Transistor de Junção Bipolar (BJT): Princípios e Análise de Circuitos

Transistor de Junção bipolar BJT Bipolar Junction Transistor Professor Jean Patrick Prigol Introdução 1943 ENIAC 17468 válvulas precursor dos transistores 30t distribuídos em 180m² Introdução 1981 IBM PC 29000 transistores apenas 25kg Introdução 2016 Intel Core i7 47 bilhões de transistores litografia 14nm laptops com menos de 2kg Transistor BJT Dispositivo semicondutor de 3 terminais PNP ou NPN Transistor BJT Símbolo NPN PNP Transistor BJT Princípio de funcionamento do transistor PNP Configuração emissorcomum O emissor é comum aos circuitos de entrada base emissor e de saída coletoremissor A entrada é aplicada à base e a saída é retirada do coletor Características de coletor Características de base Características emissorcomum IE IC IB IC IE Correntes reais Quando IB 0 A está em corte mas há uma corrente minoritária correndo chamada ICEO 0 μA I CBO CEO B α I I 1 Onde ICBO corrente de coletor minoritário ICBO é geralmente tão pequena que pode ser ignorada exceto em transistores de alta potência e em ambientes de alta temperatura Correntes ideais IC IE ICBO Correntes de amplificador emissorcomum No modo CC No modo CA Às vezes referese ao CA como hfe um termo usado nos cálculos do desenvolvimento de transistores B C dc I I β constante ac CE V B C I I representa o fator de amplificação do resistor Beta A relação entre os fatores de amplificação e são 1 β β α 1 α α β Relação entre correntes B C I βI B E I β I 1 Beta A VCE é máxima e a IC é mínima na região de corte A IC é máxima e a VCE é mínima na região de saturação O transistor opera na região ativa entre a região de saturação e a região de corte Limites de operação Região Ativa Limites de operação Exemplos de análise e cálculo de circuitos com transistores Polarização CC de transistores BJT Principais equações 𝐼𝐸 𝐼𝐶 𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝛼𝐼𝐸 𝛽 𝛼 1 𝛼 𝑉𝐵𝐸 07𝑉 Análise emissor comum Considerando o circuito A análise é realizada em duas etapas 1 Malha Base Emissor Malha BE 2 Malha Coletor Emissor Malha CE 2V 100kW Rb 1kW Rc 10V 200 B C E Análise emissor comum Malha BE 2 𝐼𝐵𝑅𝑏 07 0 𝐼𝐵 2 07 100𝑘 13𝜇𝐴 Malha CE 10 𝐼𝐶𝑅𝑐 𝑉𝐶𝐸 0 2V 100kW Rb 1kW Rc 10V 200 B C E Análise emissor comum Malha CE 10 𝐼𝐶𝑅𝑐 𝑉𝐶𝐸 0 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 𝐼𝐶 200 13𝜇 26𝑚𝐴 Substituindo 10 26𝑚 1𝑘 𝑉𝐶𝐸 0 𝑉𝐶𝐸 10 26 74𝑉 2V 100kW Rb 1kW Rc 10V 200 B C E Mais características Polarização Significa aplicar tensões CC em um circuito para estabelecer valores fixos de corrente e tensão assim é estabelecido um ponto de operação ou quiescente O parâmetro sofre alterações com a variação da temperatura Diferentes tipos de configurações proporcionam pontos de operação para os transistores Estes pontos de operação são resultados da polarização do transistores Polarização Fixa Polarização fixa Características Configuração mais simples de polarização CC para um transistor BJT A corrente de coletor Ic está relacionada com a corrente de base Ib através de As variações de temperatura impactam no desempenho do transistor Vcc RB RC B E C Polarização fixa Análise Malha BE 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝐵𝑅𝑏 07 0 𝐼𝐵 𝑉𝑐𝑐 07 𝑅𝑏 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 𝐼𝐸 𝐼𝐵 𝐼𝐶 Malha CE 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝐶𝑅𝑐 𝑉𝐶𝐸 0 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝑅𝑐 Vcc RB RC B E C IB IC Caso 𝑉𝐶𝐸 0V na prática implicará em um valor medido de saturação 0𝑉 Aplicação do circuito de polarização Polarização Estável de Emissor O circuito O objetivo com a inserção do resistor de emissor RE é melhorar a estabilização das correntes Vcc RB RC RE B C E Análise Vcc RB RC RE B C E A análise é realizada em duas etapas 1 Malha Base Emissor Malha BE 2 Malha Coletor Emissor Malha CE Análise Vcc RB RC RE B C E Malha BE 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝐵𝑅𝑏 07 𝐼𝐸𝑅𝐸 0 mas 𝐼𝐸 𝛽 1 𝐼𝐵 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝐵𝑅𝑏 07 𝛽 1 𝐼𝐵𝑅𝐸 0 𝑉𝑐𝑐 07 𝐼𝐵𝑅𝑏 𝛽 1 𝑅𝐸 𝐼𝐵 𝑉𝑐𝑐 07 𝑅𝑏 𝛽 1 𝑅𝐸 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 Análise Vcc RB RC RE B C E Malha CE 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝑅𝐶 𝑉𝐶𝐸 𝐼𝐸𝑅𝐸 0 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝑅𝐶 𝐼𝐸𝑅𝐸 As corrente Ic e Ie podem substituídas em função de Ib 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 𝐼𝐸 𝛽 1 𝐼𝐵 Polarização de transistor BJT por divisor de tensão O circuito Como fazer a análise E a malha BE como fica A estratégia é modificar o circuito para que possamos analisálo Vcc RB1 RC RE B C E RB2 VTH RTH RC RE B C E Vcc IB IRB2 O circuito equivalente A principal mudança é com relação aos resistores de base e sua tensão A partir do terminal de base do transistor é analisado o seu equivalente e definese RTH e VTH VTH RTH RC RE B C E Vcc RTH A resistência de Thévenin é obtida zerando Vcc e medindo a resistência no terminal da Base com relação ao GND 𝑅𝑇𝐻 𝑅𝐵1𝑅𝐵2 𝑅𝐵1 𝑅𝐵2 VTH Já a tensão de Thévenin é obtida como a tensão de circuito aberto no ponto de conexão com a base 𝑉𝑇𝐻 𝑉𝐶𝐶 𝑅𝐵2 𝑅𝐵1 𝑅𝐵2 O circuito equivalente VTH RTH RC RE B C E Vcc Vcc RB2 RB1 Base do transistor Análises das malhas BE e CE para o circuito equivalente VTH RTH RC RE B C E Vcc A análise é realizada em duas etapas 1 Malha Base Emissor Malha BE 2 Malha Coletor Emissor Malha CE Análise Malha BE 𝑉𝑇𝐻 𝐼𝐵𝑅𝑇𝐻 07 𝐼𝐸𝑅𝐸 0 mas 𝐼𝐸 𝛽 1 𝐼𝐵 𝑉𝑇𝐻 𝐼𝐵𝑅𝑇𝐻 07 𝛽 1 𝐼𝐵𝑅𝐸 0 𝑉𝑇𝐻 07 𝐼𝐵𝑅𝑇𝐻 𝛽 1 𝑅𝐸 𝐼𝐵 𝑉𝑇𝐻 07 𝑅𝑇𝐻 𝛽 1 𝑅𝐸 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 VTH RTH RC RE B C E Vcc Análise Malha CE 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝑅𝐶 𝑉𝐶𝐸 𝐼𝐸𝑅𝐸 0 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝑅𝐶 𝐼𝐸𝑅𝐸 As corrente Ic e Ie podem substituídas em função de Ib 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 𝐼𝐸 𝛽 1 𝐼𝐵 VTH RTH RC RE B C E Vcc Polarização por realimentação O circuito Como fazer a análise E a malha BE como fica As malhas possuem mais elementos em comum em função da corrente de emissor IE IB IE Vcc RB RC RE IE IC Vamos praticar Analise o circuito ao lado e determine se o mesmo está bem polarizado 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐶𝐶2 Dados 𝑅𝐶 36𝑘Ω 𝑅𝐸 510Ω 𝑅𝐵 470𝑘Ω 𝛽 120 𝑉𝐶𝐶 16𝑉 IB IE Vcc RB RC RE IE IC Transistor BJT atuando como chave ligadesliga Introdução As configurações mais usadas quando temse uma saída digital são Transistor conectado diretamente a porta digital Relé conectado a porta digital Transistor relé O transistor BJT por ser uma fonte de corrente controlado por corrente pode ser utilizada para amplificar a saída digital ou não de um dispositivo eletrônico com o objetivo de ligardesligar cargas de elevada potência O que fazer quando precisamos acionar carga com potência ou tensão elevadas Introdução O transistor BJT atuará em duas regiões Saturado liga Corte desliga Introdução O transistor BJT atuará em duas regiões Saturado liga Corte desliga Saturação Análise em detalhes Na região de amplificação o BJT opera de forma linear com a relação 𝐼𝐶 𝛽𝐼𝐵 Mas o que queremos é região de corte e saturação Observe os gráficos IC VCE IB IBmin Para fechar a chave ICsat VCC Análise em detalhes Analisando 𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 𝑉𝑐𝑐 𝑅𝐿 𝐼𝐵𝑚í𝑛 𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 𝛽 Saturação IC VCE IB IBmin Para fechar a chave ICsat VCC jeanprigol jeanprigol jeanprigol Obrigado