CIRCUITOSDEPOLARIZAÇÃO DOTRANSISTOR

(1)

Capítulo

8 CIRCUITOSDEPOLARIZAÇÃO

DOTRANSISTOR

+

Um protótipoé um circuito básico que um projetista pode mudar para obter um circuito cada vez mais avançado. Um circuito de polarização da base é um protótipo usado num projeto de circuito digital. A polarização do emissor é um protótipo usado no projeto de circuitos amplificadores. Neste capítulo, vamos reforçar o estudo da polari-zação do emissor e os circuitos importantes derivados dessa polaripolari-zação.

Após o estudo deste capítulo, você deverá ser capaz de: 4'

~

Desenhar um diagrama de um circuito com polarização por divisor de tensão.

~

Calcular a corrente do divisor, tensão na base, tensão no emissor, corrente no emissor, tensão no coletor, tensão no coletor-emissor num circuito de polarização por divisor de tensão (PDT).

~

Determinar como desenhar uma reta de carga e como calcular o ponto Q para um dado circuito com polarização por divisor de tensão (PDT).

~

Desenhar um circuito com polarização do emissor com fonte de

alimenta-ção simétrica e calcular VRE,Ix, Vc e VCE.

~

Mostrar como usar os transistores pnp no circuito PDT.

~

Comparar os vários tipos de polarização e descrever como cada um deles funciona.

---r

(2)

298 Eletrônica

-

4g Edição - Volume 1 Capo8

8.1 _{A POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO}

o

circuito mais usado na polarização é chamado polarização por divisar de tensão.Veja

aqui como ele é derivado do circuito de polarização do emissor. A Figura 8.1 mostra o protótipo da polarização do emissor.

o OivisordeTensão

Algumas vezes, a tensão de uma fonte de alimentação é muito alta para ser direta-mente aplicada na base, conforme mostrado na Figura 8.1. Como podemos reduzir essa tensão sem reprojetar a fonte de alimentação? O modo mais simples é por meio de um divisor de tensão, como mostrado na Figura 8.2a. Pela escolha apropriada dos valores de RI e R2Ipodemos diminuir a tensão para o nível desejado no nosso projeto.

A tensão em R2 é simbolizada por V2' Essa tensão é aplicada diretamente na base, o que implica que VB = V2' O processo de análise é o mesmo de antes, exceto que começamos com o cálculo da tensão em R2' Uma vez obtida essa tensão, subtraímos 0,7 V desse valor para obter a tensão no emissor e então estamos no caminho de encontrar uma solução. + + -=-- Vcc

I

- -

(3)

1"

~

Capo8 Circuitos de polarização do transistor 299

o SistemacomFonteSimples

Alguns sistemas eletrônicos têm apenas uma fonte simples de alimentação. Nesse caso, nosso circuito deve ser projetado conforme mostrado na Figura 8.2b. Isso está certo, porque podemos usar quaisquer valores de RI e R2 necessários para obter a tensão desejada na base. Por exemplo, se a tensão na saída de uma fonte de alimentação fosse de 10 V, a tensão de alimentação da base seria igual a 10 V. Se fosse necessária uma tensão de 2 V, poderíamos usar uma razão de 4:1 para o divisor de tensão. Isso produziria 2 V na base.

8.2 _{A ANÁLISEDAPOLARIZAÇÃO}

_PORDIVISOR

DETENSÃO(PDT)

\

A Figura 8.4 mostra um circuito com polarização por divisar de tensão (PDT) com valores específicos. O processo de análise do circuito começa com o cálculo da tensão na base. Depois, o resto do processo é o mesmo discutido para a polarização do emissor. Mas o modo como você procede nesse processo depende de seu objetivo, especificamente se você está verificando defeito, projetando ou algo entre os dois.

'" 1'"

Figura8.2 Modificando a polarização do emissor.

+

_-.l!

-=- Vcc Vcc-=- -=- VCC R2

<:"

I

1

R2

r

- - - -- - - -(a) (b)

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300 Eletrônica- 4g Edição - Volume 1 Cap.8

Na Figura 8.2b, a tensão entre o terminal superior de RIe o terra é igual a Vcc. Além disso, a tensão entre o terminal superior de Rc e o terra é igual a Vcc. Como esses dois terminais têm tensões iguais, podemos conectar um fio entre eles e redesenhar o circuito, conforme mostrado na Figura 8.3. Nesse circuito simpli-ficado, a tensão no terminal superior de RI e Rc ainda é Vco portanto, o circuito opera como antes.

+Vcc + + + RI R2 -

-Figura8.3 A polarização por divisor e tensão.

A Suposição

o projetista de um circuito como o da Figura 8.4 precisa de uma precisão maior nas respostas que um técnico ao fazer uma verificação de defeitos, mas mesmo aqui há lugar para um compromisso sensível entre eles. Como o projeto é uma questão aberta com muitas respostas corretas, não há uma regra formal que cubra todos os casos. Em alguns projetos, os erros de cálculos de até 20% podem estar bem. Em outros, os erros de cálculos devem respeitar a margem de 1% ou menos.

O que estam os discutindo aqui é o projeto típico que tolera erros de 5% ou menos. O projetista geralmente começa com a segunda aproximação. Depois, à medida que o projeto se desenvolve, ele ou ela pode usar a terceira aproximação para obter respostas quase perfeitas. Vejacomo os cálculos devem ser vistos.

O processo começa com o cálculo da tensão na base. Para isso, fazemos uma suposição. Supomos uma corrente da base pequena o suficiente para não afetar a tensão do divisor. Nesse caso, podemos calcular a corrente por meio do divisor na Figura 8.4, como segue:

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Cap.8 Circuitos de polarização do transistor 301

VCC

I = RI + R2

(8.1)

Isso é a lei de Ohm aplicada na resistência total do divisor de tensão. Na Figura 8.4, a tensão de alimentação do coletor é de 10 V e a resistência total do divisor é de 12,2kQ. Portanto, a corrente no divisor é de aproximadamente

1= lOV 12,2 kQ = 0,82 mA +10 V RI 10 kQ Rz 2,2 kQ -

-Figura 8.4 Exemplo de uma polarização com divisor de tensão.

ç;

Até QueValorPodeSer ConsideradoPequenoparaa Correnteda

Base?

Que valor de corrente da base pode ser considerado pequeno? Uma regra geral para projeto é aquela que considera a corrente da base com um valor pelo menos 20 vezes menor do que a corrente do divisor. Isso limita os cálculos a um erro de 5%, que acorda com nossa discussão anterior sobre a regra de 20:1. Neste exemplo, a corrente na base deve ser menor que

r.~

0,82 mA = 41 ~A IB = 20

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302 Eletrônica- 48 Edição - Volume 1 Cap.8

Quando essa condição é satisfeita, podemos calcular a tensão na base como segue:

VB = IRz (8.2)

Essa é a tensão em RzoComo a base está conectada no terminal superior de Rz, a tensão na base é também de 1,8 V.

VB = (0,82 mA)(2,Z kQ) = 1,8 V

A

Tensãoe a CorrentenoEmissor

o próximo passo nesse processo é obter a tensão no emissor com

VE = VB

-

VBE (8.3)

Essa equação diz que a tensão no emissor é igual à tensão na base menos a queda de tensão no diodo emissor. Usando uma segunda aproximação, obtemos

VE = 1,8V - 0,7V = 1,1 V

A corrente no emissor é calculada pela lei de Ohm como:

VE IE = RE

(8.4)

Em palavras, a corrente no emissor é igual à tensão no emissor dividida pela resistência no emissor. Como a tensão no resistor de 1 kQ é de 1,1 V, a corrente no emissor é

1,1 V = 1,1 mA

.IE = 1 kQ

A

TensãonoColetore a TensãoColetor-Emissor

Como antes, calculamos a tensão no coletor com

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Cap.S Circuitos de polarização do transistor 303

Essa equação diz que a tensão no coletor é igual à tensão de alimentação no coletor menos a queda de tensão no resistor do coletor. Como a corrente no coletor é aproxi-madamente igual à corrente do emissor,

v

C = 10 V - (1,1 mA)(3,6 kQ) = 6,04 V

Como o emissor está acima do potencial do terra, devemos usar essa equação para obter a tensão coletor-emissor:

VCE= VC

-

VE (8.6)

Essa equação diz que devemos subtrair a tensão no emissor da tensão no coletor para obter a tensão coletor-emissor. Portanto, podemos calcular

VCE= 6,04 V - 1,1 V = 4,94 V

Testandoa Suposição

Neste ponto, o projetista deve testar sua suposição original para ver se a corrente da base é 20 vezes menor que a corrente no divisor de tensão. Aqui está um exemplo de como isso é feito. Suponha que o ganho de corrente possa variar de 36 a 300. O pior casoé para o menor ganho de corrente, porque ele produz a maior corrente da base.No pior caso,a corrente da base é

1,1 mA = 30,5 !-tA

IB = 36

Essacorrentenabaseémenor que o nível crítico de41 !-tA já calculado

antes. Portanto,

o erro no cálculo é menor que 5% por cento quando ignoramos a corrente na base durante o cálculo da tensão na base.

UmDivisorde TensãoEstável

Existe uma conexão entre a polarização por divisor de tensão e o divisor de tensão

estável discutido no Capítulo 1. Se você se recorda, um divisor de tensão estável (quase ideal) tem uma tensão de carga que está dentro de 1% da tensão de saída sem carga.

Quando a polarização por divisor de tensão está corretamente projetada, o divisor de tensão aproxima-se da condição estável (quase ideal). Por isso,atensão na base é quase constante eigual à tensão ideal na saída de um divisor de tensão sem carga.Atensão

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304 Eletrônica- 4GEdição - Volume 1 Cap.8

na base quase constante é que mantém todas as outras correntes e tensões fixas, mesmo que ocorram variações nos transistores, temperatura etc. (Se quiser conhecer com mais detalhes, veja os "Tópicos Opcionais".)

o Pontoa ÉImuneàs VariaçõesnoGanhode Corrente

Manter a corrente da base pequena simplifica a análise da polarização do divisor de tensão. Porém, mais importante é fazer o ponto Q imune às variações no ganho de corrente. Veja o motivo: se a corrente na base for pequena o suficiente para que seu efeito não afete a tensão na base, então as variações no ganho de corrente não terão efeito sobre a tensão da base. Mas uma tensão fixa na base significa que a tensão do emissor está fixa, a corrente no emissor está fixa e a corrente no coletor está fixa, assim, a tensão no coletor também está fixa. Em outras palavras, o ponto Q está imune às variações no ganho de corrente. Quando o ganho de corrente varia, a única coisa que pode mudar é a corrente na base. Ela pode aumentar ou diminuir. Mas isso não importa, porque a corrente da base está efetivamente fora desse quadro.

De fato, a polarização por divisor de tensão é na verdade uma polarização do emissor disfarçada. Quando o divisor de tensão é estável (quase ideal), ele produz uma tensão na base que não varia facilmente. Mas isso é equivalente ao circuito de polarização do emissor. No Capítulo 7, você viu quão perfeita (quase) é a polarização do emissor para manter o ponto Q fixo. Portanto, um circuito de polarização por divisar de tensão aproxi-ma-se do nível de funcionamento de um circuito com polarização do emissor.

Resumodo Processoe'das Fórmulas

Aqui estão as fórmulas usadas em nossa análise:

A Corrente no Divisor: Vcc

I = RI + Rz

A Tensão na Base: VB = IRz

A Tensão no Emissor: VE = VB

-

VBE A Corrente no Emissor: VE

IE = RE

A Tensão no Coletor:

_Vc

_{= Vcc}

_{- lc RC} _(8.7)

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Cap.8 Circuitos de polarização do transistor 305

Um

e a tensão Exemplo8.1 Na Figura

8.5,.

Solução

Esse circuito é o foi dobrada. Pi disso, a tensão dobrada, a cm;: +10V ~ RI 10 kQ Rc 3,6 kQ Rz 2,2 kQ

-

-Figura8.5 Exemplo.

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306 _Eletrônica _{- 4GEdição - Volume 1} _Cap.8

Exemplo8.2

A tensão de alimentação do coletor da Figura 8.5 foi triplicada. O que acontece com a tensão coletor.emissor?

Solução

Você não precisa recalculara tensão na.base~iPoispode usar uma regra proporcional. Como a tensão dafonteíripIlcou, <I.corrente no divisor também triplica. Isso significa que a tensão na base é o triplo de 1,8 V,ou seja, 5,4 V. Portanto, a tensão no emissor aumenta de 1,1 V para

VE.,5,4V -0,'7' V."".4,7V

A corrente no emissor aumenta para

4,7 V i.Z,35.mA

- ikQ

A tensão no coletor é

Vc

-30 V...

(2A~5mAJ(3,6EkQ) "".21,.5V e a tensão coletor-emissor é VCE

-

21,5\1

-

4,7V= 16,8V

8.3 A

RETA

DE CARGA E O PONTO a PARA O CIRCUITOPOT

Como a tensão no divisor é estável na Figura 8.6, a tensão no emissor é mantida constante em 1,1 V na discussão a seguir.

o

Ponto

a

O ponto Q foi calculado na Seção 8.2. Ele tem uma corrente do coletor de 1,1 mA e uma tensão coletor-emissor de 4,94 V. Esses valores são plotados para obter o ponto Q da Figura 8.6. Como a polarização por divisor de tensão deriva da polarização do emissor, o ponto Q é virtualmente imune às variações no ganho de corrente. A maneira de mover o ponto Q é variando o resistor do emissor.