Transistor Bipolar de Juncao TBJ: Funcionamento e Circuitos de Polarizacao CC

99 CAPÍTULO 7 DISPOSITIVOS A JUNÇÃO PN II TBJ Similar aos diodos a vácuo os chamados triodos o vácuo genericamente conhecidos como válvulas consistem no aproveitamento do efeito da emissão termoiônica para realizar um controle de carga entre placas metálicas Neste caso além da placa emissora catodo onde é produzido o efeito termoiônico e da placa coletora anodo os triodos a vácuo apresentam uma terceira placa chamada grade caracterizada pela presença de furos para possibilitar que a maior parcela dos elétrons emitidos pelo catodo passem pela grade e alcancem o anodo Figura 71 com a grade retendo apenas uma pequena parte dos elétrons Esta operação propicia um efeito controle de corrente por corrente chamado efeito transistor caracterizado por um elevado ganho entre a corrente do catodo para o anodo e a pequena corrente da grade o que é utilizado para se obter um efeito amplificador de sinais analógicos ou executar um comportamento ativo de chave ligadesliga controlada por corrente Similar também aos diodos a vácuo os tríodos a vácuo apresentam o inconve niente de consumir muita energia devido ao efeito termoiônico e foram substituídos gradativamente por componentes semicondutores tal como o chamado transistor bipolar de junção que executam os mesmos efeitos amplificador de sinais e chave controlada além propiciar inovações tais como os circuitos integrados Assim praticamente todos os equipamentos eletrônicos atuais utilizam transistores semicondutores em seus circuitos Este capítulo visa um breve estudo do funcionamento dos transistores de junção e circuitos de polarização CC 71 ASPECTOS GERAIS O transistor bipolar de junção conhecido como TBJ é um triodo semicondutor de comportamento nãolinear e ativo formado por três regiões Figura 72a chamadas substrato emissor cujo terminal pode ser indicado pela letra E substrato base B e substrato coletor C que executam funções similares à das placas de um triodo a vácuo cada qual apresentando então características construtivas distintas para poderem exercer sua função descritas a seguir Emissor é o substrato de maior dopagem maior concentração de portadores de carga livres por desempenhar a função de fornecer os portadores livres que irão constituir as correntes do TBJ Apresenta tamanho intermediário Base é o substrato de menor dopagem e menor tamanho por ter a função de recolher por recombinação apenas uma pequena parte dos portadores livres injetados na base pelo emissor permitindo à maioria alcançar a 3o região Coletor desempenha a função de recolher a maior parte dos portadores livres injetados na base vindos do emissor Apresenta dopagem intermediária bem como o maior tamanho por dissipar mais calor que os demais substratos Além disso para executar o comportamento ativo de controle de corrente por corrente o TBJ deve formar duas junções PN com os três substratos chamadas junção emissorbase ou JE e junção coletorbase ou JC Figura 72a o que implica em duas combinações possíveis entre cristais P e N e resulta em duas famílias de TBJs Figura 72a TBJ NPN constituíse de um substrato base tipo P entre dois substratos emissor e coletor tipo N Neste caso como o substrato emissor é do tipo N e responsável por fornecer portadores livres aos outros dois substratos para o devido funcionamento do TBJ então as correntes em um TBJ NPN serão formadas majoritariamente por elétrons livres TBJ PNP constituise de um substrato base tipo N entre dois substratos emissor e coletor tipo P Neste caso como o substrato emissor é do tipo P então as correntes em um TBJ PNP serão formadas majoritariamente por lacunas A presença de duas junções PN permite entender o TBJ como um dispositivo constituído por dois cristais PN entre o terminal da base e os terminais do emissor e coletor o que define os diodos formadores do TBJ Figura 72a Diodo emissor corresponde ao cristal PN observado entre os terminais do emissor E e da base B Diodo coletor corresponde ao cristal PN observado entre os terminais do coletor C e da base B Logo conforme visto no Capítulo 5 como um cristal PN apresenta uma camada de depleção e esta é menor quanto mais dopado for o material então o TBJ apresenta as camadas de depleção emissorbase EB e coletorbase CB tal que a largura da camada EB é menor que a CB devido à maior dopagem do substrato emissor Figura 72b Figura 72 Constituição física e nomenclaturas do TBJ a substratos e diodos b camadas de depleção Emissor Base Coletor N P N P N P E B C diodo emissor diodo coletor camada de depleção emissorbase EB E B C N P N P N P camada de depleção coletorbase CB JE JC a b Emissor Base Coletor Figura 71 Triodo a vácuo e calor K G A emissor ou catodo grade coletor ou anodo CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 100 Similar aos diodos os TBJs de silício são mais utilizados que os de germânio por apresentarem especificações de tensão e corrente mais elevadas menores correntes reversas e menor sensibilidade com a temperatura razão pela qual a breve introdução teórica abordada neste capítulo se basear nos transistores bipolares de junção de silício Os símbolos esquemáticos dos transistores bipolares de junção apresentam uma seta utilizada para identificar o sentido convencional das cargas positivas da corrente no terminal emissor No caso do TBJ NPN a seta no símbolo é apontada para fora Figura 73a pelo fato do substrato emissor tipo N injetar elétrons livres majoritários na base quando o diodo emissor do TBJ se encontra em modo condução o que corresponde a uma corrente saindo no emissor no sentido convencional de corrente No caso do TBJ PNP a seta no símbolo aponta para dentro Figura 73b pelo fato do seu substrato emissor tipo P injetar lacunas majoritários na base e como as lacunas são portadores de carga livre positivas a direção da corrente no terminal emissor do PNP já corresponde ao sentido convencional de corrente Como os substratos disponibilizam três terminais o transistor bipolar de junção apresenta então seis variáveis três correntes e três tensões acessíveis em seus terminais exemplificadas na Figura 73c e descritas a seguir a Correntes de emissor IE de base IB e de coletor IC Como o substrato emissor tem a função de fornecer os portadores livres para os demais substratos temse que a relação matemática básica entre as correntes do TBJ é definida por IE IC IB 71 Logo como a corrente de base IB é bem pequena tal que IB IC e IE podese então entender que IC IE b Tensões entre os terminais coletor e emissor VCE ou VEC entre coletor e base VCB ou VBC e entre base e emissor VBE ou VEB tal que as tensões entre terminais estão relacionadas por VCE VEC VCB VBC e VBE VEB A escolha de qual família de TBJ NPN ou PNP utilizar em um circuito depende da conveniência determinada pelas condições de projeto do circuito sendo que ambos os tipos podem inclusive ser empregados conjuntamente para obterse um determinado efeito em um circuito No geral as diferenças básicas dos TBJs NPN e PNP são dada por Sentido positivo de correntes e tensões visto que as correntes são formadas por elétrons livres no NPN e lacunas no PNP então os sentidos positivos de correntes e tensões no TBJ NPN são opostos aos do PNP ver Figura 73c Tempos de chaveamento como a mobilidade dos elétrons livres é maior que das lacunas Tabela 51 então o NPN apresenta comutação mais rápida que o PNP pelo fato das correntes no NPN serem constituídas por elétrons livres Os TBJs são normalmente classificados em dois grupos quanto à capacidade de dissipação aparências diversas na Figura 74a de pequeno sinal 05 W e de potência 05 W Os TBJs de potência geralmente apresentam um encapsulamento metálico para facilitar a dissipação de calor e alguns tipos apresentam furos para seu encaixe em um dissipador Em geral os TBJs de maior potência são empregados em estágios finais de circuitos saída para a carga Os TBJs apresentam diversas nomenclaturas de codificação tais como a sigla 2N de origem norteamericana exemplos 2N2222 2N3055 e 2N2906 e europeia que se mostra mais completa composta por duas letras 1o letra tipo de material A germânio e B silício 2o letra emprego básico C aplicações gerais e áudio D potência F rádiofrequência etc exemplos do tipo NPN BC548 BD135 e BF494 tipo PNP BC558 BD136 e BF495 Além da potência máxima as folhas de dados dos TBJs apresentam outras especificações tais como corrente de coletor máxima ICM ganhos de corrente médios TBJs de menor potência geralmente apresentam ganhos maiores devido às suas aplicações mais comuns limites de tensão de ruptura reversa entre dois terminais quaisquer correntes reversas entre dois terminais considerando um terceiro terminal em aberto etc Algumas destas especificações serão melhor detalhadas mais adiante quando do estudo das características IV para as chamadas configurações do TBJ Figura 74 a Aparências de alguns de transistores bipolares de junção b multímetro com opções de testes a b bornes de teste para identificação de terminais e do tipo de TBJ NPN ou PNP opção de teste de diodos TBJs de pequeno sinal TBJs de potência terminal emissor E TBJ tipo NPN TBJ tipo PNP Figura 73 Símbolos esquemáticos do TBJ a NPN e b PNP c variáveis de tensão e corrente do TBJ a b c terminal coletor C terminal base B IB IE IC VCE VBE VCB C B E IB IE IC VEC VEB VBC C B E terminal emissor E terminal coletor C terminal base B CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 101 Antes da montagem de circuitos é comum a realização de testes com os componentes para a identificação de problemas nos mesmos No caso dos TBJs podese fazer uso de medidores especiais para a detecção de ganhos de correntes baixos correntes de fuga demasiadas e tensões de ruptura insuficientes além de outros testes como Por ser um dispositivo polarizado devese identificar os terminais de um TBJ Neste caso podese utilizar a folha de dados do componente ou multímetros que disponibilizam bornes de teste Figura 74b onde a correta conexão dos terminais do TBJ nos bornes é indicada pela medição de um ganho de corrente F visto mais adiante médio A opção de teste de diodos dos multímetros Figura 74b possibilita verificar as condições dos diodos do TBJ por meio da leitura da tensão de limiar típica de cada diodo Neste caso só é possível identificar o terminal da base Outro teste consiste na medição da resistência entre os terminais coletor e emissor que deve ser da ordem de M bem como na razão entre as resistências reversa e direta dos diodos emissor e coletor que deve ser maior que 1000 72 MODOS DE OPERAÇÃO DO TBJ Como observado na Figura 72a o TBJ pode ser entendido como um dispositivo formado por dois cristais PN os diodos emissor e coletor Logo com base no Capítulo 6 temse que cada diodo do TBJ apresenta um certo valor de limiar V e pode ser polarizado em condução ou corte resultando em quatro combinações de polarização dos diodos Estas combinações causam funcionamentos distintos para o TBJ tal que a polarização dos diodos determina os quatro modos de operação de um TBJ esquemas explicativos na Figura 75 e resumo na Tabela 71 descritos a seguir 1 MODO CORTE OU BLOQUEIO modo de operação atingido quando ambos os diodos emissor e coletor do TBJ são polarizados no modo corte isto é com tensão aplicada entre os terminais dos diodos menor que os respectivos limiares Figura 75a ou mesmo reversas Logo o montante das correntes nos terminais do TBJ são da ordem de correntes de saturação reversas de diodos e podem ser consideradas praticamente nulas tal que IE IC IB 0 2 MODO ATIVO DIRETO modo de operação alcançado quando o diodo emissor é polarizado em modo condução e o diodo coletor em modo corte isto é com tensão aplicada entre os terminais do diodo emissor maior que o nível de limiar e a tensão entre os terminais do diodo coletor menor ou igual ao limiar Figura 75b ou mesmo reversa A Figura 76a ilustra o mecanismo de funcionamento do TBJ no modo ativo direto exemplificado para o NPN Com o diodo emissor em condução este conduz uma corrente direta constituída por elétrons livres majoritários do substrato emissor tipo N o que resulta em uma corrente IE no terminal emissor Figura 76a Ao penetrar na base tipo P os elétrons injetados pelo emissor se tornam minoritários e como a base é pouco dopada e bastante estreita apenas uma diminuta parcela destes elétrons injetados são capturados por recombinações com lacunas da base para formar uma pequena corrente IB no terminal da base permitindo à maioria dos elétrons injetados na base alcançar o substrato coletor devido ao campo elétrico acelerante da camada de depleção coletorbase Figura 76a o que se configura em uma corrente reversa no diodo coletor em modo corte e resulta em uma corrente IC no terminal coletor Figura 76a comparável à de emissor IE Como consequência temse idealmente que se a corrente direta no diodo emissor aumentar então a corrente reversa no diodo coletor também aumenta por esta ser constituída por minoritários correspondentes aos majoritários injetados na base vindos do emissor e viceversa Assim concluise que o TBJ no modo ativo direto apresenta internamente um efeito controle ativo de corrente por corrente no qual a corrente reversa no diodo coletor é controlada pela corrente direta no diodo emissor Este efeito controle permite a conceituação dos chamados ganhos de corrente do TBJ definidos adiante com o estudo das configurações do TBJ A Figura 76b apresenta este mecanismo de funcionamento do TBJ com base no modelo de bandas de energia Com o diodo emissor em condução elétrons livres do substrato emissor adquirem energia suficiente para ocupar a banda de condução da base e uma pequena parcela dos elétrons injetados se recombinam com lacunas da base para formar a corrente em seu terminal tal que a maior parte apresenta tempo de vida médio suficiente para alcançar a junção coletorbase e migrar para a banda de condução do substrato coletor Como a BC na base tem maior energia Figura 75 Esquemas simplificados da polarização dos diodos para a obtenção dos modos de operação do TBJ CORTE OU BLOQUEIO ATIVO DIRETO SATURADO ATIVO REVERSO a b c d N P N C E B VBC V VBE V P N P C E B VCB V VEB V N P N C E B VBC V VBE V P N P C E B VCB V VEB V N P N C E B VBC V VBE V P N P C E B VCB V VEB V N P N C E B VBC V VBE V P N P C E B VCB V VEB V CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 102 que no coletor então os elétrons liberam energia na forma de calor ao penetrar no substrato coletor Figura 76b sendo este o motivo para o coletor ser o maior substrato do TBJ pois deve ser capaz de dissipar este calor liberado 3 MODO SATURADO modo de operação alcançado quando ambos os diodos emissor e coletor do TBJ estão em modo condução Figura 75c Neste caso como o diodo coletor é também levado à condução a corrente reversa no diodo coletor estabelecida no modo ativo direto passa a sofrer uma oposição pelo fato do diodo coletor também tender a conduzir uma corrente direta e portanto oposta o que resulta na perda do controle da corrente reversa no diodo coletor pela corrente direta do diodo emissor estabelecida no modo ativo direto tal que aumentos em IE ou IB não são mais refletidos integralmente em IC e dizse que o TBJ saturou Porém a corrente de coletor no modo saturado mantém o mesmo sentido do modo ativo direto pois para inverter seu sentido e conduzir diretamente a corrente no diodo coletor necessita antes anular totalmente a corrente reversa estabelecida no modo ativo direto 4 MODO ATIVO REVERSO modo de operação alcançado com o diodo coletor em condução e o diodo emissor no corte Figura 75d tal que as polarizações dos diodos do TBJ são contrárias aos do modo ativo direto com o coletor desempenhando a função do emissor fornecer portadores livres para o TBJ operar e o emissor a função do coletor Neste caso como o substrato coletor não apresenta a dopagem densa do emissor as correntes envolvidas são bem menores tal que apesar de também desempenhar um efeito controle de corrente o modo ativo reverso apresenta ganhos de corrente muito baixos e raramente é usado razão pela qual não será abordado nesta apostila Tabela 71 Polarizações dos diodos emissor e coletor do TBJ e consequentes modos de operação DIODOS DO TBJ POLARIZAÇÃO E MODOS DE OPERAÇÃO DO TBJ Corte ou Bloqueio Ativo Direto Saturado Ativo Reverso Diodo emissor modo corte modo condução modo condução modo corte Diodo coletor modo corte modo corte modo condução modo condução 73 CONFIGURAÇÕES DO TBJ Componentes elétricos com três terminais tal como o TBJ necessitam de ao menos duas malhas para sua polarização em um circuito elétrico Neste caso com base no esquema da Figura 77 verificase que uma das malhas denominada malha de entrada se distingue por ter o terminal que conduz a corrente dita de entrada do componente I1 e a outra malha denominada malha de saída se distingue por ter o terminal que conduz a corrente dita de saída do componente I2 pelo fato de alimentar a carga ou o restante do circuito A partir da definição das correntes de entrada e saída do componente de três terminais a corrente no terceiro terminal I3 não poderá ser identificada como entrada ou saída pelo fato deste terminal pertencer tanto à malha de entrada quanto à de malha de saída tal que terceiro terminal é comum aos outros dois terminais do componente Figura 77 Para o TBJ o efeito controle de corrente por corrente permite definir a corrente de entrada como a corrente de controle por esta estabelecer o modo de operação do TBJ tal que a malha de entrada é também chamada de malha de controle Com isso a corrente de saída é definida como corrente controlada e a malha de saída como malha controlada Contudo a escolha de qual corrente será a de entrada e qual será a de saída do TBJ baseiase em duas constatações Como a corrente direta no diodo emissor controla a corrente reversa no diodo coletor temse que o efeito controle depende da polarização do diodo emissor tal que as correntes de emissor IE ou de base IB podem ser adotadas componente de 3 terminais malha de entrada corrente de entrada corrente de saída carga VS Figura 77 Conjunto de malhas mínimo para a polarização de um dispositivo de três terminais 1 2 3 I1 I2 malha de saída I3 BC emissor base coletor N P N liberação de calor JE JC E N P N B campos das camadas de depleção C Figura 76 Funcionamento do modo ativo direto por esquema a construtivo b bandas de energia E C B a b IE IB IC e e energia e VBE VCB BV corrente direta corrente reversa correntes no sentido real das cargas negativas CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 103 como corrente de entrada controle do TBJ pelo fato dos seus terminais terem acesso ao diodo emissor Logo a corrente de coletor IC é adotada apenas como saída controlada pois seu terminal não participa do diodo emissor A corrente de base porém não pode ser utilizada como corrente de saída uma vez que isto resultaria em um ganho de corrente quase nulo ao se ter uma corrente de entrada IE controlando uma corrente de saída muito menor IB Assim escolhidos os terminais para conduzir as correntes de entrada e de saída do TBJ o terceiro terminal cuja corrente não será empregada no efeito controle de corrente por corrente define as chamadas configurações do TBJ 1 Configuração basecomum BC o terminal da base é comum às malhas de entrada e de saída do TBJ tal que a corrente de emissor IE é adotada como entrada controle e a de coletor IC como saída controlada do TBJ 2 Configuração emissorcomum EC o terminal do emissor é comum às malhas de entrada e saída do TBJ tal que a corrente de base IB é adotada como entrada controle e a de coletor IC como saída controlada do TBJ 3 Configuração coletorcomum CC o terminal do coletor é comum às malhas de entrada e saída do TBJ tal que a corrente de base IB é adotada como entrada controle e a de emissor IE como saída controlada do TBJ Como o funcionamento do TBJ é determinado apenas pela polarização direta ou reversa de seus diodos emissor e coletor os modos de operação do TBJ podem então ser alcançados independentemente da configuração utilizada Similar aos diodos a operação dos TBJs pode ser visualizada por características IV que relacionam variáveis de tensão e corrente mensuráveis em seus terminais No caso do TBJ porém são necessárias duas características IV referentes às malhas de entrada e saída para representar totalmente o comportamento do TBJ Além disso é preciso estabelecer uma condição de funcionamento básica para o levantamento das curvas IV de cada malha o que consiste em manter uma variável de corrente ou tensão em uma malha por exemplo a de entrada em um valor fixo para que esta malha não interfira no levantamento das curvas IV da outra malha por exemplo a de saída e viceversa Como mencionado por apresentar pouca finalidade prática o modo ativo reverso não será abordado nos estudos a seguir Adicionalmente as curvas das características IV das malhas de entrada e saída exibem certas particularidades devido ao chamado efeito Early visto a seguir que determina um comportamento um pouco diferente do idealizado 731 EFEITO EARLY Como visto na Figura 72b o TBJ é formado por duas camadas de depleção emissorbase EB que compõe o diodo emissor e coletorbase CB que compõe o diodo coletor Logo observase que a região da base que realmente apresenta portadores de carga livres chamada largura efetiva da base está confinada entre as duas camadas de depleção Figura 78 Além disso como estudado no Capítulo 5 a largura da camada de depleção praticamente não se altera com a tensão direta porém aumenta quanto maior é a tensão reversa Logo em modo ativo direto diodo emissor em condução e diodo coletor no corte temse que a largura efetiva da base é essencialmente modulada com a tensão reversa aplicada no diodo coletor Esta modulação da largura efetiva da base denominada efeito Early causa certas alterações na operação idealizada do TBJ tal que com o aumento da tensão reversa no diodo coletor e consequente diminuição da largura efetiva da base Figura 78 observase que 1 Corrente de emissor IE aumenta o estreitamento da largura efetiva da base causa um aumento na concentração de majoritários na base e resulta no aumento da diferença de concentração entre majoritários da base e minoritários do emissor Desse modo como correntes de difusão são proporcionais às diferenças de concentração e a corrente no diodo emissor é direta e portanto de difusão então IE aumenta com a elevação da tensão reversa no diodo coletor 2 Corrente de base IB diminui a diminuição da largura efetiva da base acarreta em uma menor distância para os portadores injetados na base alcançar o substrato coletor o que diminui a possibilidade de recombinação na base devido ao aumento do tempo de vida médio dos minoritários injetados resultando na redução da corrente de base 3 Corrente de coletor IC aumenta a elevação da corrente de emissor e a diminuição da corrente da base acarretam então no aumento da corrente de coletor que tende a se aproximar ainda mais do valor da corrente do emissor 4 Ruptura por punchthrough para tensões reversas muito elevadas no diodo coletor a largura efetiva da base pode se reduzir praticamente a zero ou seja as camadas de depleção se fundem o que produz uma corrente excessiva mente elevada corrente de ruptura conhecida como perfuração ou punchthrough e resulta na queima do TBJ Estas alterações nas correntes do TBJ devido ao efeito Early causam certos comportamentos observados nas características IV de entrada e saída das configurações do TBJ vistas a seguir e resultam em ganhos de corrente não constantes tal que a rigor o valor destes ganhos depende do ponto de operação do TBJ estabelecido em um circuito 732 CONFIGURAÇÃO BASECOMUM OU BC Para o estudo da configuração basecomum ou BC seja o circuito didático de polarização de um TBJ PNP visto na Figura 79a para o TBJ NPN a análise é análoga onde observase que o terminal da base pertence às malhas de entrada e saída do circuito ou seja é comum a ambas Analisandose os diodos emissor e coletor do TBJ temse que Figura 78 Mecanismo do efeito Early largura efetiva da base E B C tensão reversa no diodo coletor EB CB CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 104 A ddp VEB constituise na tensão direta do diodo emissor do TBJ Logo considerando uma tensão de limiar típica de 05 V para o diodo emissor do TBJ observase que se VEB 05 V então o diodo emissor se encontra em modo corte tal que IE 0 A e se VEB 05 V então o diodo emissor se encontra em modo condução tal que IE 0 A A ddp VBC constituise na tensão reversa do diodo coletor tal que VCB VBC é a tensão direta do diodo coletor Logo considerando um limiar típico de 05 V para o diodo coletor temse que se VBC 05 V então VCB 05 V e o diodo coletor está no corte e se VBC 05 V então VCB 05 V e o diodo coletor entra no modo condução Como mencionado para o levantamento das características IV de cada malha de entrada e saída é necessário estabelecer uma condição de funcionamento básica para cada malha o que consiste em manter uma variável em uma das malhas de entrada ou de saída em um valor fixo para que esta não interfira na outra malha Assim com base nas observações listadas acima o entendimento do funcionamento do TBJ na configuração basecomum é visto a seguir 1 Característica IV de entrada analisando a Figura 79a observase que a corrente de emissor IE e a tensão VEB no diodo emissor residem nas variáveis de entrada do PNP tal que curvas IE VEB expressam a característica IV de entrada do TBJ PNP em basecomum onde a tensão VBC na malha de saída é normalmente a variável fixada como condição básica Figura 79b Analisando a Figura 79b notase então que a característica IV de entrada reside no desempenho do diodo emissor em polarização direta formada por um conjunto de curvas para cada VBC fixada pelo fato do aumento da tensão reversa no diodo coletor VBC elevar a corrente de emissor IE devido ao efeito Early 2 Característica IV de saída analisando a Figura 79a observase que a corrente de coletor IC e a tensão VBC no diodo coletor residem nas variáveis de saída do PNP tal que curvas IC VBC expressam a característica IV de saída do PNP em basecomum onde a corrente de emissor IE é geralmente a variável da malha de entrada fixada como condição básica Figura 79c Com base na Figura 79c notase então que a característica IV de saída consiste de um conjunto de curvas distintas para cada IE fixada na qual distinguese os três modos de operação do TBJ 21 Modo corte ou bloqueio corresponde à região onde IE 0 A diodo emissor no corte e VBC 05 V diodo coletor no corte que são como visto as condições do TBJ no corte Tabela 71 Nesta região a corrente de coletor IC assume um valor IBCO praticamente desprezível Figura 79c denominado corrente reversa da base para o coletor com o emissor em aberto pois IE 0 A pode ser obtida com a desconexão do terminal emissor Além disso a região de corte estendese até VCB atingir um limite BVBCO Figura 79c denominado tensão de ruptura entre a base e o coletor com o emissor em aberto acima do qual o TBJ se queima por punchthrough 22 Modo ativo direto corresponde à região onde IE 0 A diodo emissor em condução e VBC 05 V diodo coletor no corte que são como visto as condições para o TBJ operar no modo ativo direto Tabela 71 Como mencionado no modo ativo direto ocorre um efeito controle de corrente por corrente o que permite a conceituação de ganho de corrente determinada pela razão entre as correntes de saída e de entrada do TBJ Logo no caso da configuração basecomum temse que a relação entre as correntes de saída IC e de entrada IE do TBJ define o chamado ganho de corrente direta em base comum designado por F ou HFB e obtido por C F E I I 72 tal que F caracterizase por ter valor próximo de 1 pois como IC IE então F 1 exemplo F 0995 Na Figura 79c notase que as curvas na região ativa direta exibem uma leve inclinação causada também pelo Efeito Early pois como visto aumentos na tensão reversa no diodo coletor VBC elevam a corrente de coletor IC Logo como IE está fixada e IC aumenta concluise que o ganho F não é constante e aumenta com a tensão reversa VBC com IC se aproximando de IE tal que a rigor a relação F IC IE varia pontualmente 23 Modo saturado corresponde à região em que IE 0 diodo emissor em condução e VBC 05 V diodo coletor em condução o que caracteriza como visto as condições para o TBJ no modo saturado Tabela 71 Com base na Figura 79c observase que a corrente de coletor IC na região de saturação sofre um decréscimo pois para que o diodo coletor também conduza corrente direta este antes necessita anular a corrente reversa estabelecida no modo ativo direto com o qual faz fronteira Este fato resulta então na perda do efeito controle de corrente característico do modo ativo direto tal que a relação IC F IE não se aplica ao modo saturado Figura 79 a Circuito com TBJ PNP para estudo da configuração basecomum b característica IV de entrada em basecomum típica para um PNP c característica IV de saída em basecomum tipificada para um TBJ PNP a b c E C B N VE RE IE IC RC VC IB VEB VBC IE VEB VBC3 VBC1 05 V 0 região de corte IE 0 A IC IE3 05 V região ativa direta região de saturação VBC 0 VBC3 VBC2 VBC1 IBCO ruptura BVBCO VBC2 P P IE2 IE1 IE3 IE2 IE1 malha de entrada malha de saída CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 105 733 CONFIGURAÇÃO EMISSORCOMUM OU EC Para o estudo da configuração emissorcomum ou EC seja o circuito didático de polarização de um TBJ NPN visto na Figura 710a para o PNP a análise é análoga onde notase que o terminal do emissor pertence às malhas de entrada e de saída do TBJ ou seja é comum a ambas Analisandose os diodos emissor e coletor do TBJ temse que VBE reside na tensão direta do diodo emissor tal que se VBE 05 V então IB 0 A pois IE 0 A e o diodo emissor está no modo corte e se VBE 05 V então IB 0 A pois IE 0 A e o diodo emissor entra em modo condução Aplicando LKT no TBJ temse que VCE VBC VBE 0 VCE VBE VBC onde VBC é a tensão direta no diodo coletor Supondo um valor típico VBE 08 V correspondente a uma polarização forte do diodo emissor em modo condução para o TBJ atingir o modo saturado e um valor de limiar típico VBC 05 V para o diodo coletor temse que VCE 08 05 03 V Logo podese entender que se VCE 03 V então VBC 05 V e o diodo coletor está em modo corte e se VCE 03 V então VBC 05 V e o diodo coletor entra decididamente em modo condução Com base nas observações acima a seguir é realizado um estudo sobre as características correntetensão das malhas de entrada e saída para o entendimento do funcionamento de um TBJ na configuração emissorcomum 1 Característica IV de entrada na Figura 710a notase que a corrente de base IB e a ddp VBE no diodo emissor são as variáveis de entrada do TBJ NPN tal que curvas IB VBE constituemse na característica IV de entrada do NPN em emissorcomum onde a ddp VCE é geralmente fixada como condição de funcionamento básica para a malha de entrada Figura 710b Similar à configuração BC com base na Figura 710b notase então que devido ao efeito Early a característica IV de entrada reside em um conjunto de curvas do diodo emissor em polarização direta distintas para cada VCE fixada pois a polarização reversa do diodo coletor aumenta com VCE o que faz IB reduzir 2 Característica IV de saída na Figura 710a notase que a corrente de coletor IC e a tensão VCE são as variáveis de saída do TBJ tal que curvas IC VCE constituemse na característica IV de saída do NPN em emissorcomum onde a corrente de base IB é normalmente fixada como condição básica para a malha de saída Figura 710c Similar à configuração BC a característica IV de saída em EC reside em um conjunto de curvas distintas para cada corrente de base IB fixada onde distinguemse os três modos de operação do TBJ com aplicações práticas 21 Modo corte ou bloqueio corresponde à região da característica IV onde IB 0 A diodo emissor no corte e VCE 03 V diodo coletor no corte o que define o modo corte do TBJ Tabela 71 Neste caso a corrente de saída IC se resume a um valor ICEO desprezível Figura 710c denominado corrente reversa de coletor para o emissor com a base em aberto pois IB 0 A reside em desconectar o terminal base do circuito Além disso a região de corte se estende até VCE alcançar um valor limite BVCEO Figura 710c chamado tensão de ruptura entre coletor e emissor com a base em aberto que é causado pela ruptura do TBJ por efeito punchthrough 22 Modo ativo direto corresponde à região da característica IV em que IB 0 A diodo emissor em condução e VCE 03 V diodo coletor no corte que são as condições para o TBJ no modo ativo direto Tabela 71 Logo similar à configuração BC o efeito controle de corrente por corrente do modo ativo direto permite a conceituação de ganho de corrente Neste caso a relação entre as correntes de saída IC e de entrada IB define o chamado ganho de corrente direta em emissorcomum designado por F ou CC e HFE e determinado por C F B I I 73 tal que F caracterizase por ser muito maior que 1 pois como IC IB então F 1 exemplo F 200 Como mencionado anteriormente os modos de operação independem da configuração do TBJ empregada Logo concluise que os ganhos F e F estão associados entre si tal que aplicandose a relação IE ICF equação 72 e a relação IB ICF equação 73 na relação IE IC IB equação 71 obtémse que 1 1 1 ou 1 1 C C F F E C B C F F F F F F F F I I I I I I 74 IB RB VEB E VBB IE VCC VCE Figura 710 a Circuito com TBJ NPN para estudo da configuração emissorcomum b característica IV de entrada em emissorcomum para o NPN c característica IV de saída em emissorcomum tipificada para o NPN a b c E C B P N VB RB IE IC RC malha de entrada IB VBE VBC IB VBE VCE1 VCE3 05 V 0 região de corte IB 0 A IC 03 V região ativa direta região de saturação VCE 0 VCE3 VCE2 VCE1 ICEO ruptura BVCEO VCE2 VC VCE N IB1 IB2 IB3 IB3 IB2 IB1 malha de saída CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 106 Similar à configuração BC as curvas na região ativa direta apresentam certas inclinações devido ao efeito Early pois aumentos em VCE faz elevar a tensão reversa no diodo coletor o que aumenta a corrente de coletor IC Logo como IB está fixada e IC aumenta o ganho F também não é constante e aumenta com VCE tal que a rigor a relação F IC IB varia pontualmente Neste caso comparando as Figuras 79c e 710c notase que as inclinações das curvas na região ativa direta em emissorcomum são mais pronunciadas tal que o ganho F é mais sensível ao efeito Early do que o ganho F Para exemplicar supondo um leve aumento no ganho F de 0995 para 0996 variação de 01 com base na equação 74 temse que esta variação de F representa um aumento no ganho F de 199 para 249 variação de 25 Essa elevada sensibilidade do ganho F requer que os circuitos com TBJs sejam projetados de modo a não depender demasiadamente do valor exato de F 22 Modo saturado corresponde à região da característica IV em que IB 0 A diodo emissor em condução e VCE 03 V diodo coletor em condução o que define as condições do TBJ no modo saturado Tabela 71 Similar ao observado na configuração BC na Figura 710c notase que a corrente de coletor IC também sofre um decréscimo na região de saturação devido ao fato do diodo coletor do TBJ tender a conduzir uma corrente direta por estar em modo condução o que resulta na perda do controle de corrente estabelecido no modo ativo direto com o qual faz fronteira tal que a relação IC F IB também não pode ser aplicada ao modo saturado 734 CONFIGURAÇÃO COLETORCOMUM OU CC A identificação de um TBJ na configuração coletorcomum ou CC se mostra menos trivial que nas configurações anteriores pelo fato de um circuito de polarização do TBJ em coletorcomum não exibir claramente o terminal coletor como comum às malhas de entrada e de saída necessi tando a observação de alguns aspectos do circuito para esta identificação Como exemplificação a Figura 711 mostra um circuito simples de polarização de um TBJ NPN onde observase que o terminal coletor por estar conectado diretamente a uma fonte VC desempenha uma função de referência de tensão comum aos terminais da base e do emissor do TBJ Além disso a ausência de um resistor em série com o terminal do coletor do TBJ identifica que a carga na malha de saída do circuito com TBJ está sendo desempenhada pelo resistor RE conectado ao terminal emissor tal que a corrente de emissor IE tem a função de corrente de saída do circuito Estas duas observações podem então identificar o TBJ na configuração coletorcomum Como IC IE temse que as relações de corrente de entrada IB e de saída IE são muito similares das observadas para a relação entrada IB e saída IC do TBJ em emissorcomum Assim as características IV de entrada e de saída na configuração coletorcomum são basicamente as mesmas da configuração emissorcomum e podem ser aproveitadas Além disso considerando que IE IC IB e como IC F IB equação 73 temse que a relação de ganho entre as correntes de saída IE e entrada IB no modo ativo direto do TBJ na configuração coletorcomum é definida por 1 1 E C B F B B E F B E B F I I I I I I I I I 75 A configuração CC é também conhecida como seguidor de emissor pelo fato de um sinal injetado na base do TBJ a menos de uma pequena atenuação no diodo emissor ser quase totalmente transferido à saída de carga ganho de tensão 1 tal que independentemente de mudanças na carga a tensão no terminal do emissor segue as variações do sinal injetado no terminal da base como se a entrada estivesse isolada da saída o que é chamado efeito buffer 74 ANÁLISE CC DE CIRCUITOS COM TBJ Similar aos diodos a análise CC de circuitos com TBJs pode ser inicializada com o estudo do comportamento do ponto de operação do TBJ neste caso fundamentado na análise da característica IV de saída do TBJ com o auxílio do conceito de reta de carga Além disso para a análise geral de circuitos CC com TBJs é necessário obter modelos esquemáticos dos modos de operação do TBJ bem como a admissão de suposições e teste de veracidade por regras Os circuitos com TBJs estudados até aqui com fontes de tensão distintas para as malhas de entrada e saída são apenas didáticos e não representam a realidade prática devido ao conceito de linhas de alimentação visto a seguir 741 LINHAS DE ALIMENTAÇÃO Circuitos eletrônicos geralmente dispõem de apenas uma fonte de tensão CC propiciado por pilhas baterias ou retificadores para polarização e entrega de potência aos seus componentes Desse modo a montagem destes circuitos em placas são geralmente realizadas por meio de trilhas condutoras de cobre chamadas linhas de alimentação para a distribuição de tensão ao longo dos circuitos em que o nível de maior potencial da fonte é distribuído pela chamada linha do positivo o nível considerado 0 V no circuito pela chamada linha de referência e o menor nível de potencial RE IE malha de entrada IB VB VC RB Vsaída Figura 711 TBJ em coletorcomum VBE malha de saída B C E CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 107 da fonte pela chamada linha do negativo Figura 712 Logo para que o TBJ possa funcionar em um determinado ponto de operação este deve ser posicionado entre as linhas de alimentação de modo a adequar as tensões em seus terminais para que as correntes sejam conduzidas no sentido esperado e resulte na relação IE IC IB Com isso visto que as polarizações do TBJ PNP são contrárias às do NPN estes deverão então ter posicionamentos invertidos Como exemplificação a Figura 712 mostra o caso para um TBJ NPN em emissorcomum ou coletorcomum onde observase que os terminais da base e do coletor devem ser conectados à linha do positivo e o terminal do emissor à linha de referência para que os terminais conduzam as correntes no sentido esperado No caso do PNP como os sentidos de corrente e tensão são contrárias às do NPN devese então levar o terminal do emissor à linha do positivo e os terminais da base e coletor à linha de referência para se obter correntes no sentido correto Figura 712 Caso seja empregada a linha do negativo a lógica das conexões é a mesma Figura 712 742 RETA DE CARGA Similar aos diodos o modo de operação de um TBJ em um circuito CC pode ser identificado com o auxílio da sua característica IV de saída fornecida pelo fabricante onde estão expressas as regiões de operação do TBJ e uma equação que relaciona a corrente e a tensão de saída do TBJ conhecida como reta de carga do TBJ Neste caso como a característica IV de saída é um conjunto de curvas devese determinar também a corrente de entrada do TBJ para que se consiga identificar em qual das curvas da característica IV de saída se encontra o ponto de operação do TBJ Seja o circuito de polarização de um TBJ NPN dado na Figura 713a o qual é redesenhado na Figura 713b com a linha do positivo refletida para os lados de modo a visualizar melhor as malhas de entrada e saída do circuito Seja também a característica IV de saída em emissorcomum do TBJ mostrada na Figura 713c Logo temse que LKT na malha de entrada Figura 713b 0 C BE C B B BE B B V V V R I V I R 1 onde normalmente adotase um VBE típico para determinar IB e a curva da característica em que o TBJ se encontra LKT na malha de saída Figura 713b 0 C CE C C C CE C C V V V R I V I R 2 o que define uma relação IC fVCE entre corrente e tensão de saída do TBJ e portanto a reta de carga do TBJ Logo como IC e VCE são as mesmas variáveis dos eixos da característica IV de saída podese desenhar a reta de carga no gráfico da característica com a obtenção de dois pontos da reta por exemplo para IC 0 A VCE VC para VCE 0 V IC VC RC Figura 713c Assim supondo que a solução da equação 1 seja um valor IB1 então a intersecção da reta de carga com a curva referente a IB1 determina o ponto de operação Q e os valores ICQ e VCEQ para o TBJ Figura 713c onde concluise que o TBJ se encontra no modo ativo direto tal que o ganho de corrente direta em emissorcomum no ponto é dado por F ICQ IB1 Similarmente supondo que o resultado da equação 1 seja IB3 obtemse o ponto de operação Q e concluise que o TBJ está no modo saturado Figura 713c Por fim se a equação 1 tiver um valor praticamente desprezível IB 0 obtémse o ponto Q e o modo corte para o TBJ Figura 713c Assim concluise que o ponto de operação do TBJ caminha por meio de retas de carga onde os modos corte e saturado são alcançados com o trânsito do ponto de operação pelo modo ativo direto através do ajuste da corrente de entrada IB do TBJ Como exemplo na equação 1 observase que o ajuste do resistor RB controla a corrente de base IB do TBJ e desse modo se RB então IB 0 e o TBJ se encontra no ponto Q na Figura 713d e no modo corte mas se RB diminuir gradativamente IB aumenta proporcionalmente e o ponto de operação do TBJ passa a transitar pela região ativa direta com IB controlando IC até o TBJ atingir ponto de operação Q e o modo saturado Figura 713d linha do positivo linha de referência IB IC IE IC IE Figura 712 Esquemas simplificados para a conexão de TBJs NPN e PNP entre linhas de alimentação de referência positivo e negativo linha do negativo 0 V IB C E B E C B IB IC IE IC IE IB C E B E C B Figura 713 a Circuito para o estudo de reta de carga do TBJ b circuito redesenhado c característica IV de saída e pontos de operação estabelecidos pela reta de carga d controle do ponto de operação por variação em RB a b c d IB 0 IC VCE 0 IB3 VC Q IB2 IB1 RB Q ICQ IB 0 IC VCE 0 VCEQ Q Q Q reta de carga C C V R VC IB3 IB2 IB1 VC RB linha do positivo linha de referência RC RB RC IB IC VCE VC malha de entrada malha de saída VC VBE C C V R CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 108 Exercício 1 Para o circuito e característica IV de saída em emissorcomum do TBJ mostrados a seguir determine o ponto de operação do TBJ se a RB 33 M b RB 55 k c RB 33 k Caso o ponto se encontre na região ativa direta determine as demais variáveis do TBJ e os ganhos de corrente direta Considere um VBE típico de 07 V Solução Substituindo o potencial da linha do positivo por uma fonte de 4 V e refletindo esta fonte para formar as malhas de entrada e de saída obtémse o circuito da figura ao lado onde VBE 07 V dado do problema Assim LKT na malha de entrada 33 4 07 0 1 B B B B R I I R LKT na malha de saída 4 4 20 0 20 CE C CE C V I V I que consiste então na equação da reta de carga do TBJ do circuito Obtenção de dois pontos quaisquer para desenhar a reta de carga no gráfico característica IV do TBJ tais como Para IC 0 A VCE 4 V Para VCE 0 V IC 4 20 200 mA Com base na equação da reta de carga observase que a mesma não depende do valor do resistor RB Desse modo a reta traçada no gráfico da característica IV se mantém a mesma para a análise dos três casos para valores de RB a RB 33 M do resultado 1 temse que IB 0001 mA 0 A Logo com a intersecção da reta de carga com a curva da característica IV de saída referente à corrente de base 0 A determinase o ponto de operação 1 mostrado no gráfico tal que ICQ 0 A e VCEQ 4 V e concluise então que o TBJ se encontra no modo corte ou bloqueio b RB 55 k do resultado 1 temse que IB 06 mA e obtémse o ponto de operação 2 na característica IV tal que VCEQ 16 V e ICQ 120 mA e concluise então que TBJ se encontra no modo ativo direto Neste caso Da equação 71 temse que IE IC IB ICQ IB 120 103 06 103 IE 1206 mA Aplicando LKT no TBJ temse que 07 VCB VCE 0 VCB VCEQ 07 16 07 VCB 09 V Da equação 72 temse que 3 3 120 10 1206 10 CQ C F E E I I I I F 0995 Da equação 73 temse que 3 3 120 10 06 10 CQ C F B B I I I I F 200 ou ainda da equação 74 obtémse igualmente que F F 1 F 0995 1 0995 200 c RB 33 k do resultado 1 temse que IB 10 mA e obtémse o ponto 3 visto no gráfico da característica IV Neste caso concluise que o TBJ se encontra no modo saturado tal que VCEQ 02 V e ICQ 190 mA 743 MODELOS ESQUEMÁTICOS DO TBJ Similar aos diodos os modelos esquemáticos e as condições de prova para cada modo de operação do TBJ são baseados na linearização por partes das características IV do TBJ Neste caso visto que um TBJ necessita de duas características IV distintas referentes às malhas de entrada e saída para representar totalmente seu comportamento a construção dos modelos requer a obtenção e agrupamento de esquemas parciais extraídos de cada característica indi vidualmente Além disso como a configuração emissorcomum é a mais utilizada na prática a obtenção dos modelos e condições de prova serão nesta apostila baseadas nas características IV da configuração emissorcomum do TBJ Para a construção dos modelos esquemáticos do TBJ NPN seja então as características IV de entrada e saída do NPN na configuração emissorcomum mostradas na Figura 714 Para cálculos práticos normalmente são adotadas três considerações simplificadoras para o funcionamento dos TBJs 1 efeito Early desprezível 2 corrente de coletor nula no modo corte ICcorte 0 A e 3 tensão VCE nula no modo saturado VCEsat 0 V visto que esta é bem pequena IE IB 4 V RB 07 V 4 V 20 VCE IC malha de entrada VCB malha de saída IB 08 mA 05 10 15 20 25 30 35 40 VCE V 0 IB 1 mA 3 2 IC mA 210 180 150 120 90 60 30 IB 06 mA IB 04 mA IB 02 mA IB 0 A 1 20 4 V RB 200 190 02 16 CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 109 na região de saturação VCE 03 V Com base nestas três considerações temse que os esquemas parciais extraídos da linearização por partes das características IV de entrada e de saída do TBJ NPN são obtidos por Figura 714 Característica IV de entrada como esta característica reside na relação IB VBE do diodo emissor em polarização direta e constituise de um conjunto de curvas devido ao efeito Early então considerandose o efeito Early despre zível temse que a característica IV de entrada se resume a uma curva típica de um diodo em polarização direta Logo adotandose o modelo aproximando do real simplificado com uma tensão típica VBE 07 V temse que Região de condução o esquema parcial do diodo emissor em condução resulta em uma fonte CC de 07 V entre os terminais base e emissor do TBJ que conduz uma corrente IB qualquer no terminal da base Figura 714 Região de corte o esquema parcial do diodo emissor no corte resulta em uma chave aberta entre os terminais base e emissor do TBJ com uma corrente IB nula e uma tensão VBE qualquer entre estes terminais Figura 714 Característica IV de saída como esta característica reside na relação IC VCE e constituída por um conjunto de curvas inclinadas na região ativa direta devido ao efeito Early então considerando este efeito desprezível temse que as inclinações são nulas tal que os ganhos de corrente direta F e F são constantes e os montantes de corrente de coletor IC são fixos e independentes de VCE Além disso considerando VCEsat 0 V e ICcorte 0 A temse que a região ativa direta se resume a um conjunto de retas horizontais a partir de VCE 0 e IC 0 Figura 714 tal que Região de corte o esquema parcial para o NPN no corte consiste de uma chave aberta entre os terminais coletor e emissor do TBJ com uma corrente IC nula e uma tensão VCE qualquer entre estes terminais Figura 714 Região ativa direta sendo IC constante e independente de VCE porém controlada por IB o esquema parcial do NPN no modo ativo direto reside em uma fonte de corrente controlada por corrente entre os terminais coletor e emissor de valor IC F IB com uma tensão VCE qualquer entre os terminais coletor e emissor Figura 714 Região de saturação o esquema parcial do NPN na região de saturação consiste de uma chave fechada entre os terminais coletor e emissor do TBJ que conduz uma corrente IC qualquer no terminal do coletor Figura 714 Assim com base na polarização do diodo emissor nos modos de operação Tabela 71 e nos esquemas parciais das características IV do TBJ Figura 714 podese agrupar estes esquemas e obter os modelos esquemáticos para os modos de operação do NPN vistos na Figura 715 e por simplicidade representados também sobre o símbolo do TBJ Figura 714 Linearização das características IV de entrada e saída em EC e construção de modelos do TBJ NPN IC VCE 0 IB VBE V 0 07 B E VBE valor típico modelo do NPN no modo saturado B E 07 V IB C IC IE modelo do NPN no modo corte B E IB 0 C IC 0 IE 0 VCE VBE F IB B E 07 V IB C IC IE VCE modelo do NPN no modo ativo direto Característica IV de entrada Característica IV de saída JE em condução JE no corte região de corte C E IC região de saturação C E F IB IC VCE região ativa direta diodo emissor JE B E 07 V IB IB 0 IC 0 C E VCE IB 0 IB1 IB2 IB3 Figura 715 Modelos de polarização CC e equacionamento básico para os modos de operação do TBJ NPN B IB IC IE IC IB C E 0 V B E 07 V IB C IC IE IC IB 07 V 07 V 07 V MODO CORTE MODO ATIVO DIRETO MODO SATURADO F IB B E 07 V IB C B IB IC F IB IE IC IB F 1 IB C E VCE VCE IC F IB IE IC IB F 1 IB 07 V VCB VCB VBE B C E B E C IE 0 IB 0 IC 0 IB 0 VCE IC 0 IE 0 VBE VCE VCB VCB CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 110 Para o TBJ PNP visto que os sentidos de correntes e tensões no PNP são opostos aos do NPN podese obter os modelos do PNP mostrados na Figura 716 com a inversão de sentidos das correntes e tensões dos modelos do NPN Com base no modelo esquemático do TBJ NPN no modo ativo direto visto na Figura 715 podese deduzir uma equação geral para o cálculo aproximado da potência dissipada nos modos de operação do NPN definida por 07 NPN B CE C CE C P I V I V I 76 visto que IB IC Similarmente com base no modelo do TBJ PNP no modo ativo direto Figura 716 temse que 07 PNP B EC C EC C P I V I V I 77 744 METODOLOGIA DA ANÁLISE CC Similar aos diodos a metodologia da análise CC de circuitos com TBJs consiste em admitir suposições para a operação do TBJ aplicar o modelo esquemático correspondente realizar os cálculos pela teoria de Circuitos Elétricos e testar a suposição com base em regras préestabelecidas até a suposição verdadeira ser encontrada onde as regras de julgamento das suposições baseiamse nas linearizações das características IV do TBJ Figura 714 Desse modo 1 Modo corte com base na linearização da característica IV de entrada do NPN em emissorcomum Figura 714 observase que uma tensão de entrada VBE do TBJ menor que o limiar adotado 07 V mantém o diodo emissor no corte Logo a hipótese do TBJ NPN operar no modo corte é verdadeira se VBE 07 V e falsa se VBE 07 V Por dedução a hipótese do TBJ PNP operar no modo corte é verdadeira se VEB 07 V e falsa se VEB 07 V 2 Modo ativo direto com base na linearização da característica IV de saída em emissorcomum para o NPN na região ativa direta Figura 714 notase que IB 0 e a tensão de saída VCE do TBJ assume qualquer valor positivo Logo com IB 0 a hipótese do TBJ NPN operar no modo ativo direto é verdadeira se VCE 0 e falsa se VCE 0 Por dedução a hipótese do TBJ PNP operar no modo ativo direto é verdadeira se VEC 0 e falsa se VEC 0 3 Modo saturado para facilitar o entendimento do critério de prova para o TBJ no modo saturado seja o gráfico da característica IV de saída do TBJ NPN em emissorcomum considerando o efeito Early desprezível mostrado na figura ao lado Analisandose o gráfico da característica IV observase então que 1 cada curva da característica corresponde a uma corrente de base do TBJ 2 cada curva de corrente de base do TBJ corresponde a uma corrente de coletor na região ativa direta Seja então ICcalc e IBcalc como as correntes de coletor e de base respecti vamente obtidas nos cálculos do circuito com o TBJ admitido no modo saturado Supondo que o valor da corrente de coletor ICcalc seja correspondente a uma corrente de base IBmin na região ativa direta figura temse então que o valor de IBmin pode ser obtido pela relação de ganho de corrente direta F do modo ativo direto tal que Ccalc Bmin F I I 78 Similarmente a característica IV de saída deve também apresentar uma curva referente à corrente de base IBcalc figura Notase então que o par ICcalc e IBcalc existe no funcionamento do TBJ apenas se o valor IBcalc for maior ou pelo menos igual a IBmin figura pois neste caso o ponto de operação obtido pela intersecção da curva referente a IBcalc e o valor de ICcalc ponto 1 encontrase na região de satuação figura Logo IBmin é entendida como a corrente de base mínima para saturar um TBJ quando este conduz uma determinada corrente de coletor IC ICcalc Assim a hipótese de um TBJ NPN ou PNP operar no modo saturado é verdadeira se IBcalc IBmin e falsa se IBcalc IBmin IBcalc IBmin F IBcalc IBmin V IC calc IC VCE região ativa direta região de saturação 1 IBmin IC1 IC2 Figura 716 Modelos de polarização CC e equacionamento básico para os modos de operação do TBJ PNP MODO CORTE MODO ATIVO DIRETO MODO SATURADO B E C B E C IE 0 IB 0 IC 0 IB 0 IE 0 VEB VEC VBC IC 0 VEC VEB VBC F IB B E 07 V IB C B IB IC F IB IE IC IB F 1 IB E C VEC VEC IC F IB IE IC IB F 1 IB 07 V VBC VBC B IB IC IE IC IB E C 0 V B E 07 V IB C IC IE IC IB 07 V 07 V 07 V CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 111 Exercício 2 Para o circuito fornecido a seguir sabese que o ganho de corrente direta em emissorcomum do TBJ empregado F vale 100 Determine as variáveis de tensão e corrente do TBJ para a RB 66 k b RB 33 k Solução Redesenhando o circuito com a colocação do potencial da linha do positivo 4 V refletido de modo a formar as malhas de entrada e de saída obtémse o circuito dado na figura ao lado Antes de realizar os calculos da análise CC é conveniente notar que o valor da fonte de tensão da malha de entrada 4 V é maior que o valor do VBE típico 07 V tal que o diodo emissor do TBJ está seguramente no modo condução e portanto o TBJ não pode estar no modo corte Tabela 71 Concluise então que o TBJ está no modo ativo direto ou modo saturado a RB 66 k empregandose o método da suposição e prova da análise CC de circuitos com TBJ temse que Suposição 1 TBJ no modo saturado Empregandose o modelo esquemático do NPN para o modo saturado obtémse o circuito abaixo Logo LKT na malha de entrada 4 6600 IB 07 0 IB IBcalc 05 mA LKT na malha de saída 4 50 IC 0 IC ICcalc 008 A Da equação 78 e F 100 temse 008 08 100 Ccalc Bmin F I I mA Como IBcalc IBmin concluise que a hipótese do TBJ no modo saturado é falsa tal que o par IBcalc e ICcalc não existe no funcionamento do TBJ do circuito Logo procedese com o teste de outra suposição possível Suposição 2 TBJ no modo ativo direto Empregandose o modelo do NPN para o modo ativo direto obtémse o esquema mostrado no circuito ao lado Logo LKT na malha de entrada 4 6600 IB 07 0 IB 05 mA Corrente de coletor IC F IB 100 05 103 50 mA LKT na malha de saída e considerando IC 50 mA temse 4 50 IC VCE 0 VCE 4 50 IC 4 50 50 103 VCE 15 V Como VCE 0 então concluise que a suposição TBJ no modo ativo direto é verdadeira Logo para a suposição verdadeira temse que as demais variáveis de tensão e corrente do TBJ são IE IC IB 005 50 103 505 mA ou IE F 1 IB 100 1 05 103 505 mA Aplicando LKT no TBJ VCE 07 VCB VCB VCE 07 15 07 VCB 08 V b RB 33 k empregandose o método da suposição e prova da análise CC de circuitos com TBJ temse que Suposição 1 TBJ no modo ativo direto Empregandose o modelo do TBJ NPN para o modo ativo direto obtémse o esquema do circuito visto ao lado Logo LKT na malha de entrada 4 3300 IB 07 0 IB 103 A 10 mA LKT na malha de saída e considerando IC 100 IB temse 4 50 IC VCE 0 VCE 4 50 IC VCE 4 50 100 IB VCE 4 50 100 103 VCE 10 V 0 suposição falsa Suposição 2 TBJ no modo saturado Com o modelo do TBJ no modo saturado circuito ao lado temse LKT na malha de entrada 4 3300 IB 07 0 IB IBcalc 10 mA LKT na malha de saída 4 50 IC 0 IC ICcalc 008 A Da equação 78 temse 008 100 Ccalc F I 08 IBmin mA Como IBcalc IBmin a suposição TBJ saturado é verdadeira existe o par IBcalc e ICcalc na operação do TBJ Logo para a suposição verdadeira temse que as demais variáveis de tensão e corrente do TBJ são Empregandose a equação geral das correntes no TBJ temse IE IC IB 008 0001 0081 A Como os valores de VBE 07 V e VCE 0 V são definidos pelo modelo do TBJ temse que VBC 07 V 4 V RB 50 RB 4 V 4 V entrada saída 50 VBE 07 V 33 k entrada saída IB IC B E 07 V 50 4 V 4 V IE C 66 k entrada saída IB B E 07 V 50 4 V 4 V C 100 IB VCE IC 100 IB IE 101 IB VCB 33 k entrada saída IB B E 07 V 50 4 V 4 V C 100 IB VCE IC 100 IB 66 k entrada saída IB IC B E 07 V 50 4 V 4 V IE C CAPÍTULO 7 Dispositivos a junção PN II TBJ 112 Exercício 3 Para o circuito dado a seguir sabese que o ganho de corrente direta em emissorcomum do TBJ é 199 Determine a leitura do voltímetro ideal V para os seguintes casos a R 1 k b R 6 k c R 36 k Solução O nó n do circuito reside em um divisor de corrente no qual a variação do resistor R efetua um controle da corrente IB na base do TBJ no sentido de que se R for suficientemente pequeno a corrente I no resistor de 9 k é desviada totalmente para a referência IR I tal que IB é nula e o TBJ atua no corte e a medida que R aumenta IR diminui o que faz a corrente I ser desviada para a base cada vez mais a ponto de IB saturar o TBJ figura ao lado Logo o aumento de R faz o ponto de operação do TBJ caminhar do corte para a saturação via região ativa direta Este controle é também entendido pelo efeito divisor de tensão entre os resistores 9 k e R pois a tensão em R estabelece o potencial da base e portanto determina a tensão aplicada ao diodo emissor tal que se R aumenta a tensão em R e na base aumenta o que eleva IB e leva o TBJ do corte para a saturação O rearranjo do circuito na figura a pode ser reduzido com a obtenção do circuito equivalente de Thevenin entre os pontos A e B resultanto no esquema da figura b onde VTH e RTH tensão e resistência de Thevenin são VTH tensão entre os pontos A e B do circuito isolado 6 6 1 9000 9000 TH TH TH TH R I V R I V R R tal que com base na figura b concluise que a fonte equivalente de Thevenin VTH polariza o diodo emissor do TBJ RTH resistência equivalente entre os pontos A e B do circuito isolado com a fonte de 6 V nula curtocircuito RTH 9 k R 9000 2 9000 TH R R R a R 1 k com base nos resultados 1 e 2 temse que VTH 06 V e RTH 900 Neste caso como o valor da fonte equivalente de Thevenin 06 V não é suficiente para o diodo emissor do TBJ entrar no modo condução que necessita de uma tensão VBE de pelo menos 07 V concluise que o TBJ está no modo corte O esquema ao lado mostra a situação do circuito onde é utilizado a representação mais prática do modelo no corte sobre o símbolo do TBJ Figura 715 Assim visto que o voltímetro mede a tensão entre os terminais coletor e emissor do TBJ VCE temse que LKT na malha de saída 6 VCE 0 leitura do voltímetro VCE 6 V b R 6 k com base nos resultados 1 e 2 temse que VTH 24 V e RTH 36 k Como VTH 07 V então o diodo emissor do TBJ está em modo condução e concluise que o TBJ pode estar no modo ativo direto ou saturado Testes Suposição 1 TBJ no modo saturado esquema do circuito ao lado LKT na malha de entrada e considerando que IE IC IB obtémse 24 3600 IB 07 10 IC IB 0 3610 IB 10 IC 17 3 LKT na malha de saida e considerando IE IC IB obtémse 6 70 IC 0 10 IC IB 0 10 IB 80 IC 6 4 Resolvendose o sistema de equações 3 e 4 obtémse então que IB IBcalc 026 mA e IC ICcalc 75 mA Prova IBmin ICcalc F 0075 199 038 mA IBcalc suposição falsa Suposição 2 TBJ no modo ativo direto esquema do circuito ao lado LKT na malha de entrada 24 3600 IB 07 10 200 IB 0 IB 03 mA LKT na malha de saida 6 70 199 IB VCE 10 200 IB 0 VCE 6 70 199 03 103 10 200 03 103 12 V Como VCE 0 então a suposição TBJ no ativo direto é verdadeira Assim leitura do voltímetro VCE 12 V 10 70 6 V 07 V IB IE IC IB entrada saída 0 V IC 24 V 36 k 10 70 6 V 07 V IB IE 200 IB entrada saída VCE IC 199 IB 24 V 36 k IB 0 IC VCE 0 IB3 IB2 IB1 R 10 70 06 V 6 V IE 0 entrada saída VCE IC 0 IB 0 900 06 V VBE a b 10 9 k 70 R circuito a ser equivalenciado 6 V 6 V A B ITH 10 RTH 70 VTH 6 V VBE entrada saída 6 V 10 9 k 70 R n V IR I IB