ELT313_Lab5r... BJT - Transistor Bipolar de Junção

ELT 313 – LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I
ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO NO 5: TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO – BJT
TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO – BJT
Existem dois tipos de transistores bipolares de
junção (BJT): NPN e PNP.
Estes transistores possuem três terminais, Emissor (E), Base (B) e Coletor (C).
Os dois terminais principais, terminais de potência, são o emissor e o coletor. O terceiro terminal, a
base, de baixa potência, é o terminal de controle.
A Figura 1 apresenta o desenho da estrutura, o
símbolo e o modelo dos transistores bipolares.
A junção do coletor opera normalmente na polarização reversa e suporta a tensão especificada do
transistor (40, 100, 400V). Nesta junção é dissipada
quase que a totalidade da potência dissipada internamente no transistor.
A principal característica do transistor é a capacidade de controlar grandes correntes (entre coletor
e emissor) através pequenas correntes (entre base
e emissor). Este fator de amplificação varia entre 20
e 400.
1 - TESTE DE TRANSISTOR BIPOLAR
Podemos testar a integridade das duas junções
do transistor da mesma forma como testamos um
diodo.
Na escala apropriada para teste de diodos, polarizando diretamente a junção, o multímetro indicará
um valor entre 0,5 e 0,8. Polarizando reversamente
a junção o multímetro indicará aberto ou Over Load.
Com alguma prática poderemos identificar qual
das duas junções é o emissor, apenas pela pequena e sutil diferença existente entre as duas leituras
na polarização direta. Outros testes mais confiáveis
serão apresentados futuramente.
Para confirmar, devemos aplicar o mesmo teste
entre o coletor e o emissor. Deverá indicar ABERTO (Over Load) nos dois sentidos.
Figura 1- Transistores NPN e PNP
A seta, que representa o emissor no símbolo do
transistor, indica o sentido da corrente convencional
(positiva) para as duas correntes, a principal que
circula entre o coletor e o emissor, e a de controle,
que circula entre a base e o emissor.
Na região de operação ativa a junção do emissor
opera diretamente polarizada e apresenta, nestas
condições, uma queda de tensão (barreira de potencial) entre 0,5 e 0,8 V. O emissor “segue” a base
enquanto que a junção do coletor opera reversamente polarizada
Quando esta junção está polarizada reversamente o transistor não conduz e dizemos que o transistor está “cortado” ou na região de corte. O transistor
opera como chave aberta. A máxima tensão reversa que esta junção suporta é de aproximadamente
7V.
Se o multímetro tiver a função hFE podemos verificar o ganho de corrente que este transistor proporciona. Preste muita atenção na polaridade do
transistor (se NPN ou PNP) e nos terminais (E, B e
C).
Para polarizar a junção diretamente, aplicamos
tensão positiva (ponta de prova vermelha – V/Ω) na
camada P e tensão negativa (ponta de prova preta COM) na camada N, ou seja, positivo na base do
transistor NPN e negativo na base do transistor
PNP.
**Curiosidade: Aparentemente a junção do emissor
é igual à junção do coletor. Poderíamos pensar erroneamente em inverter o coletor em relação ao
emissor. Fazendo isso no teste de hFE percebemos
a diferença, hFE muito menor. Além de suportar tensão menor, o transistor não funcionará adequadamente.
Dispositivos semicondutores de silício de três
terminais, como os transistores bipolares npn e pnp,
são designados por 2NXXX.
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1
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Emissor
N
P
N
A energia (ou potência) fornecida pela fonte de
tensão contínua Vcc é controlada pelo transistor
obedecendo ao sinal fornecido pelo gerador de funções Vi.
Coletor
Base
direto
2N3904 (NPN)
reverso
emissor B-E
coletor B-C
Por exemplo, no ponto de operação VCE=6,5V e
IC=6,5mA, o gerador de sinais Vi gastará 0,218 mW
para controlar 55 mW na carga. Este ganho de potência G=Po/Pi é a grande diferença entre um amplificador e um simples transformador, onde não existe ganho de potência.
G=Po/Pi= 55mW/218µW= 252
C-E
hFE
Emissor
P
Verificaremos ainda que quase toda potência
envolvida neste sistema é fornecida pela fonte de
alimentação Vcc, Pcc=97 mW.
**
N
P
Uma parte da potência é fornecida à carga,
Po=55 mW, e a outra parte é dissipada no transistor
e desperdiçada na forma de calor, Pd=42 mW. Desta forma é definido outro parâmetro importante num
amplificador, eficiência ou rendimento.
Coletor
Base
2N3906 (PNP)
direto
reverso
emissor B-E
C-E
hFE
η ≅ Po/Pcc=55mW/97mW=0.56 ou 56%.
coletor B-C
**
2 - MODO DE OPERAÇÃO CONTÍNUO
(CORTE E SATURAÇÃO)
Montar o circuito apresentado na Figura 2 em
um Proto Board.
Procure manter a disposição dos componentes
conforme o diagrama esquemático. Utilize um dos
barramentos (uma fileira da régua estreita do protoboard na parte de baixo do circuito) como linha de
terra e outro barramento, na parte de cima do circuito, como +Vcc.
O anodo do LED é facilmente identificável (terminal maior / placa interna menor). Se tiver dúvida
utilize o multímetro para testar o LED. Durante a polarização direta (+ no anodo) o LED acenderá e a
queda de tensão será aproximadamente 2V (3V nos
LED’s de alto brilho).
Utilize o Gerador de Funções como uma segunda Fonte de Tensão Contínua Ajustável. Ajuste
o gerador de funções GF para gerar onda quadrada em 1kHz, OFF SET ajustável (puxar o botão) e amplitude ZERO (ou quase).
Utilize o osciloscópio como 2 voltímetros. Ligar
o osciloscópio conforme indicado na Figura 2.
CH1:
CH2:
HOR:
GND:
Figura 2- Amplificador transistorizado.
O circuito apresentado na Figura 2 é utilizado para controlar a potência na carga constituída pelo resistor Rc e pelo diodo emissor de luz LED. O LED
foi utilizado para podermos visualizar o controle da
potência.
2
Laboratório No 5
5V/DIV, DC, 0V no centro
5V/DIV, DC, 0V abaixo
0.2ms/DIV
Aterrado
Ligar a fonte Vcc (pré-ajustado em 15V).
Ajustar o OFF SET do gerador de funções entre
-5V e +10V.
Observe que a luz emitida pelo LED aumenta
quando aumentamos Vi.
Devido à queda de tensão na carga, em particular no resistor Rc, a tensão no coletor do transistor
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Laboratório No 5
ELT 313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I
Vc diminui com o aumento de corrente. Podemos
constatar através de CH2 que esta tensão varia entre 13V e zero.
CORTE - Ajuste Vi para um valor abaixo de zero
(entre 0 e -5V). O transistor estará na região de
CORTE e o LED estará totalmente apagado. A
tensão no coletor do transistor é 13V devido à
queda de tensão de 2V provocada pelo LED. A
Tabela 1 contém os valores estimativos.
4) Analise cuidadosamente o potencial dos três
terminais do transistor.
5) O rendimento deste circuito é muito baixo, boa
parte da potência é dissipada e desperdiçada
no transistor em forma de calor.
SATURAÇÃO - Ajuste Vi para +10V. Observe
que a tensão no transistor é aproximadamente
zero. O transistor está na região de SATURAÇÃO e o LED estará com emissão máxima. Provavelmente esta condição foi atingida com Vi
menor que +10V.
OBS. Se o transistor não entrar na região de saturação devido ao baixo valor de hFE do transistor,
instalar outro resistor de 100kΩ em paralelo à RB.
Considere este novo valor de RB=50kΩ nos cálculos.
ATENÇÃO: Evite a utilização do amperímetro.
+15 V
Medir a tensão nos resistores para calcular o valor
da corrente: IC=VRc/RC e IB=VRb/RB
Ajuste Vi até que a tensão no transistor fique em
VC=6,5V. O LED estará brilhando com intensidade menor.
5 mA
1 kΩ
+10 V
Calcular o ganho de corrente deste transistor
hFE = IC / IB
C
N
corte
saturação
6,5
VCE
+4 V
V
IC
mA
IB
mA
hFE
x
+0,7 V
x
P
B
100 kΩ
Região ativa
N
E
-
Verificamos nesta experiência que:
1) Polarizando a junção do emissor reversamente,
o transistor entra na região de corte e se comporta como uma chave aberta. A dissipação no
transistor é praticamente nula e neste caso o
rendimento é irrelevante.
2) Na região ativa, a junção do emissor fica polarizada diretamente enquanto que a junção do coletor fica polarizada reversamente
3) Na saturação do transistor as duas junções ficam diretamente polarizadas e o transistor se
comporta como uma chave fechada. A potência
dissipada no transistor é muito baixa (aproximadamente 2,6mW), uma vez que a tensão de saturação do transistor é baixa, aproximadamente
0,2V neste transistor.
Figura 3- Corte e Saturação (sem LED)
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3
Laboratório No 5
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RETA DE CARGA (DC)
V ( Rc)
Rc
V ( Rb)
Ib =
Rb
Pcc = Vcc * Ic
PQ = Vce * Ic
Ic =
Ajustando a corrente de polarização, corrente na
Base do transistor, o ponto de operação do transistor (Vce, Ic) deslocará sobre a reta de carga, desde
o corte até a saturação como mostra a Figura 4.
A reta de carga é definida fonte Vcc (tensão do
circuito equivalente Thevenin VTh ) e pela resistência do coletor RC e do emissor RE (se existir)
RTh=RC+RE.
Po = Vo * Ic = P ( Rc) + P ( LED )
Vo = V ( Rc) + V ( LED )
No circuito apresentado na Figura 2 sem o LED
podemos equacionar:
Pi = Vi * Ib
P( LED ) = V ( LED) * Ic
P( Rc) =
VCC = VCE + RC .I C
Rc * I c2
IC =
Ic
Ib
Po
G=
Pi
Po
η=
Pcc
P
V
η LED = LED = LED
Pcc
Vcc
hFE =
que é a equação de uma reta cuja inclinação é definida pela resistência Rc. Dois pontos desta reta
são:
IC ( sat ) =
4
ativa
15
5,08
8,5
6,5
0,75
4,33
6,5
2,0
6,5
075
6,5
43
97,50
42,25
13,00
55,25
42,25
0,218
150
253
0,56
0,133
sat
15
10
2,2
0,2
0,75
9,25
12,8
2,0
0,2
075
12,8
92,5
192,0
163,8
25,6
189,4
2,56
0,925
138*
204,8
0,986
0,133
VCC
RC
p / VCE = 0 ( saturaçao)
A Figura 4 apresenta o gráfico da reta de carga e o gráfico do balanço de potência.
VLED=2V, VBE=0,75V, VCE-SAT=0,2V, hFE=150.
VCC
Vi
VD
VC
VB
V(Rb)
V(Rc)
V(LED)
Vce=VC
Vbe=VB
Ic
Ib
PCC
P(Rc)
P(LED)
PO
PQ
Pi
hFE
G
η(RC+LED)
η(LED)
p / IC = 0 (corte)
VCE (corte) = VCC
Tabela 1- Valores Estimativos com LED de 2V
corte
15
-5
15
13
-5
0
0
2
13
-5
0
0
0
0
0
0
0
0
-
VCC − VCE
RC
PCC = VCC .IC
PQ = VCE .IC
PO = RC .IC2
V
Medições (sem LED)
V
mA
µA
mW
ATENÇÃO: Para evitar a utilização do multímetro
na escala amperimétrica mediremos apenas o potencial em 4 pontos do circuito, todos em relação à
LINHA de TERRA. Os demais valores (correntes,
potência e ganho) serão calculados.
Curto-circuite o LED
⋅
Ajuste VBB entre -10 e +10V.
Medir VB, VC, VRc e VRb e calcular os demais valores. Preencha a tabela 2
Desenhar a reta de carga no gráfico da Figura 4
(Y=IC e X=VCE)
OBS. Se o transistor não entrar na região de saturação, instalar outro resistor de 100kΩ em paralelo
à Rb. Considerar este novo valor de Rb=50kΩ no
cálculo de IB.
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Tabela 2 - Reta de Carga
RB=
16
Saturação
15
Vi
VB
VC
VCE
IC
IB
hFE
V
V
V
V
mA
µA
IC / IB
12
Sem LED
-10
8
-8
Com LED
-6
4
-4
Corte
-2
0
1
2
4
6
8
VCE V
10
12
14
10
12
14
15
16V
15
16V
Sem LED
2
225
mW
3
PCC
4
150
5
PRc
6
75
PQ
7
8
0
2
4
6
8
VCE V
9
10
CORTE
SATURAÇÃO
VCE
V
IC
mA
PCC
PQ
mW
PRc
PLED
η(RC+LED)
%
η(LED)
Observerve que:
1) Com a polarização reversa da junção do
emissor, o transitor não conduz.
2) A tensão de avalanche da junção do emissor é
aproximadamente 7V.
3) Durante a condução do transistor a tensão VBE
permanece com valor entre 0,6 e 0,8V.
4) Os valores de IC e VCE obedecem a equação
da “Reta de Carga DC”.
5) O ganho de corrente hFE do transistor aumenta
com o aumento da corrente de coletor IC.
6) A potência máxima dissipada no transistor
ocorre no meio da reta de carga.
Figura 4- Curva de carga ICxVCE.
3 - MODO DE OPERAÇÃO CHAVEADO (COM LED)
Outra forma de controlar a potência na carga é
operar o transistor como CHAVE para aumentar a
eficiência do sistema.
Quando a chave estiver aberta (transistor em
corte ou off) a potência na carga será zero e quando a chave estiver fechada (transistor saturado ou
on) a potência na carga será a máxima (ou de pico).
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O controle da potência é feito mudando a relação
entre o tempo ON e o tempo OFF. A relação entre
o tempo ON e o período T=ON+OFF é denominado
ciclo de trabalho ou Duty Cycle . Esta técnica de
controle é conhecida como “Modulação em Largura
de Pulso” ou PWM (Pulse Width Modulation).
d=
Laboratório No 5
Controle no modo chaveado
Alterando o ciclo de trabalho, alteramos a potência média dissipada pela carga.
PAve = d * PPico
Os valores de potência podem ser calculados
com os resultados encontrados na condição SATURADO e em função do ciclo de trabalho.
ton
T
Aumente a amplitude da tensão do Gerador de
Funções gradativamente até que o transistor entre
em corte e saturação. Ajuste o Off Set do gerador
de funções se necessário.
Observando VC através de CH2 do osciloscópio,
a onda quadrada terá o mínimo aproximadamente
em zero (ou Vce-sat) e máximo em aproximadamente 13V (ou VCC-VLED).
Ajuste o DUTY/SIMETRIA do gerador de funções. Ajuste o ciclo de trabalho para 0.2 (baixa
potência) e depois para 0.8 (alta potência).
Consulte o manual de operações do gerador de
funções.
Diminua a freqüência para 1Hz e observe o LED
como pisca-pisca.
A potência no LED praticamente não alterou, aproximadamente 13 mW médio, porém, a potência
dissipada no transistor caiu drasticamente, de 42,25
mW para 1,28 mW médio (2,56 mW durante 50%
do tempo).
Obs.: Apesar da mesma potência média dissipada
no LED, o brilho no regime pulsado é muito maior
devido ao maior potência luminosa do pulso e devido ao efeito da persistência da retina do olho humano.
Durante a saturação, a potência dissipada na
carga é aproximadamente 192mW. Como esta potência é dissipada em apenas 50% do tempo
(d=0.5), a potência média na carga será aproximadamente 95mW, ligeiramente menor que a potência
fornecida pela fonte Vcc (Pcc=96mW)
ATENÇÃO: O cálculo da potência para forma de
onda pulsada é mais complicado. No resistor a potência é proporcional ao quadrado do valor eficaz
da corrente, enquanto que na fonte contínua Vcc e
no LED (se considerarmos queda de tensão constante) a potência é proporcional ao valor médio da
corrente.
P ( Rc) = Rc * I C2 ( RMS )
P ( LED) = VLED * I C ( Ave )
Figura 5- Oscilograma Modo Chaveado (com LED)
P (Vcc) = Vcc * I C ( Ave )
Se considerarmos apenas o LED como carga, a
eficiência é muito baixa ainda, 13,3%, pois depende
da relação VLED/VCC=2/15=0,133. Devemos desenvolver um outro sistema, também chaveado, para
melhorarmos a eficiência deste sistema.
ATENÇÃO: Para medir corretamente o valor eficaz
de tensão ou corrente não senoidal necessitaremos
de um multímetro True RMS. Além disso, para os
multímetros que utilizam acoplamento ac nas escalas AC, precisaremos fazer mais uma conta. Devemos medir a tensão nas escalas DC (Vdc) e depois
na escala AC (Vac).
VRMS = Vdc2 + Vac2
6
2
2
I RMS = I dc
+ I ac
Este exemplo mostrou como podemos aumentar
a eficiência dos equipamentos eletrônicos através
do chaveamento. Uma fonte de tensão linear de
±15V(DC) e 1A, ou seja, 30W, tem o mesmo tamanho e peso de uma fonte chaveada de 300W utilizada nos microcomputadores.
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Tabela 3- Valores Estimativos para Controle PWM
SENO
1kHz
5Vpp
6Vdc
VLED=2V, VBE=0,75V, VCE-SAT=0,2V, hFE=150
Valores Médios (Ave)
d
0,2
0,5
0,8
Ic
2,56
6,4
10,24
Ib
18,5
46
74
PCC
38,4
96,0
153,6
PRc
32,7
81,9
131,0
PLED
5,12
12,8
20,5
PO
37,9
94,7
151,5
PQ
0,51
1,28
2,05
Pi
0,18
0,46
0,74
98,6
98,6
98,6
η(LED+Rc)
13,3
13,3
13,3
η(LED)
mA
µA
0V
mW
Ave
0V
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:0.5mSEC/DIV
%
%
4 - AMPLIFICADOR
Outra grande aplicação do transistor é como
amplificador. Um amplificador linear aumenta a amplitude de tensão e corrente sem provocar distorção.
Para que o transistor opere como amplificador é
necessário que o mesmo opere na “região ativa”, ou
seja, em um ponto entre o “corte” e a “saturação”
conhecido como “Ponto de Operação Quiescente”.
Isto significa que o transistor deve ser “polarizado” antes que o sinal a ser amplificado seja aplicado no transistor. Em um amplificador esta componente contínua é proporcionado pelo “Circuito de
Polarização”.
Mude a forma de onda do gerador de funções
para SENO e ajuste o OFF SET até que a tensão no coletor seja aproximadamente
Vc=6,5Vdc
Ajuste a amplitude de Vi em 5 Vpp e verifique
que a tensão de saída, Vc, é uma senoidal maior
e com fase invertida. Calcule o ganho de tensão
e meça a amplitude máxima pico a pico sem ceifamento (cortes).
SENO
1kHz
5Vpp
V/DIV
CH2:
V/DIV
10Vdc
0V
0V
CH1:
H:
SEC/DIV
Diminua a amplitude do sinal e desloque o “ponto de operação quiescente” do transistor atuando no OFF SET do gerador de funções. Repita
a experiência.
VCE(Q)
3
6,5
12
Av=Vo/Vi
Vcpp-max
Observe que o sinal de saída ficará distorcido se
o transistor não for polarizado adequadamente, ou
seja, se ficar polarizado próximo do corte e próximo
da saturação.
Figura 6- Amplificador. a) Próximo do corte, b) Ponto
ótimo e c) Próximo da saturação
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5 - CURVA CARACTERÍSTICA - IC x VCE
Para obter a curva do coletor é necessário
manter a corrente na Base (IB) constante, variar a
tensão entre Coletor e Emissor (VCE) e medir a
corrente no coletor (IC), como mostra a Figura 7.
Observe que necessitamos de duas fontes de
alimentação CC positiva ajustável. Podemos utilizar
o gerador de funções com ajuste de OFF SET como
VBB.
Ajustar IB atuando no Off Set do gerador de
funções que deve estar com amplitude zerada
(ou mínima). Medir a tensão em RB.
IB = V(RB) / RB
Ajustar VCE atuando em VCC.
Medir ou calcular IC. IC = V(RC1) / RC1
Preencher a Tabela 4.
Desenhar a curva ICx VCE no gráfico da Figura
11. X=VCE e Y=IC
OBS. Concentrar as medições no cotovelo da curva
e espaçar as medições na região de corrente constante.
Na ausência de uma fonte DC ajustável,
recomendamos o circuito alternativo apresentado
na Figura 9.
VBB=VCC
RB
RC1
1k
150k
300k
750k
Figura 7 – Circuito para obtenção das curvas do coletor.
15V
RC2
10k
VB
VC
IC
VCC = 15V
VCC = 10V
Figura 9 – Circuito alternativo para obtenção das
curvas do coletor.
VCC = 5V
Figura 8 – Curva característica do coletor – Rc fixo e
Vcc variável.
1 kΩ
1,5 kΩ
Para manter Ib constante, imune à variação de
VBE, que pode variar entre 0,6 e 0,8V, recomendamos trabalhar com maior valor de VBB possível.
Uma corrente de 100uA produzida por uma fonte
de 10,7V associada a uma resistência de 100 kΩ é
mais estável do que 100uA produzida por uma fonte
de 1,7V e resistência de 10kΩ.
Atenção: Na ausência de um segundo multímetro,
utilizado como amperímetro, meça a tensão no
resistor R e calcule o valor da corrente
3 kΩ
Figura 10 – Curva característica do coletor – Vcc fixo
e Rc variável. Reta de carga ajustável.
IC = V(R) / R
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6 - CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
Tabela 4
IB
20uA
50uA
100uA
VCE
IC
IC
IC
0
0
0
0
0,1
OBJETIVOS
O objetivo desta aula é verificar a estabilidade do
ponto de operação de vários circuitos de polarização do transistor bipolar.
A estabilidade do ponto de operação pode ser
verificada variando-se a temperatura do transistor
ou trocando o transistor ou comparando o resultado
de medição de outras equipes.
0,2
0,3
0,4
Para obter uma variação mais ampla no hFE do
transistor sugerimos a utilização do 2N3904
(hFE=100) e BC547 (hFE=300)
0,5
1
4
Os circuitos seguintes foram projetados para que
apresentassem o ponto de operação mais próximo
um do outro.
5
VCE (Q ) ≅ k VCC
6
I C (Q ) ≅ (1 − k )
2
8
0 <k < 1
10
12
CÁLCULOS PRELIMINARES
14
15
V
VCC
( RC + RE )
mA
Calcular o ponto de operação do transistor de
cada circuito considerando hFE=100 e 300 e indicar o circuito mais estável.
Tabela 5
hFE=100
circuito
hFE=300
VCE
IC
VCE
IC
V
mA
V
mA
1
2
3
4
6
ENSAIO
Neste ensaio evitaremos, sempre que possível, a
utilização da escala amperimétrica do multímetro.
As correntes serão calculadas através da diferença
de potencial em uma resistência.
Figura 11 – Curva característica do coletor.
Medir VCC, VC, VE e VB e calcular os demais
valores.
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6.1- POLARIZAÇÃO FIXA DA BASE
RB
6.2 - POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO
DO EMISSOR
RC
1k
300k
VCC
200
15V
VC
VB
Circuito 1- Polarização fixa.
V -V
IC = h FE BB BE
RB
Circuito 2 - Polarização estável do emissor.
VBB =VCC
IC =
VCC
VC
VE
VB
VCEQ
ICQ
IB
hFE
V C E =V C -V E
I C =(V C C -V C )/R C
I B =(V C C -V B )/R B
h F E =I C / I B
I C - S AT =15/1k2=12.5mA
Este circuito de polarização é o mais simples de
todos, porém o menos estável. Observe a grande
variação do ponto de operação.
VCC -VBE
RB
h FE
+ RE
VCC
VC
VE
VB
VCEQ
ICQ
IB
hFE
V C E =V C -V E
I C =(V C C -V C )/R C
I B =(V C C -V B )/R B
h F E =I C / I B
Este circuito é mais estável que o anterior. Quanto maior for a resistência RE melhor será a estabilidade do ponto de operação.
A melhoria da estabilidade do ponto de operação
não foi expressiva devido ao baixo valor de RE. Faça uma análise para RE=1kΩ.
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6.3- POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO E REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO DO EMISSOR
6.4- CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
Circuito 3- Polarização por divisor de tensão.
Circuito 4- Polarização do Emissor
IC =
VBB -VBE
RB
h FE
VBB =
IC =
VBB -VBE
+R E
RB
h FE
+R E
VBB = -VEE
R B2
VCC
R B1 +R B2
R B =R B1//R B2
VCC
VC
VE
VB
VCEQ
ICQ
IB
hFE
V C E =V C -V E
I C =(V C C -V C )/R C
I B =((V C C -V B )/R B 1 )-(V B /R B 2 ) ***
h F E =I C / I B
***Este valor de IB é muito impreciso. Uma imprecisão de 5% nos resistores RB1 e RB2 provocará
um erro de aproximadamente 30µA na avaliação de
IB, cujo valor deve estar entre 50 e 150µA. Ou seja,
um erro de 5% na resistência poderá provocar um
erro de 50% na estimativa de IB.
VCC
VC
VE
VB
VCEQ
ICQ
IB
hFE
V C E =V C -V E
I C =(V C C -V C )/R C
I B = -V B /R B
I E =I C +I B
h F E =I C / I B
I C s a t = 30V/ (1k+2k)= 10mA
No circuito 4 a resistência RE foi aumentada mas
para isso foi necessário adicionar uma fonte VEE.
Quanto maior RE maior será VEE.
O circuito 3 com VCC=30V, RB1= RB2=20k e RE=2k
tem desempenho semelhante ao circuito 4.
Nos circuitos anteriores a imprecisão de 5% nestes resistores provoca um erro de 5% na avaliação
de IB. Estamos na situação onde devemos utilizar o
multímetro na escala amperimétrica para fazer a
medição direta da corrente IB.
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6.5 - CIRCUITO EQUIVALENTE
Os circuitos 1, 2, 3 e 4 apresentam o mesmo circuito equivalente.
6.6 - POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE
DO COLETOR.
TENSÃO
Circuito 6- Polarização com realimentação de tensão
do coletor.
Circuito 5 - Circuito Equivalente.
IC =
VBB -VBE
RB
h FE
circuito 1
circuito 2
circuto 3
circuito 4
+ RE
VBB=VCC
RE=0
RC=1,2k
VBB=VCC
RE=200
RC=1k.
V B B =[ R B 2 / (R B 1 + R B 2 ) ] V C C
RB=RB1//RB2
RE=200
RC=1k
VCC= VCC + VEE =30V
VBB= -VEE
RE=2k
RC=1k
A estabilidade do ponto de operação é inversamente proporcional à relação entre os resistores RB
e RE, ou seja, quanto menor a relação RB /RE maior
a estabilidade.
No circuito 4, para diminuir a resistência RB foi
necessário diminuir VBB através do divisor resistivo
RB1 e RB2.
VCC -VBE
IC =
RB
h FE
+ (R C + R E )
VCC
VC
VE
VB
VCEQ
ICQ
IB
hFE
VCE=VC-VE
IC =(VCC-VC)/R C - IB
IB =(VC-VB)/RB
hFE= IC/ IB
Este circuito PREFERENCIAL apresenta:
1) Boa estabilidade do ponto de operação devido à
realimentação negativa proporcionada pela resistência Rb entre o coletor e a base do transistor,
2) Menor consumo de corrente para polarização
3) Menor número de resistores e
4) Permite ajuste do ganho de tensão através do
ajuste de RE sem alteração significativa do ponto de operação quiescente.
Num amplificador esta realimentação negativa
para corrente alternada poderá ser bloqueada através de um desacoplamento capacitivo.
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Comparativo
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No circuito 1, uma alteração em RE do circuito
DC provocaria uma grande alteração no ponto de
operação.
Para evitar esta alteração no ponto de operação
devemos utilizar um capacitor de desvio no circuito
do emissor, uma capacitância muito elevada devido
à baixa resistência do circuito do emissor, tornando
economicamente inviável (ver a alternativa dos amplificadores de acoplamento direto como os amplificadores diferenciais e amplificadores operacionais).
Circuito 1
RC=2k,
RB=600k
RE
Circuito 6
RC=2k,
RB=300k
0
1k
0
1k
2,38
2,04
2,86
2,38
4,76
3,57
4,08
3,17
ICQmax
2,00
1,75
1,42
1,33
ICQmin
100%
75%
42%
33%
ICQ [mA]
hFE = 100
ICQ [mA]
hFE = 200
Circuito 1 com ajuste de ganho
Verificamos que para uma variação de 100%
em hFE,
1. O circuito 6, polarização pela realimentação da
tensão do coletor, é mais estável que o circuito
1, polarização fixa, devido à realimentação negativa (42% contra 100% sem RE e 33% contra
75% com RE).
2. A instalação da resistência no emissor, que
proporciona uma realimentação negativa, melhora a estabilidade do ponto de operação (75%
contra 100% no circuito 1 e 33% contra 42% no
circuito 6).
Observe que em ambas realimentações negativas (do emissor com RE ou do coletor) um aumento
no ganho de corrente hFE do transistor (devido ao
amento da temperatura ou mesmo devido a uma
troca do transistor) provocaria o aumento da corrente do coletor, mas, devido à realimentação (retroalimentação), provocaria uma diminuição da tensão
no circuito de polarização e conseqüentemente uma
alteração menor na corrente de coletor.
O circuito 6 apresenta uma outra vantagem,
permite o ajuste do ganho de tensão, substituindo
RE por um potenciômetro, sem afetar consideravelmente o ponto de operação.
ANEXO
A1 - TESTE ADICIONAL
Após uma série de medições é possível determinar a polaridade do transistor (NPN ou PNP) e qual
o terminal é a BASE.
Para descobrir qual terminal é o COLETOR e
qual terminal é o EMISSOR com um multímetro que
não tenha a função hFE devemos proceder o teste
da “lambidinha”.
Uma vez determinada a polaridade do transistor,
NPN ou PNP, após uma rodada de medições utilizando a função DIODO, utilizamos a função OHMIMETRO entre o suposto coletor e o suposto emissor.
Aplicando uma tensão positiva produzida pelo
OHMIMETRO (Terminal V/Ω) no suposto coletor
NPN e negativa (terminal COMM) no suposto emissor, o multímetro indicará OL (alta resistência).
Se os terminais estiverem corretos, ao instalarmos um resistor entre a base e o coletor, o transistor entrará em condução e o multímetro indicará
baixa resistência.
Se os terminais estiverem invertidos o transistor
não conduzirá e o multímetro não acusará nenhuma
alteração.
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300k
A2 - CURVA CARACTERÍSTICA USANDO OSCILOSCÓPIO
V/Ω
V/Ω
Ω
Ω
- COM
a) Alta - Baixa (conduz)
Podemos observar a curva característica de um
transistor através do osciloscópio operando no modo X-Y como mostra a Figura 12.
- COM
CH1
R B = 300k
b) Alta - Alta
Figura A1- Teste para identificação do terminal Emissor do transistor NPN
GND
Para o transistor PNP devemos aplicar tensão
negativa no Coletor.
OSC
1k
GND/GF Isolado
Ω
V/Ω
Ω
V/Ω
Figura A3 - Circuito para observação da curva IC x
VCE através do osciloscópio.
Figura A2- Teste para identificação do terminal Emissor do transistor PNP.
O resistor de 300kΩ pode ser substituído pelo
dedo ligeiramente umedecido com saliva , para diminuir a resistência, daí o termo “lambidinha”.
CH2(-)
Isolar o GND do gerador de funções
Ajuste o gerador de sinais para uma onda triangular com 10 VPP e nível DC de 5 V (use o offset
DC do gerador de sinais) e conecte o osciloscópio como indicado.
ATENÇÃO: O multímetro analógico fornece tensão negativa no borne V/Ω em relação ao borne
COM(-), levando freqüentemente a conclusões equivocadas.
Um segundo procedimento mais trabalhoso, uma
vez que necessita de uma fonte de tensão maior
que 9V, é levar a junção do emissor na região de
avalanche que é de aproximadamente 7 V .
Figura A1.3 - Teste para identificação do terminal
Emissor do transistor NPN
Figura A1.4 - Teste para identificação do terminal
Emissor do transistor PNP.
Itajubá, MG, janeiro de 2017
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