flutua entre 25 e 300 na figura a). Qual é o valor mínimo da tensão de colector?
E o valor máximo?

transistor_3_12

10. Qual é a tensão de colector na figura a)?
E a tensão de emissor?

11. Se a resistência de emissor duplicar na figura a), qual será a tensão de colector-emissor?

12. Se a tensão da fonte de colector diminuir para 15 V na figura a) qual é a tensão de colector?

13. Qual é a tensão de colector na figura b), se VBB=2V?

14. Se a resistência de emissor duplicar na figura b), qual é a tensão de colector-emissor para uma tensão da fonte de base de 2,3 V?

15. Se a tensão da fonte de colector aumentar até 15 V na figura b), qual é a tensão colector-emissor para VBB = 1,8V?

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1 comentário

1 Jorge Souza Pereira { 06.28.13 at 14:47 }

Muito bom, parabéns. Para ficar melhor só faltam as respostas dos exercícios. Muito grato.
Jorge.

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