Análise de Circuitos com Transístores Bipolares – Parte I

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Matéria – Parte I
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Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica
Transístores de junção bipolares
Análise de Circuitos com
Transístores Bipolares – Parte I
Teresa Mendes de Almeida
[email protected]
estrutura
tipos de transístores
npn e pnp
símbolo e sentidos/polaridades convencionais das correntes/tensões
aplicações e zonas de funcionamento
corte
zona activa
saturação
Exemplos de aplicação
DEEC
Área Científica de Electrónica
© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica
Abril de 2011
© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica
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Transístor de junção bipolar
TJB – transístor de junção bipolar
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Abril de 2011
Abril de 2011
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Transístor de junção bipolar
fabricado com material semicondutor (silício)
dispositivo com 3 terminais
NPN n
C – colector
B – base
p
E – emissor
n
baseia-se em 2 junções PN
base-colector (BC)
PNP p
base-emissor (BE)
n
2 tipos de transístores
p
NPN e PNP
símbolo
seta – marca o terminal do emissor – marca sentido da corrente
indica sentido da junção PN entre base e emissor
dispositivo não-linear → usar modelo linear para analisar circuito com TJB
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Transístor NPN
Transístor PNP
constituídos por 3 regiões de material semicondutor
dispostas em camadas
base tem espessura reduzida
colector e emissor são diferentes
dimensões e constituição são diferentes
funcionamento do TJB é mais complexo do que considerar apenas duas
junções (como se fossem apenas 2 díodos isolados)
porque a base é muito estreita
as 2 junções interagem ente si – não são independentes
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Transístor de junção bipolar
Sentidos/polaridades convencionais das correntes/tensões
PNP
iB + iC = iE
vBC + vCE − vBE = 0
vEB − vCB − vEC = 0
Aplicação das leis de Kirchhoff
polarização directa – “díodo ON” – vD = VON
polarização inversa – “díodo OFF” – vD < VON
Junção BE
Junção BC
CORTE
Polarizada
inversamente
Polarizada
inversamente
Circuitos lógicos
Zona
ACTIVA
Polarizada
directamente
Polarizada
inversamente
AMPLIFICADOR
SATURAÇÃO
Polarizada
directamente
Polarizada
directamente
Circuitos lógicos
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Corte
TJB cortado (não conduz)
interruptor
NPN
2 junções inversamente polarizadas
NPN
vBE < 0
vCE > 0
PNP
vEB < 0
vEC > 0
transístor não é percorrido por corrente
comporta-se como “interruptor aberto”
n
PNP
p
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n
n
p
vBE = VBE
( ≈ 0,5V − 0, 7V )
junção BE directamente polarizada
v
>
2
V
( tipicamente )
junção BC inversamente polarizada
CE
corrente de colector é directamente proporcional à corrente de base
ON
iB ≈
IS
evBE
VT
β
iC = β iB
iE = iB + iC = (1 + β ) iB
Modelo equivalente
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TJB conduz (iC > 0 e iB > 0)
p
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Zona Activa
iB = iC = iE = 0
Porta lógica NOR
sentidos das correntes / polaridades das tensões → trocados
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n
Aplicação
típica
gerador
comandado
KVL – tensões entre terminais (circular entre terminais)
KCL – correntes a entrar/sair dos terminais (TJB visto como um nó)
p
Região de
funcionamento
Amplificador
n
PNP – mesmas equações que NPN
NPN
De acordo com polarização das junções pn
grandezas com valores positivos – quando transístor está em condução
NPN
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Regiões(modos) de funcionamento do TJB
iE =
circuito aberto entre todos os terminais
transístor não intervém no circuito onde está inserido
1+ β
β
iC
Ganho de corrente β (hFE)
Modelo equivalente
NPN:
PNP:
Na prática considera-se o TJB cortado
β ≈ 100 – 200
β ≈ 20 – 50
β elevado → cálculo aproximado
quando se verifica
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vBE < VBEON
( ≈ 0,5V − 0, 7V )
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gerador comandado
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iB<<iC ⇒ iE ≈ iC
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(aproximação)
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Saturação
TJB conduz (iC > 0 e iB > 0)
vCE = VCESAT
as correntes são determinadas pelo circuito exterior
é o circuito exterior que determina se TJB
está na saturação ou na zona activa
iC calculada por análise do circuito
trocar sentidos das correntes / trocar polaridades das tensões
CORTE
ZONA ACTIVA
SATURAÇÃO
Junções inversamente
polarizadas
Junção BE directamente
polarizada
Junções directamente
polarizadas
Junção BC inversamente
polarizada
iE = iB + iC
iC < β iB
Modelo equivalente
Equações escritas para transístor NPN
Para transístor PNP
( ≈ 0,5V − 0, 7V )
( ≈ 0,1V − 0, 2V )
vBE = VBEON
2 junções directamente polarizadas
as tensões entre os terminais são impostas pelo transístor
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Equações TJB
vBE < VBEON
( ≈ 0,5V − 0, 7V )
( ≈ 0,5V − 0, 7V )
vBE = VBEON
vCE >> VCESAT
iB ≈
IS
vBE
e
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Exemplo de aplicação NPN
Calcular tensões e correntes
vBE = VBEON

iC < β iB
VCESAT = 0, 2V
RC
p
VECSAT = 0, 2V
IB =
IE
= 18, 2 µ A
1+ β
RE
n
I E = (1 + β ) I B
p
vEC >> VECSAT
→ β=
IE
− 1 = 165
IB
VC = RC I C + ( −10 ) = −1, 75V
RB
RC
>> VCESAT
VB > VC
CB inversamente polarizada
VEC = VE − VC = 1, 7 − ( −1, 75 ) = 3, 45V
confirmada a hipótese de zona activa
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10 − VE 10 − 1, 7
=
= 1, 66mA
RE
5k
I C = I E − I B = 1, 65mA
BC inversamente polarizada
VCE = VC − VE = 5, 45 − ( −0, 7 ) = 6,15V
IE =
V −0
1
IB = B
=
= 10µ A
RB
100k
VC = 10 − RC I C = 10 − 5 × 0,91 = 5, 45V
VC > VB
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VEB = VE − VB = VEBON = 0, 7V
p
I C = β I B = 0,91mA

iC = β iB
i = i + i
E B C
ON
VEBON = 0, 7V
n
RE
VE = VB − VBEON = 0 − VBEON = −0, 7V
n
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PNP – sentidos das correntes são invertidos relativamente a NPN
vEB = VEB
VEB=VEBon=0,7V considerar hipótese de zona activa
VBE = VB − VE = VBEON = 0, 7V
V − ( −10 ) VE − ( −10 )
IE = E
=
= 0,93mA
RE
10k
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Calcular VC sabendo que VB=1V e VE=1,7V
Qual o ganho de corrente β ?
vCE >> VCESAT
VBEON = 0, 7V
i = i + i = 1 + β i
)B
E B C (
( ≈ 0,1V − 0, 2V )
Exemplo de aplicação PNP
hipótese: considerar TJB na zona activa → iC = β iB
β = 50
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vCE = VCESAT
iE = iB + iC
iE = iB + iC = ( β + 1) iB
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( ≈ 0,5V − 0, 7V )
VT
β
iC = β iB
iB = iC = iE = 0
vBE = VBEON
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>> VECSAT
confirmada hipótese zona activa
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Exemplo de aplicação
Calcular correntes e tensões para diferentes sinais de entrada
hipótese: zona activa
C
B
C
E
B
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Exemplo de aplicação (cont.)
Calcular correntes e tensões para diferentes sinais de entrada
vCE = VCE
VIN = VB = +6V

vBE = VBEON

iE = iB + iC
SAT
β = 100
VCESAT = 0, 2V
I C = I E − I B ≈ I E = 1, 6mA
VC < VE e VB > VC
>> VCESAT
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VE − 0
= 1, 6mA
RE
VC = 10 − RC I C = 2, 48V
BC inversamente polarizada
VCE = VC − VE = 5,3 − 3,3 = 2V
VBEON = 0, 7V
IE =
E
I B = I E − I C = 0, 01mA = 10µ A
hipótese: zona de saturação →
VCESAT = 0, 2V
β
VC > VB
VBEON = 0, 7V
vCE >> VCESAT
VE = VB − VBEON = 5,3V
I E = 0,99mA
1+ β
VC = 10 − RC I C = 10 − 4, 7 × 0,99 = 5,3V
IC =
4V
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BEON

iC = β iB
i = β + 1 i
)B
E (
vCE >> VCESAT
V − 0 3,3
IE = E
=
= 1mA
RE
3,3k
VIN
BE
hipótese: zona activa →
vBE = VBEON

iC = β iB
i = β + 1 i
)B
E (
VE = VB − VBEon = 4 − 0, 7 = 3,3V
Calcular correntes e tensões para diferentes sinais de entrada
β = 100
VIN = VB = +6V
v = V
VIN = VB = +4V
VIN = VB = {0V,+4V, +6V}
dados do transístor: β = 100 VBEon= 0,7V VCEsat= 0,2V
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Exemplo de aplicação (cont.)
iC < β iB
VC < VB → junção BC não está inversamente polarizada
⇒ TJB não pode estar na zona activa
⇒ considerar hipótese de saturação e voltar a fazer os cálculos
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Exemplo de aplicação (cont.)
Calcular correntes e tensões para diferentes sinais de entrada
VIN = VB = 0V
hipótese: corte →
correntes são nulas
vBE < VBEON

iB = iC = iE = 0
IE = 0A
C
B
B
VE = VB − VBEON = 5,3V
E
IE =
VE = 0V
C
IC = 0 A
VC = +10V
E
VE − 0
= 1, 6mA
RE
IB = 0A
VC = VE + VCESAT = 5,5V
IC =
IC < βIB → confirma-se hipótese de saturação
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+10 − VC
= 0,96mA
RE
I B = I E − I C = 0, 64mA
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junções BE e BC inversamente polarizadas
confirmada a hipótese de corte
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Exemplo de aplicação (cont.)
Característica de transferência VO(VIN)
VIN
+
VO
-
β = 100
VIN = 0V →
VO = 10V
VIN = 4V →
VO = 2V
VIN = 6V →
VO = 0, 2V
VIN(V)
TJB
VO(V)
0
corte
10
2
z.a.d.
6,9
4
z.a.d.
2
6
saturação
0,2
8
saturação
0,2
10
saturação
0,2
VBEON = 0, 7V
VCESAT = 0, 2V
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corte
circuitos lógicos
z.a.d.
amplificador
saturação
circuitos lógicos
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